非絕熱加熱

系統和外界之間的熱量交換過程。如把大氣作為整體來考慮，非絕熱加熱過程主要包括：

（1）輻射：大氣的最根本能源是太陽輻射。但它只有一小部分直接為大氣所吸收；一部分被地表面吸收，使地面增温；其餘則被地球和大氣反射回宇宙空間（見大氣環流的能量平衡和轉換）。此外，大氣還吸收地面的長波輻射，同時大氣本身也放射長波輻射。通過輻射過程，大氣可以獲得或喪失能量。

（2）感熱輸送：通過傳導、湍流和對流等過程，將地面的熱量輸送給大氣。

（3）潛熱釋放：空氣中水汽的凝結或凝華過程和水滴的凍結過程，都將有大量的潛熱釋放，這是對流層大氣獲得熱能的重要方式之一。除上述非絕熱加熱之外，還有在高層大氣中的化學和光化學效應釋放能量（見大氣化學、平流層和中層大氣物理學、大氣臭氧層）。非絕熱加熱過程對中期和長期天氣過程以及氣候的形成和變化，都有重要的作用。

在經典大氣能量學框架下，全位能被分解為可以釋放轉化成動能的有效部分和不可釋放的無效部分。對於這一能量有效性問題的研究，人們通常使用大氣有效位能的基本概念，基於此來探討位能與動能的轉換、能量循環以及大氣環流的維持，並將其拓展到海洋能量學的研究中。但以往這些研究中，有效位能的概念大多隻具有全球平均意義，反映了大氣或海洋系統的整體能量有效性。然而，大氣系統內部的能量收支、分佈與轉化都具有明顯的局地性特徵，這種具有明顯局地意義的能量異常變化必然會對局地大氣環流的變化產生顯著影響。因此，考察局地能量有效性問題對於瞭解局地大氣環流的變動極為重要。

大氣能量學的變化與作為大氣外源的非絕熱加熱關係尤為密切。大氣環流的異常變化與大氣輻射強迫、潛熱釋放以及下墊面加熱等非絕熱過程緊密關聯。非絕熱加熱對全球和局地的大氣能量有效性均具有顯著影響。因此，在前面研究基礎上，進一步探討非絕熱加熱對擾動位能的影響特徵和相關機理，對於理解擾動位能與非絕熱加熱的關係以及擾動位能主模態的形成問題具有重要意義。考察擾動位能與代表非絕熱加熱的變量場之間的耦合相關特徵，進而揭示非絕熱加熱對於代表局地能量有效性特徵的擾動位能的影響機理。 ^[1] 

利用美國NCEP/NCAR(National Centers for Environment Prediction/National Center for Atmospheric Research)再分析資料，所用資料時段為1948--2004年，每年取冬季(11月一次年3月)作為研究對象；格點資料分辨率取為5°×5°，主要針對熱帶(南北緯30°之間)北半球熱帶外地區(20°N以北到極地)進行分析。所用變量分別為計算得到的整層積分的擾動位能，各標準氣壓層的三維大氣温度場和風場，以及表面温度場和氣壓場。使用的海表温度(Sea Surface Temperature，SST)數據集為美國氣候資料中心提供的擴展重構的海表温度資料。

大氣中的非絕熱加熱是維持大氣環流運轉和發展天氣系統的主要熱力強迫因子。非絕熱加熱(冷卻)過程構成了大氣內能的源(匯)項，並在大多數天氣現象(如對流、鋒面、天氣系統等)中起着決定性作用。非絕熱加熱率的估算一般有直接和間接的方法。對於直接方法，通過分別估計非絕熱加熱各分量，例如潛熱釋放可以從降水率來估計或從向外長波輻射來估算。然而，這樣的估計通常不能反映非絕熱加熱的垂直分佈特徵，而且，一般也不可能對全球尺度的不同非絕熱加熱各分量有較為可信的估計。對於間接方法，它是利用熱力學能量方程，從大氣環流資料來計算作為剩餘項的非絕熱加熱。其優點是完整的三維空間的大氣環流資料可供利用，而這些資料的觀測精度相對比較可靠，而且，如果非絕熱加熱是從現代數值天氣預報模式提供的分析資料間接計算得到的，那麼這種餘差法是最為準確的。通過直接利用現有各個層次上再分析資料等計算非絕熱加熱率的方法，我們得到了全球三維空間非絕熱加熱(視熱源)分佈。擾動位能與非絕熱加熱場之間耦合關係通過奇異值分解(Singular Value Decomposition，SVD)分析技術加以實現。有關這一方法的説明詳見文獻 ^[2]  附錄。

天氣和氣候異常現象與大氣系統內部的局地能量源(匯)密切相關，而這與非絕熱加熱是密不可分的。旨在考察非絕熱加熱對大氣擾動位能的影響特徵，並在此基礎上初步探討其機理問題。分析結果表明，海表温度和擾動位能二者主耦合型與ENSO變率關係密切，而海温異常對熱帶外擾動位能的影響模主要在太平洋一北美區域存在顯著信號，此外，全球表面温度對大氣擾動位能有很顯著的影響特徵。在進一步研究了大氣中視熱源與擾動位能的相關機理問題後，結果顯示，低緯地區兩場仍主要以ENSO模態為主要耦合型，而在熱帶外地區相關關係要弱一些，視熱源異常耦合模態表現出與北半球環狀模類似的特點。

熱帶非絕熱加熱對熱帶外地區大氣環流異常的影響作用，可能是通過局地擾動位能的途徑加以實現的，回答這一問題，需要借鑑以往關於低緯加熱異常與中高緯環流異常的關係和機制研究工作。