大气能量

[拼音]：daqi nengliang

[外文]：atmospheric energy

地球大气中各种能量的总称。除太阳辐射能外，大气能量的主要形式有内能、势能、动能、有效势能和潜热、感热等。大气运动需要能量，研究大气运动中各种能量的转换和平衡(见大气环流的能量平衡和转换)，是动力气象学的基本内容之一。

内能

系统（气块或空气柱等）内空气分子无规则运动的机械能的统计平均值。当气块作绝热运动时，外界所作的功将表现为气块内能的增加。内能是系统的状态函数，当把空气视为理想气体时，它只是温度的函数。单位质量空气块的内能为

U =C_VT式中C_v为定容比热，T(K)为气温。

利用静力学关系（见大气运动的平衡状态），可以把自地面（气压P=P₀）到大气上界单位截面空气柱的内能表示为

势能

亦称位能。物质系统由于物体之间存在相互作用而具有的能量。对于处在地球重力场作用下的气块，当离开地面（参考面放在地面）时，它要克服重力的相互作用而作功，这部分功将转换成能量的另一种形式，即势能。所以势能是气块距离地面高度 (z)的函数。单位质量空气块的势能为

也称重力位势。在一般的研究气象问题的高度内，重力加速度g 可视作常数，因此势能可近似地表示为

Φ≈gz

利用静力学关系和理想气体状态方程（见大气动力方程），可以把地面到大气上界单位截面空气柱的势能表示为

式中R_d为干空气气体常数。

对于任意截面的空气柱而言，在静力平衡的条件下，势能和内能常常同时增减。因此，在大气科学中，习惯于把势能和内能合在一起考虑，称为全势能。

从地面到大气上界单位截面空气柱内，空气的全势能可表示为

式中c_p=C_v+R_d，为定压比热，c_pT 称感热。

动能

空气因运动而具有的能量。单位质量气块的动能为

式中u、v、w分别为气块速度的东西、南北和铅直分量，为速度的模。

有效势能

在实际大气中，全势能比动能大好几个数量级，能量转换的计算结果表明，它绝大部分储存在大气中，只有很小一部分能够转变为动能。为此，把某种封闭大气系统的全势能，和按绝热过程重新调整后该系统所具有的最小全势能之差，称为有效势能E_PA。根据计算，有效势能只占系统原有全势能的0.5％左右。实际上，在有效势能中，又只有10％左右能够真正转换为动能。因此，人们把大气视为一部效率非常低的热机。

潜热

大气中水汽在相变时释放的一种热量。单位质量气块的潜热为Lq，其中L 是单位质量水物质的相变潜热，q 是比湿。

能量的分解

在大气动力学中，为了了解大气能量的转换过程，人们常把动能和有效势能作进一步分解。在湍流运动中，动能 E_k可分为平均动能 E_km和脉动动能 E_kf两部分，E_kf的变化反映着湍流的增强或减弱。大尺度运动（水平尺度l的量级约为10³公里以上）主要是水平运动。此时动能的主要部分，是水平运动的动能。它可分为纬向平均动能唕_k和扰动动能E′_k两部分，E_k=唕_k+E′_k，E′_k的变化，反映着扰动的增强或减弱。同样，有效势能E_PA也可分解为沿纬圈的平均有效势能唕_PA和扰动有效势能E′_PA两部分，E_PA=唕_PA+E′_PA。

由于太阳辐射大部分并不直接加热大气，而直接加热下垫面，因此还需要研究大气、海洋等整个地-气系统的能量学。

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大气能量百科介绍

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