北半球大氣環(huán)流能量循環(huán)的氣候特征

李新新,管兆勇,李明剛

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;2.鹽城市氣象局,江蘇 鹽城 224005)

李新新,管兆勇,李明剛.2015.北半球大氣環(huán)流能量循環(huán)的氣候特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),38(4):531-539.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130306002.

Li Xin-xin,Guan Zhao-yong,Li Ming-gang.2015.Climatological features of atmospheric energy cycle in Northern Hemisphere[J].Trans Atmos Sci,38(4):531-539.(in Chinese).

北半球大氣環(huán)流能量循環(huán)的氣候特征

李新新1,2,管兆勇1,李明剛1

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;2.鹽城市氣象局,江蘇 鹽城 224005)

摘要：利用1958—2011年NCEP/NCAR逐日再分析資料,根據(jù)Lorenz能量循環(huán)理論框架,分析了北半球大氣能量循環(huán)的年變化特征,在此基礎(chǔ)上給出了更具普適性的多年平均的大氣能量循環(huán)框圖。結(jié)果表明:北半球大氣能量循環(huán)的年變化特征十分明顯。大氣能量及能量轉(zhuǎn)換率均表現(xiàn)為冬季高、夏季低、春秋季過(guò)渡的演變特征;緯向平均有效位能、緯向平均動(dòng)能和渦動(dòng)動(dòng)能中有少許能量在冬季時(shí)由南半球向北半球進(jìn)行越赤道輸送,夏季時(shí)則由北半球向南半球輸送,而渦動(dòng)有效位能的輸送方向則與此相反;緯向平均有效位能的制造在秋季最大,渦動(dòng)有效位能的制造在夏季最大;動(dòng)能的耗散冬季最強(qiáng),夏季最弱。就年平均而言,相較于能量轉(zhuǎn)化過(guò)程,能量越赤道交換過(guò)程非常微弱。在經(jīng)向上,緯向平均有效位能主要分布于高緯地區(qū),緯向平均動(dòng)能主要分布于中低緯地區(qū),而渦動(dòng)能量主要貯存在中緯和高緯地區(qū);此外,能量轉(zhuǎn)化過(guò)程一般在中緯度地區(qū)較活躍。

關(guān)鍵詞：能量循環(huán);有效位能;動(dòng)能;年變化

0引言

通常,人們側(cè)重于研究半球或全球范圍內(nèi)大氣運(yùn)動(dòng)的平均特征,即側(cè)重于研究環(huán)流的平衡狀態(tài),且用大氣的位勢(shì)高度、溫度以及風(fēng)速等基本要素場(chǎng)來(lái)表述(施能和朱乾根,1996;楊哲等,2012)。而大氣運(yùn)動(dòng)需要外界不斷地供給能量,因此,從能量學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)研究維持大氣環(huán)流平衡狀態(tài)的過(guò)程—大氣能量循環(huán)是非常重要的,它能正確地反映氣候系統(tǒng)中多圈層相互作用和轉(zhuǎn)化的真實(shí)物理機(jī)制(Lorenz,1967),是診斷大氣環(huán)流的一個(gè)非常有用的工具。

大氣通過(guò)吸收太陽(yáng)輻射使得全位能增加,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為維持風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)能。而實(shí)際觀測(cè)結(jié)果表明,大氣的動(dòng)能還不到全位能的千分之一(Lorenz,1967),這說(shuō)明大氣中的全位能只有很小一部分能被釋放而轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。由此Lorenz(1955)提出了有效位能的概念,將其定義為實(shí)際大氣的全位能與溫度場(chǎng)經(jīng)絕熱調(diào)整后具有水平正壓、穩(wěn)定層結(jié)的最小全位能之差,并被廣泛應(yīng)用于實(shí)際(魏民和仇永炎,1997;羅連升和楊修群,2003)。在有效位能概念的基礎(chǔ)上,Lorenz進(jìn)一步將有效位能和動(dòng)能分別分解為緯向平均和渦旋部分,從而發(fā)展了著名的四種能量模態(tài)收支框架,它包含了有效位能的產(chǎn)生、與動(dòng)能間的轉(zhuǎn)化以及動(dòng)能的耗散過(guò)程。在該框架中,有效位能的產(chǎn)生主要是由于不同的非絕熱加熱(輻射、感熱和潛熱)造成的,平均能量與擾動(dòng)能量之間存在相互轉(zhuǎn)化,而擾動(dòng)能量之間的轉(zhuǎn)化才是真正完成有效位能和動(dòng)能之間轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在(高麗和李建平,2007),對(duì)大氣環(huán)流的維持和演變起著重要作用(吳洪寶,1982;李俊,1990;袁建強(qiáng),1991)。

Lorenz能量框圖是描述大氣環(huán)流能量學(xué)的最佳框架。然而由于早期觀測(cè)技術(shù)和觀測(cè)手段的限制,氣象資料呈現(xiàn)非均勻性分布,尤其是在赤道及南半球地區(qū),資料嚴(yán)重缺乏,使得大氣能量循環(huán)的研究受到諸多限制。Krueger et al.(1965)、Wiin-Nielsen(1967)、Oort and Peixoto(1974)以及Peixoto and Oort(1974)曾根據(jù)能量循環(huán)框圖對(duì)方程組進(jìn)行計(jì)算,試圖分析北半球大氣的能量循環(huán)過(guò)程,但由于所用的資料均局限在20°N以北,因此計(jì)算結(jié)果并不可靠。唯一的一次估算全球大氣的能量循環(huán)(Oort,1983)所采用的是10 a(1963—1973年)探空數(shù)據(jù)集,但由于南半球地區(qū)測(cè)站稀疏和不良觀測(cè)條件等的約束,資料分布不均勻,且部分測(cè)站的數(shù)據(jù)差異較大,使得研究結(jié)果的準(zhǔn)確性較低。近年來(lái)隨著資料同化技術(shù)和衛(wèi)星等觀測(cè)手段的發(fā)展,氣象資料的精度得到了很大程度的提高,同時(shí)資料也具備了均勻的水平分布條件。各種再分析資料的出現(xiàn)為氣象研究工作提供了極大的方便。Li et al.(2006,2007)、Marques et al.(2009)以及Kim and Kim(2012)利用不同的再分析資料(NCEP-R2、ERA-40和JRA-25)診斷分析了全球大氣的能量循環(huán)過(guò)程,并對(duì)幾種再分析資料對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的描述能力進(jìn)行了對(duì)比。

此外,許多學(xué)者還擴(kuò)展了原始的能量循環(huán)框架研究。Saltzman(1957,1970)在波數(shù)域上對(duì)大氣能量進(jìn)行分解,得到的波數(shù)域方程更能體現(xiàn)出分波能量的貢獻(xiàn)以及波緯相互作用。Wiin-Nielsen and Brown(1962)、Smagorinsky(1963)以及Wiin-Nielsen and Chen(1993)在垂直方向上對(duì)有效位能和動(dòng)能進(jìn)一步分解,從而得到能量的正壓和斜壓分量。除了對(duì)大氣能量循環(huán)參數(shù)在空間上的分解外,Sheng and Derome(1991)在頻率域上將平均運(yùn)動(dòng)分解成3個(gè)頻帶,即季節(jié)平均、低頻和高頻渦動(dòng),得到的頻率域方程可用來(lái)分析各個(gè)季節(jié)的能量循環(huán)狀況。這些工作分別從不同角度對(duì)大氣能量進(jìn)行了劃分和深入研究。

然而,關(guān)于能量循環(huán)年變化特征的研究,目前還沒(méi)有詳細(xì)的結(jié)果。在再分析資料出現(xiàn)之前,Oort and Peixoto(1974)以及Peixoto and Oort(1974)曾利用測(cè)站資料對(duì)能量循環(huán)的年變化特征進(jìn)行過(guò)分析,但由于資料的時(shí)間長(zhǎng)度較短(1958—1963年),且垂直速度無(wú)法直接獲得,只能對(duì)循環(huán)框架中部分參數(shù)的年變化特征給予定性說(shuō)明,因而不具備普遍性。20世紀(jì)80年代之后,Ulbrich and Speth(1991)、張韜等(2006)分別利用ECMWF和NCEP/NCAR再分析資料對(duì)全球大氣1月和7月的能量循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了分析,但并沒(méi)有涉及能量循環(huán)年變化特征的研究。Hu et al.(2004)對(duì)比了20世紀(jì)80年代前后北半球大氣在各個(gè)季節(jié)的能量循環(huán),但對(duì)其演變過(guò)程并未作過(guò)多說(shuō)明。

基于此,本文將根據(jù)Peixoto and Oort(1974)定義的能量循環(huán)公式,從傳統(tǒng)的能量循環(huán)框架出發(fā),利用1958—2011年NCEP/NCAR再分析資料對(duì)北半球大氣的能量循環(huán)及其年變化特征進(jìn)行定性和定量描述,從能量學(xué)的觀點(diǎn)揭示大氣環(huán)流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1資料及方法

采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心與美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的1958—2011年緯向風(fēng)u、經(jīng)向風(fēng)v、p坐標(biāo)垂直速度ω、溫度T和位勢(shì)高度Z的逐日再分析資料(Kalnay et al.,1996),水平分辨率均為2.5°×2.5°經(jīng)緯度網(wǎng)格,垂直方向上1 000～10 hPa共17個(gè)等壓面層,其中垂直速度1 000～100 hPa共12層。

根據(jù)Lorenz能量循環(huán)框圖(圖1),在混合時(shí)空域上將有效位能P和動(dòng)能K分別分解為緯向平均部分(PM和KM)和渦動(dòng)部分(PE和KE),而渦動(dòng)又包括了定常渦動(dòng)(時(shí)間平均,本文取為月平均,PSE和KSE)和瞬變渦動(dòng)(與時(shí)間平均的離差,PTE和KTE)兩部分。文中對(duì)不同能量的貯存和轉(zhuǎn)換項(xiàng)的計(jì)算是根據(jù)Peixoto and Oort(1974)的能量循環(huán)公式來(lái)實(shí)現(xiàn)的,具體的能量收支方程如公式(1),方程中各項(xiàng)具體的表達(dá)式可參閱文獻(xiàn)Oort and Peixoto(1974)。

(1)

圖1　1958—2011年北半球多年平均大氣的能量循環(huán)框圖(方框內(nèi)為貯蓄項(xiàng),單位:105 J·m-2;箭矢旁為轉(zhuǎn)換項(xiàng),單位:W·m-2;箭矢表示正值的轉(zhuǎn)換方向)Fig.1　Diagram of the Northern Hemispheric energy cycle for monthly mean circulation averaged over the period 1958—2011(Units of reservoirs(in boxes) are in 105 J·m-2,and conversions(near arrows) are in W·m-2.The arrows indicate the orientations of the conversion from one reservoir to another)

本文在估算不同貯存(PM和KM)的制造項(xiàng)(G(PM)和G(PE))和耗散項(xiàng)(D(KM)和D(KE))的半球平均時(shí),是根據(jù)能量收支方程并忽略不同貯存項(xiàng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)(如?PM/?t,數(shù)值非常小)而作為剩余項(xiàng)來(lái)得到的。Ulbrich and Speth(1991)利用ECMWF再分析資料所得的結(jié)果表明,上述對(duì)不同貯存項(xiàng)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)的忽略是完全合理的。

這里對(duì)文中逐月估算的月平均大氣環(huán)流的能量循環(huán)的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行具體說(shuō)明。在任意一年的某一月份,變量(即u、v、ω、T、Z)的時(shí)間平均是指由逐日資料計(jì)算得到的月平均,時(shí)間距平則是相應(yīng)的月距平,在計(jì)算涉及瞬變渦動(dòng)過(guò)程的物理量時(shí)(如〈T′2〉和〈v′T′〉),是對(duì)單變量距平值的平方或某兩個(gè)變量距平值的乘積作月平均(即為求變量方差或協(xié)方差的過(guò)程);然后對(duì)公式中(Oort and Peixoto,1974)的各項(xiàng)在緯向上進(jìn)行分解,最后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到能量循環(huán)參數(shù)在該月的月平均值。對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行多年平均處理即可得到參數(shù)在該月的氣候平均值,再對(duì)各月的氣候平均值進(jìn)行年平均處理即得到如圖1所示的能量循環(huán)框架。對(duì)于逐年估算的年平均大氣的能量循環(huán),只需計(jì)算時(shí)將公式中變量的時(shí)間平均取為年平均,時(shí)間距平即為相應(yīng)的年距平,其他步驟不變,從而得到參數(shù)在任意一年的年平均值。

不同于全球大氣的能量循環(huán)研究,在半球大氣中,有必要考慮赤道邊界的能量流動(dòng)過(guò)程。Peixoto and Oort(1974)、Oort and Peixoto(1974)指出,對(duì)于大氣能量的年循環(huán)而言,在忽略水汽輸送的情況下,北半球可以看作是一個(gè)孤立的閉合系統(tǒng),即赤道邊界的能量流動(dòng)過(guò)程可以忽略;但對(duì)于季節(jié)以及逐月的能量循環(huán)過(guò)程,尤其是在冬夏月份,北半球是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng),其邊界上緯向平均有效位能的交換相較于整個(gè)半球的能量收支非常重要?；谶@一思想,本文對(duì)有效位能和動(dòng)能在赤道邊界上的流通率進(jìn)行了估算,以得到更為準(zhǔn)確的北半球大氣能量循環(huán)框圖。

天氣尺度的渦動(dòng)(空間尺度達(dá)1 000 km,生命史達(dá)幾天,如氣旋、反氣旋)在大氣能量循環(huán)過(guò)程中扮演著重要角色,而那些空間和時(shí)間尺度小于NCEP/NCAR逐日再分析資料分辨率(分別為250 km和1 d)的渦動(dòng),相比之下,則是次網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)(Lorenz,1955),暫不作考慮。對(duì)大部分天氣尺度渦動(dòng)而言,其生命史都小于1 mon,因此本文所估算的月平均大氣的能量循環(huán)中,其瞬變渦動(dòng)包括了大部分的渦動(dòng)能量貢獻(xiàn),這也是目前研究大氣能量循環(huán)最常選取的時(shí)間尺度。

2大氣能量循環(huán)的年變化特征

2.1　大氣能量的年變化

對(duì)北半球大氣逐月估算的能量循環(huán)過(guò)程進(jìn)行多年氣候平均,得到的各項(xiàng)能量參數(shù)如表1所示。從表中可以看出,大氣中各能量的貯存均是在冬季最高,夏季最低,這與Peixoto and Oort(1974)的結(jié)果一致。其中,除了緯向平均有效位能(PM)外,其他三種形式的能量(PE、KM、KE)具有大致相當(dāng)?shù)牧恐?且遠(yuǎn)小于PM的貯存。有效位能與動(dòng)能各自渦動(dòng)量與緯向平均量的比值(PE/PM和KE/KM)則是在夏季高,冬季低(且夏季的比值約為冬季情況下的2倍),說(shuō)明緯向平均量的年變化幅度比渦動(dòng)量的年變化幅度相對(duì)要大。年平均而言(表中Ave1所示),PE的貯存不到PM的1/5,而KE的貯存則比KM大,其比值為1.26?？偟膩?lái)說(shuō),大氣中有效位能的貯存明顯大于動(dòng)能的貯存,K/P的比值也是在夏季高于冬季,平均為0.31。

此外,表1最后一行(Ave2)還給出了逐年估算的各項(xiàng)能量,與上述逐月估算的年平均結(jié)果相比,大氣的緯向平均能量有所減少,而渦動(dòng)能量有所增加,從而導(dǎo)致渦動(dòng)量與緯向平均量的比值顯著增大。從理論上來(lái)講,年平均環(huán)流的能量循環(huán)中瞬變渦動(dòng)項(xiàng)包含了時(shí)間尺度在1 d～1 a的所有渦動(dòng)的能量貢獻(xiàn),與月平均的計(jì)算結(jié)果相比,其中增加了時(shí)間尺度大于30 d的低頻渦動(dòng)的貢獻(xiàn),因此,渦動(dòng)能量會(huì)有所增加;而依據(jù)公式(1),在某一時(shí)段內(nèi)大氣的總能量是基本不變的,渦動(dòng)量的增加必然會(huì)伴隨著緯向平均量的減少,從而說(shuō)明了以上觀測(cè)結(jié)果。

為了更直觀地反映各能量隨季節(jié)的演變特征,將表1的結(jié)果繪制成圖。圖2給出了54 a平均的緯向平均、渦動(dòng)有效位能和動(dòng)能以及總能量的逐月變化曲線,可以看出,PM(圖2a)、PE、KM和KE(圖2b)具有明顯的年變化特征,且變化幾乎同位相,均是冬季高,夏季低,春季和秋季處于過(guò)渡階段,全年呈一次很明顯的振動(dòng),從高能量到低能量再回到高能量。其中,PM具有最大的年變化值,1月和7月的差值高達(dá)40×105J·m-2以上,而PE、KM和KE三者的振幅相當(dāng)。另外,緯向平均能量的貯存最小出現(xiàn)在夏季的7月,而渦動(dòng)能量的貯存最小則出現(xiàn)在8月。總體來(lái)講,北半球冬季時(shí)能量最高,夏季時(shí)能量最低(圖2b)。

表11958—2011年北半球大氣各能量的逐月平均值和年平均值

Table 1The monthly and yearly mean energy reservoirs in the Northern Hemisphere for the period of 1958—2011

月份PM/(105J·m-2)PE/(105J·m-2)KM/(105J·m-2)KE/(105J·m-2)P/(105J·m-2)K/(105J·m-2)PE/PMKE/KMK/P1月55.209.0210.219.3064.2219.500.160.910.302月55.188.3610.278.8063.5419.060.150.860.303月51.106.958.797.8058.0516.590.140.890.294月41.735.536.336.5947.2712.920.131.040.275月29.754.913.975.7234.669.680.171.440.286月18.894.632.755.1423.527.890.251.870.347月13.194.112.664.4817.307.140.311.680.418月15.123.762.914.3318.887.240.251.490.389月22.654.123.345.0226.778.360.181.500.3110月33.975.204.496.1739.1710.660.151.370.2711月45.306.836.637.5052.1314.130.151.130.2712月52.098.368.828.7860.4517.600.160.990.29Ave136.185.985.936.6342.1612.570.181.260.31Ave231.8612.854.478.0544.7112.520.401.800.28

注：Ave1表示逐月估算(即公式中氣象要素的時(shí)間平均取為月平均)的能量各項(xiàng)進(jìn)行多年平均后的年平均結(jié)果;Ave2表示逐年估算(要素的時(shí)間平均取為年平均)的能量各項(xiàng)進(jìn)行多年平均后的結(jié)果.

圖2　1958—2011年北半球大氣各能量逐月平均值的變化(單位:105 J·m-2)Fig.2　The monthly mean energy reservoirs in the Northern Hemisphere for the period of 1958—2011(units:105 J·m-2)

2.2　能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的年變化

能量轉(zhuǎn)化過(guò)程也具有顯著的年變化特征(圖3)。與能量貯存類似,能量轉(zhuǎn)化率一般也是冬季高、夏季低,春秋季居中。其中,緯向平均有效位能向渦動(dòng)有效位能的轉(zhuǎn)化C(PM,PE)具有最大的年變化值,1月和7月的差值達(dá)2 W·m-2以上;渦動(dòng)有效位能向渦動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)化C(PE,KE)其次(圖3a)。除了緯向平均有效位能向緯向平均動(dòng)能的轉(zhuǎn)化C(PM,KM)在初夏時(shí)出現(xiàn)負(fù)值外(圖3b),其他轉(zhuǎn)化項(xiàng)全年都為正值。這些說(shuō)明了這樣一個(gè)事實(shí),即能量轉(zhuǎn)換過(guò)程一般是從緯向平均有效位能開(kāi)始,通過(guò)渦動(dòng),有效位能轉(zhuǎn)化為渦動(dòng)動(dòng)能,最后轉(zhuǎn)化為緯向平均動(dòng)能,而緯向平均有效位能與緯向平均動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)化較少,且轉(zhuǎn)化方向隨季節(jié)而變,由此可見(jiàn)渦動(dòng)能量之間的轉(zhuǎn)化才是真正完成有效位能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵所在。

圖3　1958—2011年北半球大氣各能量轉(zhuǎn)換項(xiàng)逐月平均值的變化(單位:W·m-2)Fig.3　The monthly mean energy conversion rates in the Northern Hemisphere for the period of 1958—2011(units:W·m-2)

2.3　能量越赤道交換過(guò)程的年變化

能量越赤道交換過(guò)程亦具有顯著的年變化(圖4)。緯向平均有效位能的越赤道交換B(PM)(圖4a)在半球大氣的能量循環(huán)中起著非常重要的作用,其振幅與C(PM,PE)相當(dāng),而其他三種形式能量的越赤道交換過(guò)程(圖4b)非常微弱,比B(PM)低一個(gè)量級(jí),說(shuō)明了能量的越赤道交換以PM為主。此外,單從各自的逐月變化曲線來(lái)看,PM、KM和KE越赤道交換過(guò)程的年變化具有大致相同的位相,能量一般都是在冬季時(shí)由南半球向北半球輸送(圖中表現(xiàn)為正值),夏季時(shí)能量則由北半球向南半球輸送(表現(xiàn)為負(fù)值);而PE越赤道交換過(guò)程的年變化情況與此相反,即冬季時(shí)能量由北半球向南半球輸送,夏季時(shí)能量由南半球向北半球輸送。

2.4　能量制造和耗散過(guò)程的年變化

作為能量平衡方程剩余項(xiàng)計(jì)算得到的有效位能制造率和動(dòng)能耗散率的季節(jié)變化如圖5所示,可以看出,緯向平均有效位能的制造G(PM)在秋季時(shí)達(dá)到最大(圖5a),這可能是由于在該季節(jié)降水與溫度之間的緯度相關(guān)性較高的緣故;渦動(dòng)有效位能的制造G(PE)則是在夏季最大(圖5a),說(shuō)明夏季的潛熱釋放過(guò)程最為強(qiáng)烈;動(dòng)能耗散過(guò)程D(KM)和D(KE)具有相同的年變化特征(圖5b),均是冬季高,夏季低,這可以作為大氣環(huán)流強(qiáng)弱程度的體現(xiàn),冬季時(shí)環(huán)流較強(qiáng),動(dòng)能耗散率大,夏季時(shí)環(huán)流較弱,動(dòng)能耗散率也小。

圖5　1958—2011年北半球大氣各能量制造和耗散項(xiàng)逐月平均值的變化(單位:W·m-2)Fig.5　The monthly mean rates of generation and dissipation terms of each energy in the Northern Hemisphere for the period of 1958—2011(units:W·m-2)

3北半球氣候平均的能量循環(huán)

將上述逐月估算的能量循環(huán)過(guò)程再進(jìn)行年平均,得到如圖1所示的經(jīng)典能量循環(huán)框架?？梢钥闯?盡管逐月的PM在南北半球的交換顯著,但年平均而言,B(PM)的值與其他三種形式的能量一致,與能量間的轉(zhuǎn)化率相比都非常小。其中,KM和KE均是由北半球向南半球輸送,交換率分別為0.02和0.01 W·m-2;PM、PE的交換率均為0.03 W·m-2,PE是由南半球向北半球輸送,但PM卻是由北半球向南半球輸送。

圖1表明,首先,由于太陽(yáng)輻射的緯度差異(低緯輻射加熱、高緯輻射冷卻)和暖區(qū)的潛熱釋放作用使得PM和PE的制造率分別為1.77和0.29 W·m-2;其次,PM通過(guò)斜壓擾動(dòng)(對(duì)感熱的輸送)過(guò)程向PE轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化率為1.53 W·m-2;而PE再以1.85 W·m-2的功率向KE進(jìn)行斜壓轉(zhuǎn)化(通過(guò)中緯度擾動(dòng)所形成的暖空氣上升和冷空氣下沉運(yùn)動(dòng));其中大部分KE由于摩擦而耗散,耗散率為1.41 W·m-2,剩余的KE則通過(guò)正壓過(guò)程向KM轉(zhuǎn)化(中緯度Rossby波結(jié)構(gòu)對(duì)西風(fēng)角動(dòng)量的輸送),轉(zhuǎn)化率為0.43 W·m-2;PM向KM的直接轉(zhuǎn)化率較小,為0.21 W·m-2;最后直接和間接轉(zhuǎn)化而來(lái)的KM以0.62 W·m-2功率被耗散掉,從而完成大氣的整個(gè)能量循環(huán)。在該過(guò)程中,PM、PE、KM、KE的貯存分別為36.18×105J·m-2、5.98×105J·m-2、5.93×105J·m-2和6.63×105J·m-2。

與Peixoto and Oort(1974)以及Oort and Peixoto(1974)的研究結(jié)果相比,大氣能量中除了緯向平均動(dòng)能的貯存偏大外,其他三種形式能量的貯存均偏小;轉(zhuǎn)換過(guò)程中C(PM,KM)的轉(zhuǎn)化方向發(fā)生了變化,即能量由緯向平均動(dòng)能向緯向平均有效位能轉(zhuǎn)化,而其他轉(zhuǎn)化項(xiàng)的方向未發(fā)生變化。

4大氣能量循環(huán)的緯向平均分布

4.1　大氣能量的緯向平均分布

為了更清晰地了解能量循環(huán)過(guò)程的季節(jié)變化,以下從空間上對(duì)能量各項(xiàng)進(jìn)行分析。圖6給出了冬季(12、1、2月的平均)、夏季(6、7、8月的平均)和年平均情況下北半球大氣各能量的緯向平均分布。從圖6a可以看出,緯向平有效位能PM在35°N附近具有最小值,這是由于該緯度上的入射太陽(yáng)輻射和地球向外長(zhǎng)波輻射趨于平衡;從數(shù)學(xué)上來(lái)講,就是該緯帶上空氣的溫度與北半球的平均溫度近似相等,從而使得PM的貯存值為零。PM的最大值出現(xiàn)在高緯地區(qū),說(shuō)明該區(qū)域的溫度擾動(dòng)(與北半球平均的偏差)最為強(qiáng)烈。冬季和夏季均是如此,但冬季PM的貯存更多,年平均的情況介于兩者之間。

圖6　北半球大氣各能量PM(a)、PE(b)、KM(c)、KE(d)的緯向平均分布(實(shí)線表示年平均情形,短虛線表示冬季情形,長(zhǎng)虛線表示夏季情形;單位:105 J·m-2)Fig.6　The meridional contributions for different energies in the Northern Hemisphere(Solid lines indicate the annual mean,short dashed lines indicate the winter mean,and long dashed lines indicate the summer mean;units:105 J·m-2)　　a.zonal mean available potential energy PM;b.eddy available potential energy PE;c.zonal mean kinetic energy KM;d.eddy kinetic energy KE

渦動(dòng)有效位能PE的貯存(圖6b)在冬夏季節(jié)同樣具有相似的分布型。在數(shù)值上,年平均的結(jié)果介于兩者之間?？梢钥闯?PE在赤道地區(qū)數(shù)值最小,從10°N開(kāi)始首先隨著緯度的增加而單調(diào)遞增,到了65°N附近達(dá)到最大值,之后又隨緯度的增加而逐漸減小。

與PM的分布相反,緯向平均動(dòng)能KM的貯存(圖6c)則是冬季時(shí)在30°N附近達(dá)到最大值,對(duì)應(yīng)于副熱帶急流的位置,而在低緯和高緯地區(qū),其貯存非常小。到了夏季,由于急流位置的變化,KM的分布也發(fā)生了相應(yīng)的變化,極大值的位置由30°N北跳到了45°N附近,且數(shù)值明顯比冬季的小。年平均情況下KM的貯存以及極大值分布的位置位于冬夏季節(jié)之間。

與PE類似,渦動(dòng)動(dòng)能KE的分布(圖6d)在冬夏季節(jié)較為一致,且均是先隨緯度而有所增加,在中緯度地區(qū)達(dá)到最大,到高緯度之后又有所減小。年平均情況處于兩者之間。

4.2　能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的緯向平均分布

冬季、夏季和年平均情況下能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的緯向平均分布可見(jiàn)圖7。由圖7a可看出,冬季時(shí)緯向平均有效位能向渦動(dòng)有效位能的轉(zhuǎn)換C(PM,PE)最活躍的區(qū)域出現(xiàn)在中緯度地區(qū),在該區(qū)域轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大。在低緯和高緯地區(qū),這一轉(zhuǎn)化過(guò)程非常微弱。夏季的情形與冬季相似,能量轉(zhuǎn)化過(guò)程主要也發(fā)生在中緯度地區(qū),但其強(qiáng)度明顯減弱,年平均的情形介于兩者之間。

圖7　北半球大氣各能量轉(zhuǎn)化項(xiàng)C(PM,PE)(a)、C(PE,KE)(b)、C(KE,KM)(c)、C(PM,KM)(d)的緯向平均分布(實(shí)線表示年平均情形,短虛線表示冬季情形,長(zhǎng)虛線表示夏季情形,點(diǎn)線表示0值;單位:W·m-2)Fig.7　The meridional contributions for energy conversions in the Northern Hemisphere(Solid lines indicate the annual mean,short dashed lines indicate the winter mean,long dashed lines indicate the summer mean,and dotted lines mean the value of zero;units:W·m-2)　　a.C(PM,PE);b.C(PE,KE);c.C(KE,KM);d.C(PM,KM)

圖7b顯示,渦動(dòng)有效位能向渦動(dòng)動(dòng)能的轉(zhuǎn)換C(PE,KE)在整個(gè)北半球都比較活躍,尤以中緯度為最,冬夏季節(jié)均是如此,但冬季時(shí)這一過(guò)程的轉(zhuǎn)化率明顯高于夏季,年平均的結(jié)果居中。從數(shù)值上來(lái)看,在整個(gè)北半球,該轉(zhuǎn)換過(guò)程的轉(zhuǎn)化率始終為正值,可見(jiàn)不管是冬季還是夏季,能量總是由渦動(dòng)有效位能向渦動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化的,這一過(guò)程是維持大氣環(huán)流運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。

冬季渦動(dòng)動(dòng)能向緯向平均動(dòng)能的轉(zhuǎn)換C(KE,KM)(圖7c)在低緯和中緯各有一大值區(qū),以30°N為界,在其南側(cè),大值區(qū)為正值,說(shuō)明能量是由渦動(dòng)動(dòng)能向緯向平均動(dòng)能轉(zhuǎn)化的;而在其北側(cè)的大值區(qū)為負(fù)值,表示能量的轉(zhuǎn)化方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)。夏季的情況與冬季類似,但正負(fù)極值區(qū)臨界緯度的位置發(fā)生了變化,北跳到了45°N附近,對(duì)應(yīng)于冬夏季節(jié)急流位置的變化。在強(qiáng)度上,夏季的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程小于冬季。年平均情況下,中緯地區(qū)的負(fù)值區(qū)消失,表明能量轉(zhuǎn)化方向隨緯度不發(fā)生變化。

緯向平均有效位能向緯向平均動(dòng)能的轉(zhuǎn)換C(PM,KM)(圖7d)反映的是三圈環(huán)流的作用?？梢钥闯?不管是冬季還是夏季,在30°N以南,這一過(guò)程的轉(zhuǎn)化率為正值,低緯環(huán)流的作用使得能量由緯向平均有效位能向緯向平均動(dòng)能轉(zhuǎn)化;在30～65°N區(qū)域,其轉(zhuǎn)化率為負(fù)值,中緯環(huán)流的作用使得能量由緯向平均動(dòng)能向緯向平均有效位能轉(zhuǎn)化;而在65°N以北,高緯環(huán)流的作用與低緯環(huán)流一致,轉(zhuǎn)換率為正值,但其數(shù)值卻明顯小于低緯和中緯地區(qū)的轉(zhuǎn)化率,說(shuō)明高緯環(huán)流的作用非常弱,因此這一轉(zhuǎn)化過(guò)程的方向主要取決于低緯環(huán)流和中緯環(huán)流的凈作用。

5結(jié)論

1)大氣能量循環(huán)具有明顯的年變化特征。大氣能量及其轉(zhuǎn)換過(guò)程的年變化幾乎同位相,均是冬季高、夏季低,全年呈一次很明顯的波動(dòng)。緯向平均有效位能的振幅明顯大于其他三種形式能量的振幅。能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中C(PM,PE)具有最大的年變化值。能量的越赤道交換過(guò)程主要表現(xiàn)為緯向平均有效位能在南北半球間的交換,其振幅與C(PM,PE)相當(dāng)。PM、KM和KE越赤道交換過(guò)程的年變化大致相同,冬季時(shí)能量由南半球向北半球輸送,夏季則反之;而PE越赤道交換過(guò)程的年變化特征與此相反。緯向平均有效位能的制造率在秋季時(shí)最大,這可能是由于在該季節(jié)降水與溫度之間的緯度相關(guān)性較高;渦動(dòng)有效位能的制造率在夏季最大,說(shuō)明夏季的潛熱釋放過(guò)程最為強(qiáng)烈;緯向平均動(dòng)能和渦動(dòng)動(dòng)能的耗散過(guò)程年變化特征相同,也是冬季高,夏季低,春秋季節(jié)處于過(guò)渡階段,這與大氣環(huán)流的強(qiáng)弱程度有關(guān)。

2)月平均大氣能量循環(huán)的年平均結(jié)果表明,與能量間的轉(zhuǎn)化率相比,能量越赤道交換過(guò)程非常微弱。能量轉(zhuǎn)換過(guò)程一般是從緯向平均有效位能開(kāi)始,通過(guò)渦動(dòng),有效位能轉(zhuǎn)換成渦動(dòng)動(dòng)能,最后轉(zhuǎn)換為緯向平均動(dòng)能;50多年的平均結(jié)果說(shuō)明,Hadley環(huán)流的作用比Ferrel環(huán)流的作用更大,使得能量由緯向平均有效位能向緯向平均動(dòng)能轉(zhuǎn)化。

3)年平均情況下,PM主要分布于高緯地區(qū),在35°N附近具有最小值,接近于零;PE在中高緯地區(qū)具有較大貯存,在赤道地區(qū)貯存最小;KM隨緯度的分布型與PM正好相反,即在35°N附近具有最大值,而在赤道和高緯地區(qū)具有最小值;KE隨緯度的分布與PE類似,在中緯和高緯地區(qū)的貯存較大。轉(zhuǎn)化項(xiàng)C(PM,PE)在中緯度地區(qū)最為活躍,轉(zhuǎn)化率達(dá)最大,在低緯地區(qū)這一轉(zhuǎn)化過(guò)程非常微弱;C(PE,KE)在整個(gè)北半球都很活躍,只有在極地附近減弱明顯;C(KE,KM)主要發(fā)生在中低緯地區(qū),高緯地區(qū)幾乎無(wú)轉(zhuǎn)化;C(PM,KM)反映的是三圈環(huán)流的貢獻(xiàn),主要取決于低緯直接環(huán)流和中緯間接環(huán)流的相對(duì)強(qiáng)度,至于高緯的直接環(huán)流非常微弱,貢獻(xiàn)很小。冬季和夏季的情況與此類似,主要在數(shù)值上有所差異。

由于資料質(zhì)量的提高和資料時(shí)間長(zhǎng)度的增長(zhǎng),本文所估算的能量循環(huán)的年變化結(jié)果與前人的研究存在一定的差異。比如,Oort和Peixoto(1974)的結(jié)果中C(KE,KM)并沒(méi)有明顯的年變化;C(PM,KM)只有在秋季和初冬月份(10—12月)轉(zhuǎn)化率為正值,而在其他季節(jié)能量均由KM向轉(zhuǎn)化PM。另外,盡管D(KM)的年變化特征與Oort and Peixoto(1974)一致,但其在數(shù)值上差別較大,本文D(KM)始終為正值,而Oort and Peixoto(1974)中KM的耗散率在春季和夏季月份(4—9月)則為負(fù)值。由此可見(jiàn),隨著資料的不斷積累,未來(lái)對(duì)于大氣能量循環(huán)的再估算仍具有重要意義。

要說(shuō)明的是,由能量循環(huán)年變化的研究結(jié)果表明,大氣環(huán)流的能量循環(huán)過(guò)程是非常復(fù)雜的。在半球際的能量交換過(guò)程中,是何種原因?qū)е铝薆(PM)較大,目前除了平均經(jīng)圈環(huán)流(主要是Hadley環(huán)流)的作用外,其他尚不清楚;另外,能量循環(huán)的年際、年代際變化如何,以及與全球增暖的關(guān)系如何,仍需作進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

Climatological features of atmospheric energy cycle in

Northern Hemisphere

LI Xin-xin1,2,GUAN Zhao-yong1,LI Ming-gang1

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.Yancheng Meteorological Bureau,Yancheng 224005,China)

Abstract:According to the framework of energy cycle proposed by Lorenz in 1967,the atmospheric energy cycle is estimated on a monthly basis in the Northern Hemisphere using the NCEP/NCAR reanalysis daily data for the period of 1958—2011.The annual variations of energy reservoirs,conversions,exchanges across the equator,generations and dissipations have been investigated in the present paper.The results show that the energy cycle of the Northern Hemispheric atmosphere varies on annual time-scale evidently.Reservoirs and conversion rates change in the same phase,with values larger in winter,smaller in summer.In winter,the zonal mean energies and eddy kinetic energy are transported northward from the Southern Hemisphere into the Northern Hemisphere.However,in boreal summer,they are transported southward from the Northern Hemisphere into the Southern Hemisphere,whereas the exchange of eddy available potential energy at the equatorial boundary is in contrast.A maximum in generation of the zonal mean available potential energy takes place in the fall,and the generation of eddy available potential energy has a maximum in the summer.The dissipations of both zonal mean and eddy kinetic energy are stronger in winter but weaker in summer.In the annual mean case,the cross-equatorial fluxes are smaller than the energy conversion processes.In the meridional direction,the zonal mean available potential energy mainly appears in high-latitudes,the zonal mean kinetic energy mainly in mid-and low-latitudes,and the eddy energies mainly in mid-and high-latitudes.Further more,the conversion processes of atmospheric energies are more active in the middle latitude regions.

Key words:energy cycle;available potential energy;kinetic energy;annual variation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130306002

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1674-7097(2015)04-0531-09P434.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：管兆勇,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)闅夂騽?dòng)力學(xué),guanzy@nuist.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41105056;41175062);江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ12-0485);江蘇省青藍(lán)工程創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科工程(PAPD)

收稿日期：2013-03-06；改回日期：2013-04-25