动力气象学第六章本章讨论问题的出发点：1）能量具有守恒、转换的性质；2）只要考虑初态和终态，物理意义清楚。一、大气中的主要能量形式单位截面积、dz厚度的气块薄片的质量：利用静力学方程,P坐标下：②内能(Internalenergy)——热力学能量（由大气温度变化引起的）dz厚度的簿块的内能：大家应该也有点累了，稍作休息P坐标下：dz厚度的簿块所具有的动能：大气运动＝纬向平均运动＋涡旋运动＝大气环流＋天气系统④潜热能(Latentheatenergy)比湿：q=水汽质量/空气质量dz厚度的簿块所具有的潜热能：由此可见，潜热能和实际大气的比湿q密切相关，潜热能的释放与降水相对应。因此，中高纬度地区较低纬度地区，下雨少，q小，潜热能的释放也少，故H对中高纬天气系统不是很重要，但在热带地区，H对天气系统变化非常重要。2、能量的组合形式①.气柱的位能和内能的组合——大气所特有地球大气的特点：（1）质量基本守恒（2）表面积不变。证明在静力平衡条件下，无限高气柱所包含的内能和位能成正比。无限高气柱的情形：由此可见，在静力平衡条件下，从海平面向上伸展到大气顶部的单位截面积的垂直气柱（无限气柱）所包含的位能和内能都是与温度有关，相互是有联系的。当整个气柱增温以后，内能必然增加，而当温度增加，气柱就会垂直膨胀，这样，重力位能就增加。所以，对无穷高气柱而言，大气的内能与位能成正比，同时增减，故可以把它们结合起来考虑。定义：全位能＝位能＋内能即：有限高气柱的情形：∴对有限高气柱而言，位能不是简单的与内能成正比，还与气柱的底部、顶部的高度和气压有关。3.基本能量的比较位能与内能具有同时增加或者减少的性质，且它们之间有确定比例，平均而言位能是内能的40%；在全位能中，内能大约占70%，位能30%；平均而言，潜热能相当于全位能的20%，这说明大气中潜热能应占有一定的地位，特别对强烈发展的系统（例如：台风）。在诸种能量形式中，动能在数量上一般较其它形式的能量小，特别比全位能小2-3个量级。虽然从数量上看，动能与全位能相比微不足道，但是这个小量对大气运动至关重要。这也说明，大气中全位能转变为动能的只是其中很小部分。二、大气动能方程——讨论大气动能变化的机制∴动能的来源只能来自压力梯度力作功系统动能不发生变化。（2）风从高位势吹向低位势：压力梯度力作正功，动能增加。反之，从低位势到高位势，压力梯度力作负功，质点动能减少。思考:地球自转对能量转换有何影响？2、闭合系统中的动能方程已知单位质量质点的动能方程为：闭合系统的动能方程：三、闭合系统的能量转换与守恒对闭合系统积分，得：2、全位能方程对闭合系统积分，得：3、闭合系统中的能量守恒与转换：（2）全位能与动能转换进一步：实际大气中存在着两类由全位能转变为动能的过程：一类是上冷下暖两气层叠置，通过对流翻转气层进行绝热调整释放全位能的过程；另一类为冷空气和暖空气并列（比如锋面）通过质量调整使全位能转换为动能的过程。“全位能→动能”分析海陆风或山谷风的形成四、有效位能(Availablepotentialenergy)例如：水电站：位能——动能——电能。总是建在落差大的地方，而不是建在位能大的地方。落差大的地方：能够转换成动能的位能大2、有效位能的定义说明：①闭合系统：外界没有质量通量输入。②干绝热过程：没有潜热释放，且没有太阳辐射。③水平稳定层结：“水平的”——等温面//等压面，正压的；此时全位能最小。3、有效位能的计算平均单位面积上铅直气柱中有效位能的近似表达式为：有效位能与大气的斜压性相对应，正压大气没有有效位能；斜压性越强，力管项大，有效位能越大。四、实际大气中的能量循环过程这样，考虑以下4个能量之间的转化：1、纬向平均运动动能方程和涡旋运动动能方程其中，第三项是涡旋运动的动量通量。对全球大气M积分得到：②由：总的动能方程2、纬向平均有效位能方程与扰动有效位能方程对全球大气积分，得到：用类似于求解涡旋运动动能方程的方法，定义符号{a,b}：上面的四个方程改写成如下形式：纬向平均运动动能：中纬度大尺度运动近于地转运动，可以利用等高线的疏密近似表示风的大小。因此，沿纬圈平直又密集的等高线，其平均动能就比较大。涡旋动能：扰动振幅大的密集等高线，其涡旋动能比较大。纬向平均有效位能：在一定纬带内，南北纬向平均温度差越大，平均有效位能就越大。例如，沿纬圈平直的等温线密集的锋区，可以造成南北平均温度差大，因而平均有效位能就多。涡旋有效位能：等温线扰动振幅越大，涡动有效位能就越大。图示：由图可见，对实际大气系统而言，由非绝热加热产生有效位能，有效位能向动能转换，最后摩擦耗散。注意：能量只能按线路走，不能交叉，也不能跳跃。如：平均位能不能直接转化为涡动动能，也