北半球大氣環流能量循環的氣候特征

李新新,管兆勇,李明剛

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),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.北半球大氣環流能量循環的氣候特征[J].大氣科學學報,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).

北半球大氣環流能量循環的氣候特征

李新新1,2,管兆勇1,李明剛1

(1.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),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Lorenz能量循環理論框架,分析了北半球大氣能量循環的年變化特征,在此基礎上給出了更具普適性的多年平均的大氣能量循環框圖。結果表明:北半球大氣能量循環的年變化特征十分明顯。大氣能量及能量轉換率均表現為冬季高、夏季低、春秋季過渡的演變特征;緯向平均有效位能、緯向平均動能和渦動動能中有少許能量在冬季時由南半球向北半球進行越赤道輸送,夏季時則由北半球向南半球輸送,而渦動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,渦動有效位能的制造在夏季最大;動能的耗散冬季最強,夏季最弱。就年平均而言,相較于能量轉化過程,能量越赤道交換過程非常微弱。在經向上,緯向平均有效位能主要分布于高緯地區,緯向平均動能主要分布于中低緯地區,而渦動能量主要貯存在中緯和高緯地區;此外,能量轉化過程一般在中緯度地區較活躍。

關鍵詞：能量循環;有效位能;動能;年變化

0引言

通常,人們側重于研究半球或全球范圍內大氣運動的平均特征,即側重于研究環流的平衡狀態,且用大氣的位勢高度、溫度以及風速等基本要素場來表述(施能和朱乾根,1996;楊哲等,2012)。而大氣運動需要外界不斷地供給能量,因此,從能量學的觀點來研究維持大氣環流平衡狀態的過程—大氣能量循環是非常重要的,它能正確地反映氣候系統中多圈層相互作用和轉化的真實物理機制(Lorenz,1967),是診斷大氣環流的一個非常有用的工具。

大氣通過吸收太陽輻射使得全位能增加,進而轉化為維持風場的動能。而實際觀測結果表明,大氣的動能還不到全位能的千分之一(Lorenz,1967),這說明大氣中的全位能只有很小一部分能被釋放而轉化為動能。由此Lorenz(1955)提出了有效位能的概念,將其定義為實際大氣的全位能與溫度場經絕熱調整后具有水平正壓、穩定層結的最小全位能之差,并被廣泛應用于實際(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上,Lorenz進一步將有效位能和動能分別分解為緯向平均和渦旋部分,從而發展了著名的四種能量模態收支框架,它包含了有效位能的產生、與動能間的轉化以及動能的耗散過程。在該框架中,有效位能的產生主要是由于不同的非絕熱加熱(輻射、感熱和潛熱)造成的,平均能量與擾動能量之間存在相互轉化,而擾動能量之間的轉化才是真正完成有效位能和動能之間轉化的關鍵所在(高麗和李建平,2007),對大氣環流的維持和演變起著重要作用(吳洪寶,1982;李俊,1990;袁建強,1991)。

Lorenz能量框圖是描述大氣環流能量學的最佳框架。然而由于早期觀測技術和觀測手段的限制,氣象資料呈現非均勻性分布,尤其是在赤道及南半球地區,資料嚴重缺乏,使得大氣能量循環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)曾根據能量循環框圖對方程組進行計算,試圖分析北半球大氣的能量循環過程,但由于所用的資料均局限在20°N以北,因此計算結果并不可靠。唯一的一次估算全球大氣的能量循環(Oort,1983)所采用的是10 a(1963—1973年)探空數據集,但由于南半球地區測站稀疏和不良觀測條件等的約束,資料分布不均勻,且部分測站的數據差異較大,使得研究結果的準確性較低。近年來隨著資料同化技術和衛星等觀測手段的發展,氣象資料的精度得到了很大程度的提高,同時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過程,并對幾種再分析資料對大氣運動的描述能力進行了對比。

此外,許多學者還擴展了原始的能量循環框架研究。Saltzman(1957,1970)在波數域上對大氣能量進行分解,得到的波數域方程更能體現出分波能量的貢獻以及波緯相互作用。Wiin-Nielsen and Brown(1962)、Smagorinsky(1963)以及Wiin-Nielsen and Chen(1993)在垂直方向上對有效位能和動能進一步分解,從而得到能量的正壓和斜壓分量。除了對大氣能量循環參數在空間上的分解外,Sheng and Derome(1991)在頻率域上將平均運動分解成3個頻帶,即季節平均、低頻和高頻渦動,得到的頻率域方程可用來分析各個季節的能量循環狀況。這些工作分別從不同角度對大氣能量進行了劃分和深入研究。

然而,關于能量循環年變化特征的研究,目前還沒有詳細的結果。在再分析資料出現之前,Oort and Peixoto(1974)以及Peixoto and Oort(1974)曾利用測站資料對能量循環的年變化特征進行過分析,但由于資料的時間長度較短(1958—1963年),且垂直速度無法直接獲得,只能對循環框架中部分參數的年變化特征給予定性說明,因而不具備普遍性。20世紀80年代之后,Ulbrich and Speth(1991)、張韜等(2006)分別利用ECMWF和NCEP/NCAR再分析資料對全球大氣1月和7月的能量循環過程進行了分析,但并沒有涉及能量循環年變化特征的研究。Hu et al.(2004)對比了20世紀80年代前后北半球大氣在各個季節的能量循環,但對其演變過程并未作過多說明。

基于此,本文將根據Peixoto and Oort(1974)定義的能量循環公式,從傳統的能量循環框架出發,利用1958—2011年NCEP/NCAR再分析資料對北半球大氣的能量循環及其年變化特征進行定性和定量描述,從能量學的觀點揭示大氣環流的運動規律。

1資料及方法

采用美國國家環境預報中心與美國國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的1958—2011年緯向風u、經向風v、p坐標垂直速度ω、溫度T和位勢高度Z的逐日再分析資料(Kalnay et al.,1996),水平分辨率均為2.5°×2.5°經緯度網格,垂直方向上1 000～10 hPa共17個等壓面層,其中垂直速度1 000～100 hPa共12層。

根據Lorenz能量循環框圖(圖1),在混合時空域上將有效位能P和動能K分別分解為緯向平均部分(PM和KM)和渦動部分(PE和KE),而渦動又包括了定常渦動(時間平均,本文取為月平均,PSE和KSE)和瞬變渦動(與時間平均的離差,PTE和KTE)兩部分。文中對不同能量的貯存和轉換項的計算是根據Peixoto and Oort(1974)的能量循環公式來實現的,具體的能量收支方程如公式(1),方程中各項具體的表達式可參閱文獻Oort and Peixoto(1974)。

(1)

圖1　1958—2011年北半球多年平均大氣的能量循環框圖(方框內為貯蓄項,單位:105 J·m-2;箭矢旁為轉換項,單位:W·m-2;箭矢表示正值的轉換方向)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(G(PM)和G(PE))和耗散項(D(KM)和D(KE))的半球平均時,是根據能量收支方程并忽略不同貯存項的時間導數(如?PM/?t,數值非常小)而作為剩余項來得到的。Ulbrich and Speth(1991)利用ECMWF再分析資料所得的結果表明,上述對不同貯存項的時間導數的忽略是完全合理的。

這里對文中逐月估算的月平均大氣環流的能量循環的計算過程進行具體說明。在任意一年的某一月份,變量(即u、v、ω、T、Z)的時間平均是指由逐日資料計算得到的月平均,時間距平則是相應的月距平,在計算涉及瞬變渦動過程的物理量時(如〈T′2〉和〈v′T′〉),是對單變量距平值的平方或某兩個變量距平值的乘積作月平均(即為求變量方差或協方差的過程);然后對公式中(Oort and Peixoto,1974)的各項在緯向上進行分解,最后經過簡單的數學運算得到能量循環參數在該月的月平均值。對上述結果進行多年平均處理即可得到參數在該月的氣候平均值,再對各月的氣候平均值進行年平均處理即得到如圖1所示的能量循環框架。對于逐年估算的年平均大氣的能量循環,只需計算時將公式中變量的時間平均取為年平均,時間距平即為相應的年距平,其他步驟不變,從而得到參數在任意一年的年平均值。

不同于全球大氣的能量循環研究,在半球大氣中,有必要考慮赤道邊界的能量流動過程。Peixoto and Oort(1974)、Oort and Peixoto(1974)指出,對于大氣能量的年循環而言,在忽略水汽輸送的情況下,北半球可以看作是一個孤立的閉合系統,即赤道邊界的能量流動過程可以忽略;但對于季節以及逐月的能量循環過程,尤其是在冬夏月份,北半球是一個開放的系統,其邊界上緯向平均有效位能的交換相較于整個半球的能量收支非常重要。基于這一思想,本文對有效位能和動能在赤道邊界上的流通率進行了估算,以得到更為準確的北半球大氣能量循環框圖。

天氣尺度的渦動(空間尺度達1 000 km,生命史達幾天,如氣旋、反氣旋)在大氣能量循環過程中扮演著重要角色,而那些空間和時間尺度小于NCEP/NCAR逐日再分析資料分辨率(分別為250 km和1 d)的渦動,相比之下,則是次網格運動(Lorenz,1955),暫不作考慮。對大部分天氣尺度渦動而言,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中,其瞬變渦動包括了大部分的渦動能量貢獻,這也是目前研究大氣能量循環最常選取的時間尺度。

2大氣能量循環的年變化特征

2.1　大氣能量的年變化

對北半球大氣逐月估算的能量循環過程進行多年氣候平均,得到的各項能量參數如表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)具有大致相當的量值,且遠小于PM的貯存。有效位能與動能各自渦動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),說明緯向平均量的年變化幅度比渦動量的年變化幅度相對要大。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。總的來說,大氣中有效位能的貯存明顯大于動能的貯存,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能量,與上述逐月估算的年平均結果相比,大氣的緯向平均能量有所減少,而渦動能量有所增加,從而導致渦動量與緯向平均量的比值顯著增大。從理論上來講,年平均環流的能量循環中瞬變渦動項包含了時間尺度在1 d～1 a的所有渦動的能量貢獻,與月平均的計算結果相比,其中增加了時間尺度大于30 d的低頻渦動的貢獻,因此,渦動能量會有所增加;而依據公式(1),在某一時段內大氣的總能量是基本不變的,渦動量的增加必然會伴隨著緯向平均量的減少,從而說明了以上觀測結果。

為了更直觀地反映各能量隨季節的演變特征,將表1的結果繪制成圖。圖2給出了54 a平均的緯向平均、渦動有效位能和動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,春季和秋季處于過渡階段,全年呈一次很明顯的振動,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40×105J·m-2以上,而PE、KM和KE三者的振幅相當。另外,緯向平均能量的貯存最小出現在夏季的7月,而渦動能量的貯存最小則出現在8月。總體來講,北半球冬季時能量最高,夏季時能量最低(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間平均取為月平均)的能量各項進行多年平均后的年平均結果;Ave2表示逐年估算(要素的時間平均取為年平均)的能量各項進行多年平均后的結果.

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　能量轉化過程的年變化

能量轉化過程也具有顯著的年變化特征(圖3)。與能量貯存類似,能量轉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有效位能的轉化C(PM,PE)具有最大的年變化值,1月和7月的差值達2 W·m-2以上;渦動有效位能向渦動動能的轉化C(PE,KE)其次(圖3a)。除了緯向平均有效位能向緯向平均動能的轉化C(PM,KM)在初夏時出現負值外(圖3b),其他轉化項全年都為正值。這些說明了這樣一個事實,即能量轉換過程一般是從緯向平均有效位能開始,通過渦動,有效位能轉化為渦動動能,最后轉化為緯向平均動能,而緯向平均有效位能與緯向平均動能之間的轉化較少,且轉化方向隨季節而變,由此可見渦動能量之間的轉化才是真正完成有效位能向動能轉化的關鍵所在。

圖3　1958—2011年北半球大氣各能量轉換項逐月平均值的變化(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　能量越赤道交換過程的年變化

能量越赤道交換過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中起著非常重要的作用,其振幅與C(PM,PE)相當,而其他三種形式能量的越赤道交換過程(圖4b)非常微弱,比B(PM)低一個量級,說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看,PM、KM和KE越赤道交換過程的年變化具有大致相同的位相,能量一般都是在冬季時由南半球向北半球輸送(圖中表現為正值),夏季時能量則由北半球向南半球輸送(表現為負值);而PE越赤道交換過程的年變化情況與此相反,即冬季時能量由北半球向南半球輸送,夏季時能量由南半球向北半球輸送。

2.4　能量制造和耗散過程的年變化

作為能量平衡方程剩余項計算得到的有效位能制造率和動能耗散率的季節變化如圖5所示,可以看出,緯向平均有效位能的制造G(PM)在秋季時達到最大(圖5a),這可能是由于在該季節降水與溫度之間的緯度相關性較高的緣故;渦動有效位能的制造G(PE)則是在夏季最大(圖5a),說明夏季的潛熱釋放過程最為強烈;動能耗散過程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,這可以作為大氣環流強弱程度的體現,冬季時環流較強,動能耗散率大,夏季時環流較弱,動能耗散率也小。

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

將上述逐月估算的能量循環過程再進行年平均,得到如圖1所示的經典能量循環框架。可以看出,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,由于太陽輻射的緯度差異(低緯輻射加熱、高緯輻射冷卻)和暖區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通過斜壓擾動(對感熱的輸送)過程向PE轉化,轉化率為1.53 W·m-2;而PE再以1.85 W·m-2的功率向KE進行斜壓轉化(通過中緯度擾動所形成的暖空氣上升和冷空氣下沉運動);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則通過正壓過程向KM轉化(中緯度Rossby波結構對西風角動量的輸送),轉化率為0.43 W·m-2;PM向KM的直接轉化率較小,為0.21 W·m-2;最后直接和間接轉化而來的KM以0.62 W·m-2功率被耗散掉,從而完成大氣的整個能量循環。在該過程中,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)的研究結果相比,大氣能量中除了緯向平均動能的貯存偏大外,其他三種形式能量的貯存均偏小;轉換過程中C(PM,KM)的轉化方向發生了變化,即能量由緯向平均動能向緯向平均有效位能轉化,而其他轉化項的方向未發生變化。

4大氣能量循環的緯向平均分布

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過程的季節變化,以下從空間上對能量各項進行分析。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輻射和地球向外長波輻射趨于平衡;從數學上來講,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的最大值出現在高緯地區,說明該區域的溫度擾動(與北半球平均的偏差)最為強烈。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(實線表示年平均情形,短虛線表示冬季情形,長虛線表示夏季情形;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

渦動有效位能PE的貯存(圖6b)在冬夏季節同樣具有相似的分布型。在數值上,年平均的結果介于兩者之間。可以看出,PE在赤道地區數值最小,從10°N開始首先隨著緯度的增加而單調遞增,到了65°N附近達到最大值,之后又隨緯度的增加而逐漸減小。

與PM的分布相反,緯向平均動能KM的貯存(圖6c)則是冬季時在30°N附近達到最大值,對應于副熱帶急流的位置,而在低緯和高緯地區,其貯存非常小。到了夏季,由于急流位置的變化,KM的分布也發生了相應的變化,極大值的位置由30°N北跳到了45°N附近,且數值明顯比冬季的小。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之間。

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

4.2　能量轉化過程的緯向平均分布

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

圖7　北半球大氣各能量轉化項C(PM,PE)(a)、C(PE,KE)(b)、C(KE,KM)(c)、C(PM,KM)(d)的緯向平均分布(實線表示年平均情形,短虛線表示冬季情形,長虛線表示夏季情形,點線表示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,渦動有效位能向渦動動能的轉換C(PE,KE)在整個北半球都比較活躍,尤以中緯度為最,冬夏季節均是如此,但冬季時這一過程的轉化率明顯高于夏季,年平均的結果居中。從數值上來看,在整個北半球,該轉換過程的轉化率始終為正值,可見不管是冬季還是夏季,能量總是由渦動有效位能向渦動動能轉化的,這一過程是維持大氣環流運動的關鍵。

冬季渦動動能向緯向平均動能的轉換C(KE,KM)(圖7c)在低緯和中緯各有一大值區,以30°N為界,在其南側,大值區為正值,說明能量是由渦動動能向緯向平均動能轉化的;而在其北側的大值區為負值,表示能量的轉化方向發生了反轉。夏季的情況與冬季類似,但正負極值區臨界緯度的位置發生了變化,北跳到了45°N附近,對應于冬夏季節急流位置的變化。在強度上,夏季的能量轉換過程小于冬季。年平均情況下,中緯地區的負值區消失,表明能量轉化方向隨緯度不發生變化。

緯向平均有效位能向緯向平均動能的轉換C(PM,KM)(圖7d)反映的是三圈環流的作用。可以看出,不管是冬季還是夏季,在30°N以南,這一過程的轉化率為正值,低緯環流的作用使得能量由緯向平均有效位能向緯向平均動能轉化;在30～65°N區域,其轉化率為負值,中緯環流的作用使得能量由緯向平均動能向緯向平均有效位能轉化;而在65°N以北,高緯環流的作用與低緯環流一致,轉換率為正值,但其數值卻明顯小于低緯和中緯地區的轉化率,說明高緯環流的作用非常弱,因此這一轉化過程的方向主要取決于低緯環流和中緯環流的凈作用。

5結論

1)大氣能量循環具有明顯的年變化特征。大氣能量及其轉換過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。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。能量轉化過程中C(PM,PE)具有最大的年變化值。能量的越赤道交換過程主要表現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。PM、KM和KE越赤道交換過程的年變化大致相同,冬季時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最大,這可能是由于在該季節降水與溫度之間的緯度相關性較高;渦動有效位能的制造率在夏季最大,說明夏季的潛熱釋放過程最為強烈;緯向平均動能和渦動動能的耗散過程年變化特征相同,也是冬季高,夏季低,春秋季節處于過渡階段,這與大氣環流的強弱程度有關。

2)月平均大氣能量循環的年平均結果表明,與能量間的轉化率相比,能量越赤道交換過程非常微弱。能量轉換過程一般是從緯向平均有效位能開始,通過渦動,有效位能轉換成渦動動能,最后轉換為緯向平均動能;50多年的平均結果說明,Hadley環流的作用比Ferrel環流的作用更大,使得能量由緯向平均有效位能向緯向平均動能轉化。

3)年平均情況下,PM主要分布于高緯地區,在35°N附近具有最小值,接近于零;PE在中高緯地區具有較大貯存,在赤道地區貯存最小;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具有最小值;KE隨緯度的分布與PE類似,在中緯和高緯地區的貯存較大。轉化項C(PM,PE)在中緯度地區最為活躍,轉化率達最大,在低緯地區這一轉化過程非常微弱;C(PE,KE)在整個北半球都很活躍,只有在極地附近減弱明顯;C(KE,KM)主要發生在中低緯地區,高緯地區幾乎無轉化;C(PM,KM)反映的是三圈環流的貢獻,主要取決于低緯直接環流和中緯間接環流的相對強度,至于高緯的直接環流非常微弱,貢獻很小。冬季和夏季的情況與此類似,主要在數值上有所差異。

由于資料質量的提高和資料時間長度的增長,本文所估算的能量循環的年變化結果與前人的研究存在一定的差異。比如,Oort和Peixoto(1974)的結果中C(KE,KM)并沒有明顯的年變化;C(PM,KM)只有在秋季和初冬月份(10—12月)轉化率為正值,而在其他季節能量均由KM向轉化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)則為負值。由此可見,隨著資料的不斷積累,未來對于大氣能量循環的再估算仍具有重要意義。

要說明的是,由能量循環年變化的研究結果表明,大氣環流的能量循環過程是非常復雜的。在半球際的能量交換過程中,是何種原因導致了B(PM)較大,目前除了平均經圈環流(主要是Hadley環流)的作用外,其他尚不清楚;另外,能量循環的年際、年代際變化如何,以及與全球增暖的關系如何,仍需作進一步研究。

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(責任編輯：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：

文章編號：1674-7097(2015)04-0531-09P434.5

文獻標志碼：A

通信作者：管兆勇,博士,教授,博士生導師,研究方向為氣候動力學,guanzy@nuist.edu.cn.

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41105056;41175062);江蘇省研究生科研創新計劃項目(CXZZ12-0485);江蘇省青藍工程創新團隊及高校優勢學科工程(PAPD)

收稿日期：2013-03-06；改回日期：2013-04-25