扰动位能理论及其应用——扰动位能的概念、表达及其时空结构

针对局地环流能量转换问题,该工作系列讨论扰动位能理论及其应用。此文是第一篇,提出了扰动位能的新概念,将其分解为大气扰动位能(简称扰动位能)和表面扰动位能两个部分,给出了扰动位能各阶矩项的数学表达形式,结合资料指出二阶以上的扰动位能高阶矩项相对于其一阶矩项和二阶矩项来说是小量,可忽略,并指出扰动位能二阶矩项的全球平均恰好等于传统的有效位能,但两者在物理意义上明显不同。结合NCEP/NCAR再分析资料,研究了扰动位能的时空结构以及与大气动能之间的联系。扰动位能一阶矩项在热带地区为正、高纬度地区为负;二阶矩项在热带和高纬度地区出现极大值,在副热带及中纬度地区出现极小值,即在南北方向上呈现三峰二谷的特征;在局地上,由于一阶矩项在数值上较二阶矩项绝对占优,因此,扰动位能的分布与其一阶矩项的情形相似。在垂直方向上,扰动位能主要集中在对流层下层,其数值随高度的增加而迅速减少,在50 hPa以上均可以忽略不计。扰动位能有明显的季节变化,其在高纬度地区在冬半球比夏半球大很多;南、北半球平均的扰动位能一阶矩项季节变化的幅度约是相应二阶矩项的二十倍。随着季节变化扰动位能定常波的槽脊在北半球有显著的东西方向移动,而在南半球则只表现为振幅上的增减。分析表明,从区域或局地尺度上大气动能的季节变化与扰动位能一阶矩项的关系密切,二者呈显著反向变化关系,而与二阶矩项的关系不确定;但在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩项的比率随季节基本保持不变,约是20%。此外,对大气总动能时空结构的分析也得到了与前人不同的新结果。关于利用此文提出的概念和理论对局地环流能量收支的分析、表面扰动位能的作用以及它们在大气环流变化研究中的应用,将在以后的文章中给出。