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扰动位能的理论研究和诊断分析

作　者: 高丽
导　师: 李建平
学　校: 中国科学院研究生院（大气物理研究所）
专　业: 气象学
关键词: 有效位能能量有效性扰动位能表面扰动位能参考状态动能大气绝热过程非绝热加热
分类号: P401
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
下　载: 97次
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内容摘要

大气能量学一直是大气科学研究中的重要组成部分。特别地,可以将大气能量变化作为桥梁和纽带,从而衔接大气中的热源(汇)变化与大气环流异常。为了将能量有效性的研究从全球大气整体向局地或区域尺度拓展,本文提出了扰动位能的新概念,以期考察局地意义上大气位能与动能之间的相互转换。在此基础上,探讨了大气参考状态的一些性质,利用再分析资料进行了局地或区域能量学相关问题的诊断分析,并且将有关表面扰动位能的研究从理论论证推向了实际估算,取得了有价值的结果。主要结果和结论有:1)证明了绝热大气过程的若干性质,包括大气熵范围的不变性和表面位温的局地不变性等。并指出大气参考状态应当是实际大气经过绝热过程后可以达到的状态,不同时刻的实际大气对应的参考状态应是不同的。2)提出了扰动位能的新概念,推导出包括一阶矩项、二阶矩项和表面扰动位能在内的数学表达形式。扰动位能二阶矩的全球平均恰好与传统的有效位能相一致,后者是扰动位能在全球平均意义下的特殊情形。扰动位能的全球平均以二阶矩为主,而区域和局地尺度中一阶矩项占主要部分。3)推导出局地动能和扰动位能一阶矩的能量收支方程,在局地情况下,若考虑绝热和无摩擦,动能和扰动位能一阶矩项的总和守恒,动能的增加(或减少)必然通过一阶矩扰动位能的转换来完成。4)考察了扰动位能的全球分布、垂直结构和季节变化等气候特征。一阶矩项大约以南北纬30°为界,热带为正,热带外为负;二阶矩项恒正;表面扰动位能的分布与大尺度地形密切相关。扰动位能的最大值出现在对流层下层,并随高度增加其数值迅速减少。扰动位能各部分都有明显季节变化。并且在局地或区域尺度上,大气动能与扰动位能一阶矩之间成反向季节变化关系;在全球或半球尺度上,大气动能与扰动位能二阶矩的比率似与季节无关。5)扰动位能一阶矩存在明显的年际和年代际气候变率特征,低纬地区的显著正异常对应着ENSO循环中的暖事件,而二阶矩的这种对应关系偏弱;表面扰动位能的显著变率特征更多体现在青藏高原地区。夏季扰动位能一阶矩在典型季风区和青藏高原区存在2～4年显著周期;冬季南北半球热带与热带外

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-23
  1.1 大气能量学研究概述  8-10
    1.1.1 全球气候系统能量循环  8-9
    1.1.2 大气能量的基本形式、转换和能量循环  9-10
  1.2 大气中能量的有效性  10-13
  1.3 有效位能理论的研究进展回顾  13-15
  1.4 大气的理想状态——参考状态的研究进展  15-16
  1.5 问题的提出  16-18
  1.6 本文的研究内容及框架结构  18-23
第二章大气参考状态的探讨  23-31
  2.1 绝热调整过程中表面位温变化  23-25
  2.2 等熵面上绝热大气过程的质量守恒性质  25-28
  2.3 条件最小全位能  28-29
  2.4 小结和讨论  29-31
第三章扰动位能理论的建立及其基本特征  31-42
  3.1 扰动位能及其表达  32-36
  3.2 区域能量平衡方程  36-40
    3.2.1 动能变化方程  36-38
    3.2.2 扰动位能变化方程  38-40
  3.3 结果与讨论  40-42
第四章扰动位能的气候学特征  42-66
  4.1 扰动位能的时空结构  42-46
    4.1.1 扰动位能的全球分布  42-43
    4.1.2 扰动位能的垂直结构  43-44
    4.1.3 扰动位能的季节变化  44-46
  4.2 表面扰动位能的气候特征分析  46-48
    4.2.1 表面扰动位能的年变化特征  46-48
    4.2.2 表面扰动位能的方差特征  48
  4.3 扰动位能不同分量的年变化比较  48-49
  4.4 扰动位能与动能之间的联系  49-52
  4.5 结果与讨论  52-66
第五章扰动位能的气候变率和时空特征  66-96
  5.1 纬向平均扰动位能的年际变率  66-68
  5.2 全球和区域平均扰动位能的年际变化特征  68-72
    5.2.1 全球平均情形  68
    5.2.2 北半球平均情形  68-69
    5.2.3 南半球平均情形  69
    5.2.4 季风区平均情形  69-71
    5.2.5 青藏高原地区情形  71-72
  5.3 扰动位能气候变率的小波分析  72-73
  5.4 扰动位能一阶矩和二阶矩的相关关系  73
  5.5 扰动位能的EOF 分析  73-76
    5.5.1 热带地区扰动位能的EOF 分析  73-75
    5.5.2 热带外地区扰动位能的EOF 分析  75-76
  5.6 小结  76-96
第六章扰动位能与大气运动异常的相关机理分析  96-117
  6.1 资料和SVD 方法  96-99
  6.2 扰动位能与500 hPa 大气动能的相关关系  99-101
  6.3 扰动位能与850 hPa 大气动能的相关关系  101-102
  6.4 扰动位能与200 hPa 大气动能的相关关系  102-103
  6.5 扰动位能与海平面气压的相关关系  103-105
  6.6 扰动位能与大气动能相关关系的综合分析  105-107
  6.7 中高纬环流指数与扰动位能的相关分析  107-108
  6.8 小结  108-117
第七章非绝热加热与扰动位能的相关机理分析  117-140
  7.1 大气非绝热加热概况  117-118
  7.2 海表温度与扰动位能的耦合关系  118-123
    7.2.1 热带地区 SST 与热带P_A′ 之间的 SVD 分析  119-120
    7.2.2 热带地区海表温度与热带外地区P_A′ 之间的 SVD 分析  120-122
    7.2.3 Nino3 指数与扰动位能的相关分析  122-123
  7.3 表面温度与扰动位能的相关关系  123-124
  7.4 大气视热源与扰动位能的相关关系  124-130
    7.4.1 大气视热源的计算  124-126
    7.4.2 相关分析  126-127
    7.4.3 热带地区Q1 和扰动位能的SVD 分析  127-129
    7.4.4 热带外地区Q1 和扰动位能的SVD 分析  129-130
  7.5 小结与讨论  130-140
第八章总结与展望  140-144
  8.1 主要结论  140-142
  8.2 讨论与展望  142-144
致谢  144

扰动位能的理论研究和诊断分析

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