北半球大气环流能量循环的气候特征

李新新,管兆勇,李明刚

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.盐城市气象局,江苏 盐城 224005)

李新新,管兆勇,李明刚.2015.北半球大气环流能量循环的气候特征[J].大气科学学报,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).

北半球大气环流能量循环的气候特征

李新新1,2,管兆勇1,李明刚1

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;2.盐城市气象局,江苏 盐城 224005)

摘要：利用1958—2011年NCEP/NCAR逐日再分析资料,根据Lorenz能量循环理论框架,分析了北半球大气能量循环的年变化特征,在此基础上给出了更具普适性的多年平均的大气能量循环框图。结果表明:北半球大气能量循环的年变化特征十分明显。大气能量及能量转换率均表现为冬季高、夏季低、春秋季过渡的演变特征;纬向平均有效位能、纬向平均动能和涡动动能中有少许能量在冬季时由南半球向北半球进行越赤道输送,夏季时则由北半球向南半球输送,而涡动有效位能的输送方向则与此相反;纬向平均有效位能的制造在秋季最大,涡动有效位能的制造在夏季最大;动能的耗散冬季最强,夏季最弱。就年平均而言,相较于能量转化过程,能量越赤道交换过程非常微弱。在经向上,纬向平均有效位能主要分布于高纬地区,纬向平均动能主要分布于中低纬地区,而涡动能量主要贮存在中纬和高纬地区;此外,能量转化过程一般在中纬度地区较活跃。

关键词：能量循环;有效位能;动能;年变化

0引言

通常,人们侧重于研究半球或全球范围内大气运动的平均特征,即侧重于研究环流的平衡状态,且用大气的位势高度、温度以及风速等基本要素场来表述(施能和朱乾根,1996;杨哲等,2012)。而大气运动需要外界不断地供给能量,因此,从能量学的观点来研究维持大气环流平衡状态的过程—大气能量循环是非常重要的,它能正确地反映气候系统中多圈层相互作用和转化的真实物理机制(Lorenz,1967),是诊断大气环流的一个非常有用的工具。

大气通过吸收太阳辐射使得全位能增加,进而转化为维持风场的动能。而实际观测结果表明,大气的动能还不到全位能的千分之一(Lorenz,1967),这说明大气中的全位能只有很小一部分能被释放而转化为动能。由此Lorenz(1955)提出了有效位能的概念,将其定义为实际大气的全位能与温度场经绝热调整后具有水平正压、稳定层结的最小全位能之差,并被广泛应用于实际(魏民和仇永炎,1997;罗连升和杨修群,2003)。在有效位能概念的基础上,Lorenz进一步将有效位能和动能分别分解为纬向平均和涡旋部分,从而发展了著名的四种能量模态收支框架,它包含了有效位能的产生、与动能间的转化以及动能的耗散过程。在该框架中,有效位能的产生主要是由于不同的非绝热加热(辐射、感热和潜热)造成的,平均能量与扰动能量之间存在相互转化,而扰动能量之间的转化才是真正完成有效位能和动能之间转化的关键所在(高丽和李建平,2007),对大气环流的维持和演变起着重要作用(吴洪宝,1982;李俊,1990;袁建强,1991)。

Lorenz能量框图是描述大气环流能量学的最佳框架。然而由于早期观测技术和观测手段的限制,气象资料呈现非均匀性分布,尤其是在赤道及南半球地区,资料严重缺乏,使得大气能量循环的研究受到诸多限制。Krueger et al.(1965)、Wiin-Nielsen(1967)、Oort and Peixoto(1974)以及Peixoto and Oort(1974)曾根据能量循环框图对方程组进行计算,试图分析北半球大气的能量循环过程,但由于所用的资料均局限在20°N以北,因此计算结果并不可靠。唯一的一次估算全球大气的能量循环(Oort,1983)所采用的是10 a(1963—1973年)探空数据集,但由于南半球地区测站稀疏和不良观测条件等的约束,资料分布不均匀,且部分测站的数据差异较大,使得研究结果的准确性较低。近年来随着资料同化技术和卫星等观测手段的发展,气象资料的精度得到了很大程度的提高,同时资料也具备了均匀的水平分布条件。各种再分析资料的出现为气象研究工作提供了极大的方便。Li et al.(2006,2007)、Marques et al.(2009)以及Kim and Kim(2012)利用不同的再分析资料(NCEP-R2、ERA-40和JRA-25)诊断分析了全球大气的能量循环过程,并对几种再分析资料对大气运动的描述能力进行了对比。

此外,许多学者还扩展了原始的能量循环框架研究。Saltzman(1957,1970)在波数域上对大气能量进行分解,得到的波数域方程更能体现出分波能量的贡献以及波纬相互作用。Wiin-Nielsen and Brown(1962)、Smagorinsky(1963)以及Wiin-Nielsen and Chen(1993)在垂直方向上对有效位能和动能进一步分解,从而得到能量的正压和斜压分量。除了对大气能量循环参数在空间上的分解外,Sheng and Derome(1991)在频率域上将平均运动分解成3个频带,即季节平均、低频和高频涡动,得到的频率域方程可用来分析各个季节的能量循环状况。这些工作分别从不同角度对大气能量进行了划分和深入研究。

然而,关于能量循环年变化特征的研究,目前还没有详细的结果。在再分析资料出现之前,Oort and Peixoto(1974)以及Peixoto and Oort(1974)曾利用测站资料对能量循环的年变化特征进行过分析,但由于资料的时间长度较短(1958—1963年),且垂直速度无法直接获得,只能对循环框架中部分参数的年变化特征给予定性说明,因而不具备普遍性。20世纪80年代之后,Ulbrich and Speth(1991)、张韬等(2006)分别利用ECMWF和NCEP/NCAR再分析资料对全球大气1月和7月的能量循环过程进行了分析,但并没有涉及能量循环年变化特征的研究。Hu et al.(2004)对比了20世纪80年代前后北半球大气在各个季节的能量循环,但对其演变过程并未作过多说明。

基于此,本文将根据Peixoto and Oort(1974)定义的能量循环公式,从传统的能量循环框架出发,利用1958—2011年NCEP/NCAR再分析资料对北半球大气的能量循环及其年变化特征进行定性和定量描述,从能量学的观点揭示大气环流的运动规律。

1资料及方法

采用美国国家环境预报中心与美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)提供的1958—2011年纬向风u、经向风v、p坐标垂直速度ω、温度T和位势高度Z的逐日再分析资料(Kalnay et al.,1996),水平分辨率均为2.5°×2.5°经纬度网格,垂直方向上1 000～10 hPa共17个等压面层,其中垂直速度1 000～100 hPa共12层。

根据Lorenz能量循环框图(图1),在混合时空域上将有效位能P和动能K分别分解为纬向平均部分(PM和KM)和涡动部分(PE和KE),而涡动又包括了定常涡动(时间平均,本文取为月平均,PSE和KSE)和瞬变涡动(与时间平均的离差,PTE和KTE)两部分。文中对不同能量的贮存和转换项的计算是根据Peixoto and Oort(1974)的能量循环公式来实现的,具体的能量收支方程如公式(1),方程中各项具体的表达式可参阅文献Oort and Peixoto(1974)。

(1)

图1　1958—2011年北半球多年平均大气的能量循环框图(方框内为贮蓄项,单位:105 J·m-2;箭矢旁为转换项,单位:W·m-2;箭矢表示正值的转换方向)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)

本文在估算不同贮存(PM和KM)的制造项(G(PM)和G(PE))和耗散项(D(KM)和D(KE))的半球平均时,是根据能量收支方程并忽略不同贮存项的时间导数(如∂PM/∂t,数值非常小)而作为剩余项来得到的。Ulbrich and Speth(1991)利用ECMWF再分析资料所得的结果表明,上述对不同贮存项的时间导数的忽略是完全合理的。

这里对文中逐月估算的月平均大气环流的能量循环的计算过程进行具体说明。在任意一年的某一月份,变量(即u、v、ω、T、Z)的时间平均是指由逐日资料计算得到的月平均,时间距平则是相应的月距平,在计算涉及瞬变涡动过程的物理量时(如〈T′2〉和〈v′T′〉),是对单变量距平值的平方或某两个变量距平值的乘积作月平均(即为求变量方差或协方差的过程);然后对公式中(Oort and Peixoto,1974)的各项在纬向上进行分解,最后经过简单的数学运算得到能量循环参数在该月的月平均值。对上述结果进行多年平均处理即可得到参数在该月的气候平均值,再对各月的气候平均值进行年平均处理即得到如图1所示的能量循环框架。对于逐年估算的年平均大气的能量循环,只需计算时将公式中变量的时间平均取为年平均,时间距平即为相应的年距平,其他步骤不变,从而得到参数在任意一年的年平均值。

不同于全球大气的能量循环研究,在半球大气中,有必要考虑赤道边界的能量流动过程。Peixoto and Oort(1974)、Oort and Peixoto(1974)指出,对于大气能量的年循环而言,在忽略水汽输送的情况下,北半球可以看作是一个孤立的闭合系统,即赤道边界的能量流动过程可以忽略;但对于季节以及逐月的能量循环过程,尤其是在冬夏月份,北半球是一个开放的系统,其边界上纬向平均有效位能的交换相较于整个半球的能量收支非常重要。基于这一思想,本文对有效位能和动能在赤道边界上的流通率进行了估算,以得到更为准确的北半球大气能量循环框图。

天气尺度的涡动(空间尺度达1 000 km,生命史达几天,如气旋、反气旋)在大气能量循环过程中扮演着重要角色,而那些空间和时间尺度小于NCEP/NCAR逐日再分析资料分辨率(分别为250 km和1 d)的涡动,相比之下,则是次网格运动(Lorenz,1955),暂不作考虑。对大部分天气尺度涡动而言,其生命史都小于1 mon,因此本文所估算的月平均大气的能量循环中,其瞬变涡动包括了大部分的涡动能量贡献,这也是目前研究大气能量循环最常选取的时间尺度。

2大气能量循环的年变化特征

2.1　大气能量的年变化

对北半球大气逐月估算的能量循环过程进行多年气候平均,得到的各项能量参数如表1所示。从表中可以看出,大气中各能量的贮存均是在冬季最高,夏季最低,这与Peixoto and Oort(1974)的结果一致。其中,除了纬向平均有效位能(PM)外,其他三种形式的能量(PE、KM、KE)具有大致相当的量值,且远小于PM的贮存。有效位能与动能各自涡动量与纬向平均量的比值(PE/PM和KE/KM)则是在夏季高,冬季低(且夏季的比值约为冬季情况下的2倍),说明纬向平均量的年变化幅度比涡动量的年变化幅度相对要大。年平均而言(表中Ave1所示),PE的贮存不到PM的1/5,而KE的贮存则比KM大,其比值为1.26。总的来说,大气中有效位能的贮存明显大于动能的贮存,K/P的比值也是在夏季高于冬季,平均为0.31。

此外,表1最后一行(Ave2)还给出了逐年估算的各项能量,与上述逐月估算的年平均结果相比,大气的纬向平均能量有所减少,而涡动能量有所增加,从而导致涡动量与纬向平均量的比值显著增大。从理论上来讲,年平均环流的能量循环中瞬变涡动项包含了时间尺度在1 d～1 a的所有涡动的能量贡献,与月平均的计算结果相比,其中增加了时间尺度大于30 d的低频涡动的贡献,因此,涡动能量会有所增加;而依据公式(1),在某一时段内大气的总能量是基本不变的,涡动量的增加必然会伴随着纬向平均量的减少,从而说明了以上观测结果。

为了更直观地反映各能量随季节的演变特征,将表1的结果绘制成图。图2给出了54 a平均的纬向平均、涡动有效位能和动能以及总能量的逐月变化曲线,可以看出,PM(图2a)、PE、KM和KE(图2b)具有明显的年变化特征,且变化几乎同位相,均是冬季高,夏季低,春季和秋季处于过渡阶段,全年呈一次很明显的振动,从高能量到低能量再回到高能量。其中,PM具有最大的年变化值,1月和7月的差值高达40×105J·m-2以上,而PE、KM和KE三者的振幅相当。另外,纬向平均能量的贮存最小出现在夏季的7月,而涡动能量的贮存最小则出现在8月。总体来讲,北半球冬季时能量最高,夏季时能量最低(图2b)。

表11958—2011年北半球大气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(即公式中气象要素的时间平均取为月平均)的能量各项进行多年平均后的年平均结果;Ave2表示逐年估算(要素的时间平均取为年平均)的能量各项进行多年平均后的结果.

图2　1958—2011年北半球大气各能量逐月平均值的变化(单位: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　能量转化过程的年变化

能量转化过程也具有显著的年变化特征(图3)。与能量贮存类似,能量转化率一般也是冬季高、夏季低,春秋季居中。其中,纬向平均有效位能向涡动有效位能的转化C(PM,PE)具有最大的年变化值,1月和7月的差值达2 W·m-2以上;涡动有效位能向涡动动能的转化C(PE,KE)其次(图3a)。除了纬向平均有效位能向纬向平均动能的转化C(PM,KM)在初夏时出现负值外(图3b),其他转化项全年都为正值。这些说明了这样一个事实,即能量转换过程一般是从纬向平均有效位能开始,通过涡动,有效位能转化为涡动动能,最后转化为纬向平均动能,而纬向平均有效位能与纬向平均动能之间的转化较少,且转化方向随季节而变,由此可见涡动能量之间的转化才是真正完成有效位能向动能转化的关键所在。

图3　1958—2011年北半球大气各能量转换项逐月平均值的变化(单位: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　能量越赤道交换过程的年变化

能量越赤道交换过程亦具有显著的年变化(图4)。纬向平均有效位能的越赤道交换B(PM)(图4a)在半球大气的能量循环中起着非常重要的作用,其振幅与C(PM,PE)相当,而其他三种形式能量的越赤道交换过程(图4b)非常微弱,比B(PM)低一个量级,说明了能量的越赤道交换以PM为主。此外,单从各自的逐月变化曲线来看,PM、KM和KE越赤道交换过程的年变化具有大致相同的位相,能量一般都是在冬季时由南半球向北半球输送(图中表现为正值),夏季时能量则由北半球向南半球输送(表现为负值);而PE越赤道交换过程的年变化情况与此相反,即冬季时能量由北半球向南半球输送,夏季时能量由南半球向北半球输送。

2.4　能量制造和耗散过程的年变化

作为能量平衡方程剩余项计算得到的有效位能制造率和动能耗散率的季节变化如图5所示,可以看出,纬向平均有效位能的制造G(PM)在秋季时达到最大(图5a),这可能是由于在该季节降水与温度之间的纬度相关性较高的缘故;涡动有效位能的制造G(PE)则是在夏季最大(图5a),说明夏季的潜热释放过程最为强烈;动能耗散过程D(KM)和D(KE)具有相同的年变化特征(图5b),均是冬季高,夏季低,这可以作为大气环流强弱程度的体现,冬季时环流较强,动能耗散率大,夏季时环流较弱,动能耗散率也小。

图5　1958—2011年北半球大气各能量制造和耗散项逐月平均值的变化(单位: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北半球气候平均的能量循环

将上述逐月估算的能量循环过程再进行年平均,得到如图1所示的经典能量循环框架。可以看出,尽管逐月的PM在南北半球的交换显著,但年平均而言,B(PM)的值与其他三种形式的能量一致,与能量间的转化率相比都非常小。其中,KM和KE均是由北半球向南半球输送,交换率分别为0.02和0.01 W·m-2;PM、PE的交换率均为0.03 W·m-2,PE是由南半球向北半球输送,但PM却是由北半球向南半球输送。

图1表明,首先,由于太阳辐射的纬度差异(低纬辐射加热、高纬辐射冷却)和暖区的潜热释放作用使得PM和PE的制造率分别为1.77和0.29 W·m-2;其次,PM通过斜压扰动(对感热的输送)过程向PE转化,转化率为1.53 W·m-2;而PE再以1.85 W·m-2的功率向KE进行斜压转化(通过中纬度扰动所形成的暖空气上升和冷空气下沉运动);其中大部分KE由于摩擦而耗散,耗散率为1.41 W·m-2,剩余的KE则通过正压过程向KM转化(中纬度Rossby波结构对西风角动量的输送),转化率为0.43 W·m-2;PM向KM的直接转化率较小,为0.21 W·m-2;最后直接和间接转化而来的KM以0.62 W·m-2功率被耗散掉,从而完成大气的整个能量循环。在该过程中,PM、PE、KM、KE的贮存分别为36.18×105J·m-2、5.98×105J·m-2、5.93×105J·m-2和6.63×105J·m-2。

与Peixoto and Oort(1974)以及Oort and Peixoto(1974)的研究结果相比,大气能量中除了纬向平均动能的贮存偏大外,其他三种形式能量的贮存均偏小;转换过程中C(PM,KM)的转化方向发生了变化,即能量由纬向平均动能向纬向平均有效位能转化,而其他转化项的方向未发生变化。

4大气能量循环的纬向平均分布

4.1　大气能量的纬向平均分布

为了更清晰地了解能量循环过程的季节变化,以下从空间上对能量各项进行分析。图6给出了冬季(12、1、2月的平均)、夏季(6、7、8月的平均)和年平均情况下北半球大气各能量的纬向平均分布。从图6a可以看出,纬向平有效位能PM在35°N附近具有最小值,这是由于该纬度上的入射太阳辐射和地球向外长波辐射趋于平衡;从数学上来讲,就是该纬带上空气的温度与北半球的平均温度近似相等,从而使得PM的贮存值为零。PM的最大值出现在高纬地区,说明该区域的温度扰动(与北半球平均的偏差)最为强烈。冬季和夏季均是如此,但冬季PM的贮存更多,年平均的情况介于两者之间。

图6　北半球大气各能量PM(a)、PE(b)、KM(c)、KE(d)的纬向平均分布(实线表示年平均情形,短虚线表示冬季情形,长虚线表示夏季情形;单位: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

涡动有效位能PE的贮存(图6b)在冬夏季节同样具有相似的分布型。在数值上,年平均的结果介于两者之间。可以看出,PE在赤道地区数值最小,从10°N开始首先随着纬度的增加而单调递增,到了65°N附近达到最大值,之后又随纬度的增加而逐渐减小。

与PM的分布相反,纬向平均动能KM的贮存(图6c)则是冬季时在30°N附近达到最大值,对应于副热带急流的位置,而在低纬和高纬地区,其贮存非常小。到了夏季,由于急流位置的变化,KM的分布也发生了相应的变化,极大值的位置由30°N北跳到了45°N附近,且数值明显比冬季的小。年平均情况下KM的贮存以及极大值分布的位置位于冬夏季节之间。

与PE类似,涡动动能KE的分布(图6d)在冬夏季节较为一致,且均是先随纬度而有所增加,在中纬度地区达到最大,到高纬度之后又有所减小。年平均情况处于两者之间。

4.2　能量转化过程的纬向平均分布

冬季、夏季和年平均情况下能量转化过程的纬向平均分布可见图7。由图7a可看出,冬季时纬向平均有效位能向涡动有效位能的转换C(PM,PE)最活跃的区域出现在中纬度地区,在该区域转化率达到最大。在低纬和高纬地区,这一转化过程非常微弱。夏季的情形与冬季相似,能量转化过程主要也发生在中纬度地区,但其强度明显减弱,年平均的情形介于两者之间。

图7　北半球大气各能量转化项C(PM,PE)(a)、C(PE,KE)(b)、C(KE,KM)(c)、C(PM,KM)(d)的纬向平均分布(实线表示年平均情形,短虚线表示冬季情形,长虚线表示夏季情形,点线表示0值;单位: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)

图7b显示,涡动有效位能向涡动动能的转换C(PE,KE)在整个北半球都比较活跃,尤以中纬度为最,冬夏季节均是如此,但冬季时这一过程的转化率明显高于夏季,年平均的结果居中。从数值上来看,在整个北半球,该转换过程的转化率始终为正值,可见不管是冬季还是夏季,能量总是由涡动有效位能向涡动动能转化的,这一过程是维持大气环流运动的关键。

冬季涡动动能向纬向平均动能的转换C(KE,KM)(图7c)在低纬和中纬各有一大值区,以30°N为界,在其南侧,大值区为正值,说明能量是由涡动动能向纬向平均动能转化的;而在其北侧的大值区为负值,表示能量的转化方向发生了反转。夏季的情况与冬季类似,但正负极值区临界纬度的位置发生了变化,北跳到了45°N附近,对应于冬夏季节急流位置的变化。在强度上,夏季的能量转换过程小于冬季。年平均情况下,中纬地区的负值区消失,表明能量转化方向随纬度不发生变化。

纬向平均有效位能向纬向平均动能的转换C(PM,KM)(图7d)反映的是三圈环流的作用。可以看出,不管是冬季还是夏季,在30°N以南,这一过程的转化率为正值,低纬环流的作用使得能量由纬向平均有效位能向纬向平均动能转化;在30～65°N区域,其转化率为负值,中纬环流的作用使得能量由纬向平均动能向纬向平均有效位能转化;而在65°N以北,高纬环流的作用与低纬环流一致,转换率为正值,但其数值却明显小于低纬和中纬地区的转化率,说明高纬环流的作用非常弱,因此这一转化过程的方向主要取决于低纬环流和中纬环流的净作用。

5结论

1)大气能量循环具有明显的年变化特征。大气能量及其转换过程的年变化几乎同位相,均是冬季高、夏季低,全年呈一次很明显的波动。纬向平均有效位能的振幅明显大于其他三种形式能量的振幅。能量转化过程中C(PM,PE)具有最大的年变化值。能量的越赤道交换过程主要表现为纬向平均有效位能在南北半球间的交换,其振幅与C(PM,PE)相当。PM、KM和KE越赤道交换过程的年变化大致相同,冬季时能量由南半球向北半球输送,夏季则反之;而PE越赤道交换过程的年变化特征与此相反。纬向平均有效位能的制造率在秋季时最大,这可能是由于在该季节降水与温度之间的纬度相关性较高;涡动有效位能的制造率在夏季最大,说明夏季的潜热释放过程最为强烈;纬向平均动能和涡动动能的耗散过程年变化特征相同,也是冬季高,夏季低,春秋季节处于过渡阶段,这与大气环流的强弱程度有关。

2)月平均大气能量循环的年平均结果表明,与能量间的转化率相比,能量越赤道交换过程非常微弱。能量转换过程一般是从纬向平均有效位能开始,通过涡动,有效位能转换成涡动动能,最后转换为纬向平均动能;50多年的平均结果说明,Hadley环流的作用比Ferrel环流的作用更大,使得能量由纬向平均有效位能向纬向平均动能转化。

3)年平均情况下,PM主要分布于高纬地区,在35°N附近具有最小值,接近于零;PE在中高纬地区具有较大贮存,在赤道地区贮存最小;KM随纬度的分布型与PM正好相反,即在35°N附近具有最大值,而在赤道和高纬地区具有最小值;KE随纬度的分布与PE类似,在中纬和高纬地区的贮存较大。转化项C(PM,PE)在中纬度地区最为活跃,转化率达最大,在低纬地区这一转化过程非常微弱;C(PE,KE)在整个北半球都很活跃,只有在极地附近减弱明显;C(KE,KM)主要发生在中低纬地区,高纬地区几乎无转化;C(PM,KM)反映的是三圈环流的贡献,主要取决于低纬直接环流和中纬间接环流的相对强度,至于高纬的直接环流非常微弱,贡献很小。冬季和夏季的情况与此类似,主要在数值上有所差异。

由于资料质量的提高和资料时间长度的增长,本文所估算的能量循环的年变化结果与前人的研究存在一定的差异。比如,Oort和Peixoto(1974)的结果中C(KE,KM)并没有明显的年变化;C(PM,KM)只有在秋季和初冬月份(10—12月)转化率为正值,而在其他季节能量均由KM向转化PM。另外,尽管D(KM)的年变化特征与Oort and Peixoto(1974)一致,但其在数值上差别较大,本文D(KM)始终为正值,而Oort and Peixoto(1974)中KM的耗散率在春季和夏季月份(4—9月)则为负值。由此可见,随着资料的不断积累,未来对于大气能量循环的再估算仍具有重要意义。

要说明的是,由能量循环年变化的研究结果表明,大气环流的能量循环过程是非常复杂的。在半球际的能量交换过程中,是何种原因导致了B(PM)较大,目前除了平均经圈环流(主要是Hadley环流)的作用外,其他尚不清楚;另外,能量循环的年际、年代际变化如何,以及与全球增暖的关系如何,仍需作进一步研究。

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(责任编辑：张福颖)

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

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)04-0531-09P434.5

文献标志码：A

通信作者：管兆勇,博士,教授,博士生导师,研究方向为气候动力学,guanzy@nuist.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41105056;41175062);江苏省研究生科研创新计划项目(CXZZ12-0485);江苏省青蓝工程创新团队及高校优势学科工程(PAPD)

收稿日期：2013-03-06；改回日期：2013-04-25