地球大氣中各種能量的總稱。除太陽輻射能外，大氣能量的主要形式有內能、勢能、動能、有效勢能和潛熱、感熱等。大氣運動需要能量，研究大氣運動中各種能量的轉換和平衡(見大氣環流的能量平衡和轉換)，是動力氣象學的基本內容之一。
基本介紹
- 中文名：大氣能量
- 外文名：Atmospheric energy
- 定義：地球大氣中各種能量的總稱
- 形式：內能勢能動能有效勢能和潛熱等
- 勢能：亦稱位能
- 潛熱：單位質量氣塊的潛熱為Lq
簡介,內能,勢能,動能,潛熱,
簡介
地球大氣中各種能量的總稱。除太陽輻射能外，大氣能量的主要形式有內能、勢能、動能、有效勢能和潛熱、感熱等。大氣運動需要能量，研究大氣運動中各種能量的轉換和平衡(見大氣環流的能量平衡和轉換)，是動力氣象學的基本內容之一。
內能
系統（氣塊或空氣柱等）內空氣分子無規則運動的機械能的統計平均值。當氣塊作絕熱運動時，外界所作的功將表現為氣塊內能的增加。內能是系統的狀態函式，當把空氣視為理想氣體時，它只是溫度的函式。單位質量空氣塊的內能為
U =CVT
式中Cv為定容比熱，T(K)為氣溫。
利用靜力學關係（見大氣運動的平衡狀態），可以把自地面（氣壓P=P0）到大氣上界單位截面空氣柱的內能表示為
勢能
亦稱位能。物質系統由於物體之間存在相互作用而具有的能量。對於處在地球重力場作用下的氣塊，當離開地面（參考面放在地面）時，它要克服重力的相互作用而作功,這部分功將轉換成能量的另一種形式,即勢能。所以勢能是氣塊距離地面高度 (z)的函式。單位質量空氣塊的勢能為
也稱重力位勢。在一般的研究氣象問題的高度內，重力加速度g 可視作常數，因此勢能可近似地表示為
Φ≈gz
利用靜力學關係和理想氣體狀態方程（見大氣動力方程），可以把地面到大氣上界單位截面空氣柱的勢能表示為
式中Rd為乾空氣氣體常數。
對於任意截面的空氣柱而言，在靜力平衡的條件下，勢能和內能常常同時增減。因此，在大氣科學中，習慣於把勢能和內能合在一起考慮，稱為全勢能。
從地面到大氣上界單位截面空氣柱內，空氣的全勢能可表示為
式中cp=Cv+Rd，為定壓比熱，cpT 稱感熱。
動能
空氣因運動而具有的能量。單位質量氣塊的動能為
式中u、v、w分別為氣塊速度的東西、南北和鉛直分量，為速度的模。
有效勢能 在實際大氣中，全勢能比動能大好幾個數量級，能量轉換的計算結果表明，它絕大部分儲存在大氣中，只有很小一部分能夠轉變為動能。為此，把某種封閉大氣系統的全勢能，和按絕熱過程重新調整後該系統所具有的最小全勢能之差,稱為有效勢能EPA。根據計算,有效勢能只占系統原有全勢能的0.5%左右。實際上，在有效勢能中，又只有10%左右能夠真正轉換為動能。因此，人們把大氣視為一部效率非常低的熱機。
潛熱
大氣中水汽在相變時釋放的一種熱量。單位質量氣塊的潛熱為Lq，其中L 是單位質量水物質的相變潛熱，q 是比濕。
能量的分解 在大氣動力學中，為了了解大氣能量的轉換過程，人們常把動能和有效勢能作進一步分解。在湍流運動中，動能 Ek可分為平均動能 Ekm和脈動動能 Ekf兩部分，Ekf的變化反映著湍流的增強或減弱。大尺度運動（水平尺度l的量級約為10公里以上）主要是水平運動。此時動能的主要部分，是水平運動的動能。它可分為緯向平均動能唕k和擾動動能E′k兩部分，Ek=唕k+E′k，E′k的變化，反映著擾動的增強或減弱。同樣,有效勢能EPA也可分解為沿緯圈的平均有效勢能唕PA和擾動有效勢能E′PA兩部分，EPA=唕PA+E′PA。
由於太陽輻射大部分並不直接加熱大氣，而直接加熱下墊面,因此還需要研究大氣、海洋等整個地-氣系統的能量學。
