非绝热加热

系统和外界之间的热量交换过程

非绝热加热（diabatic heating）是系统和外界之间的热量交换过程。非绝热加热过程主要包括①辐射②感热输送③潜热释放，对中期和长期天气过程以及气候的形成和变化，都有重要的作用。

概念

系统和外界之间的热量交换过程。如把大气作为整体来考虑，非绝热加热过程主要包括：

（1）辐射：大气的最根本能源是太阳辐射。但它只有一小部分直接为大气所吸收；一部分被地表面吸收，使地面增温；其余则被地球和大气反射回宇宙空间（见大气环流的能量平衡和转换）。此外，大气还吸收地面的长波辐射，同时大气本身也放射长波辐射。通过辐射过程，大气可以获得或丧失能量。

（2）感热输送：通过传导、湍流和对流等过程，将地面的热量输送给大气。

（3）潜热释放：空气中水汽的凝结或凝华过程和水滴的冻结过程，都将有大量的潜热释放，这是对流层大气获得热能的重要方式之一。除上述非绝热加热之外，还有在高层大气中的化学和光化学效应释放能量（见大气化学、平流层和中层大气物理学、大气臭氧层）。非绝热加热过程对中期和长期天气过程以及气候的形成和变化，都有重要的作用。

非绝热加热对大气局地扰动位能的影响和机理

研究背景

在经典大气能量学框架下，全位能被分解为可以释放转化成动能的有效部分和不可释放的无效部分。对于这一能量有效性问题的研究，人们通常使用大气有效位能的基本概念，基于此来探讨位能与动能的转换、能量循环以及大气环流的维持，并将其拓展到海洋能量学的研究中。但以往这些研究中，有效位能的概念大多只具有全球平均意义，反映了大气或海洋系统的整体能量有效性。然而，大气系统内部的能量收支、分布与转化都具有明显的局地性特征，这种具有明显局地意义的能量异常变化必然会对局地大气环流的变化产生显著影响。因此，考察局地能量有效性问题对于了解局地大气环流的变动极为重要。

大气能量学的变化与作为大气外源的非绝热加热关系尤为密切。大气环流的异常变化与大气辐射强迫、潜热释放以及下垫面加热等非绝热过程紧密关联。非绝热加热对全球和局地的大气能量有效性均具有显著影响。因此，在前面研究基础上，进一步探讨非绝热加热对扰动位能的影响特征和相关机理，对于理解扰动位能与非绝热加热的关系以及扰动位能主模态的形成问题具有重要意义。考察扰动位能与代表非绝热加热的变量场之间的耦合相关特征，进而揭示非绝热加热对于代表局地能量有效性特征的扰动位能的影响机理。

资料和方法

利用美国NCEP/NCAR(National Centers for Environment Prediction/National Center for Atmospheric Research)再分析资料，所用资料时段为1948--2004年，每年取冬季(11月一次年3月)作为研究对象；格点资料分辨率取为5°×5°，主要针对热带(南北纬30°之间)北半球热带外地区(20°N以北到极地)进行分析。所用变量分别为计算得到的整层积分的扰动位能，各标准气压层的三维大气温度场和风场，以及表面温度场和气压场。使用的海表温度(Sea Surface Temperature，SST)数据集为美国气候资料中心提供的扩展重构的海表温度资料。

大气中的非绝热加热是维持大气环流运转和发展天气系统的主要热力强迫因子。非绝热加热(冷却)过程构成了大气内能的源(汇)项，并在大多数天气现象(如对流、锋面、天气系统等)中起着决定性作用。非绝热加热率的估算一般有直接和间接的方法。对于直接方法，通过分别估计非绝热加热各分量，例如潜热释放可以从降水率来估计或从向外长波辐射来估算。然而，这样的估计通常不能反映非绝热加热的垂直分布特征，而且，一般也不可能对全球尺度的不同非绝热加热各分量有较为可信的估计。对于间接方法，它是利用热力学能量方程，从大气环流资料来计算作为剩余项的非绝热加热。其优点是完整的三维空间的大气环流资料可供利用，而这些资料的观测精度相对比较可靠，而且，如果非绝热加热是从现代数值天气预报模式提供的分析资料间接计算得到的，那么这种余差法是最为准确的。通过直接利用现有各个层次上再分析资料等计算非绝热加热率的方法，我们得到了全球三维空间非绝热加热(视热源)分布。扰动位能与非绝热加热场之间耦合关系通过奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)分析技术加以实现。有关这一方法的说明详见文献附录。

结论与讨论

天气和气候异常现象与大气系统内部的局地能量源(汇)密切相关，而这与非绝热加热是密不可分的。旨在考察非绝热加热对大气扰动位能的影响特征，并在此基础上初步探讨其机理问题。分析结果表明，海表温度和扰动位能二者主耦合型与ENSO变率关系密切，而海温异常对热带外扰动位能的影响模主要在太平洋一北美区域存在显著信号，此外，全球表面温度对大气扰动位能有很显著的影响特征。在进一步研究了大气中视热源与扰动位能的相关机理问题后，结果显示，低纬地区两场仍主要以ENSO模态为主要耦合型，而在热带外地区相关关系要弱一些，视热源异常耦合模态表现出与北半球环状模类似的特点。

热带非绝热加热对热带外地区大气环流异常的影响作用，可能是通过局地扰动位能的途径加以实现的，回答这一问题，需要借鉴以往关于低纬加热异常与中高纬环流异常的关系和机制研究工作。

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