大氣能量

　　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數，當把空氣視為理想想氣體時，它隻是溫度的函數。單位質量空氣塊的內能為

　　　　　　　　　　　　U=C_VT

式中C_v為定容比熱，T(K)為氣溫。

　　利用靜力學關系（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)的函數。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

　　利用靜力學關系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R_d為幹空氣氣體常數。

　　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c_p=C_v+R_d，為定壓比熱，c_pT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，隻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E_PA。根據計算，有效勢能隻占系統原有全勢能的0.5％左右。實際上，在有效勢能中，又隻有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，為瞭瞭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E_k可分為平均動能E_km和脈動動能E_kf兩部分，E_kf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10³公裡以上）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 E _k和擾動動能 E′ _k兩部分， E _k= E _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 E _PA也可分解為沿緯圈的平均有效勢能 E _PA和擾動有效勢能 E′ _PA兩部分， E _PA= E _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。