有效位能的產(chǎn)生是什么 什么叫有效位

導(dǎo)語：有效位能的產(chǎn)生是什么?有效位能的產(chǎn)生，是力學(xué)和物理學(xué)中一個至關(guān)重要的概念,，其核心思想在于,，當(dāng)一個物體由于其位置或狀態(tài)的變化而具有對外做功的潛在能力時，我們就說該物體具備了有效位能,，這種位能是由于物體與其周圍的力場相互作用而產(chǎn)生的,，它代表了物體在特定位置或狀態(tài)下所儲存的能量，下面就一起去看看什么叫有效位吧!

有效位能的產(chǎn)生是什么

臺風(fēng)

臺風(fēng)是暖心斜壓渦旋,。一方面它有強(qiáng)水平運(yùn)動,，臺風(fēng)的水平運(yùn)動幾乎包含了臺風(fēng)內(nèi)所有的動能;另一方面，在徑向-垂直剖面上存在著由熱力推動的直接環(huán)流,，低層有流入,，在中心附近強(qiáng)烈上升，在高層向外流出,，在風(fēng)暴四周緩慢地下沉,。

這種徑向-垂直環(huán)流的范圍一般在1000公里左右。在推動和維持臺風(fēng)熱力直接環(huán)流過程中,，積云對流所產(chǎn)生的凝結(jié)潛熱釋放起著重要作用。積云對流產(chǎn)生臺風(fēng)的暖中心,、水平溫度梯度或斜壓性,。暖心結(jié)構(gòu)對動能制造的重要性曾由Palmén和Yanai指出過，他們認(rèn)為斜壓性是熱帶氣旋中動能維持的必要條件,。這是因?yàn)樵谂臏u旋中力管場能制造動能,，并能加速直接環(huán)流。根據(jù)能量的原理,，臺風(fēng)暖心處的上升運(yùn)動和臺風(fēng)邊緣的下沉運(yùn)動意味著在該地區(qū)由位能轉(zhuǎn)化為動能,。這說明從有效位能來研究臺風(fēng)的能量對于揭示在臺風(fēng)內(nèi)部由加熱轉(zhuǎn)換成動能的問題很重要,。

假定給定大氣某一狀態(tài)，它具有一定的總位能(總位能=內(nèi)能+重力位能),如果大氣經(jīng)過絕熱過程變成具有靜力平衡的新的水平溫度分布,，這時大氣具有新的總位能,，將原先的總位能減去終態(tài)的總位能，這個差值就是有效位能,。在變化過程中,，如果暖空氣上升，冷空氣下沉,，有效位能轉(zhuǎn)換為動能,。有效位能的產(chǎn)生決定于由非絕熱加熱過程所造成的大氣中加熱的差異，即斜壓性,。如果在高壓區(qū)加入熱量,，在低壓處出現(xiàn)冷卻，這對產(chǎn)生有效位能很有利,。在等熵坐標(biāo)系中有效位能的精確表達(dá)式為I?-θ為位溫,，Jo為高度石和位溫間轉(zhuǎn)換率的雅可比式，Q為單位體積的加熱率,，A為等熵面上的積分區(qū),，θ?為大氣中最低位溫，θr為某一等熵面的位溫,，其上的大氣是正壓的,，或取為大氣頂位溫。節(jié)為由全球等熵面積分確定,。k=R/cp,。位能的計算，根據(jù)運(yùn)動的尺度可分為兩部分：G=GR+Gg?,。

Gg?表示臺風(fēng)周圍大氣對全球有效位能產(chǎn)生的貢獻(xiàn),，Gg?表示包含臺風(fēng)的R?區(qū)內(nèi)對全球有效位能的貢獻(xiàn)。在熱帶和副熱帶大部分地區(qū),，氣壓p(x,y,0)等于平均氣壓p(θ),只在熱帶低壓,、臺風(fēng)或小尺度對流系統(tǒng)中，氣壓分布才與平均氣壓有顯著差別,。因而在熱帶可以把臺風(fēng)看作是疊加在近于水平的正壓質(zhì)量分布區(qū)的斜壓渦旋,，Gr?可分為：GR?=Ge?+GR?。Ge?是熱帶正壓區(qū)產(chǎn)生的有效位能,。Gk?是臺風(fēng)內(nèi)部斜壓區(qū)中所產(chǎn)生的有效位能,。在式(5.4)中，(p一節(jié))在300毫巴以下應(yīng)為正值,，因?yàn)闊釒Е让娴钠骄鶜鈮罕热颚让嫫骄鶜鈮焊?，故該區(qū)如有凈的加熱對全球是產(chǎn)生有效位能的,。它說明某一地區(qū)加熱和冷卻作用在制造有效位能過程中效率的大小，e的分布能定量表示何處加熱和冷卻對產(chǎn)生有效位能比較有利,，何處比較不利,。

高壓區(qū)加熱(冷卻)和低壓區(qū)冷卻(加熱)是產(chǎn)生(破壞)有效位能的。大氣中有五種物理過程可以產(chǎn)生(或破壞)有效位能,，即潛熱釋放;長波輻射放射;海氣界面的感熱輸送;大氣對太陽輻射的直接吸收;機(jī)械能的摩擦消耗,。在邊界層中摩擦消耗大，效率系數(shù)很小,，這表明由這種作用制造的有效位能是比較小的,。在自由大氣中，由于正負(fù)效率系數(shù)加權(quán)平均的結(jié)果,，整個臺風(fēng)區(qū)內(nèi)由摩擦消耗產(chǎn)生的有效位能近似可以忽略,，因而只有頭四種過程對有效位能的產(chǎn)生有貢獻(xiàn)。Anthes和Johnson[101曾計算和討論過臺風(fēng)內(nèi)有效位能的產(chǎn)生,，發(fā)現(xiàn)潛熱是主要的能源,。在計算潛熱對有效位能產(chǎn)生的貢獻(xiàn)時，必須知道潛熱加熱和效率系數(shù)的垂直和水平分布,。

他們分別用簡單的統(tǒng)計云模式和較復(fù)雜一些的積云參數(shù)化模式(郭曉嵐方法)計算了潛熱加熱的空間分布,。由于潛熱釋放與邊界層位溫或海溫有密切關(guān)系，所以又對不同海溫(情況I:24℃,情況I:27℃,情況IⅢ:30℃)計算了潛熱的徑向和垂直分布,。盡管在計算過程中,，兩種模式都有一定的缺點(diǎn)，但在較高溫度時,，兩種模式得到的潛熱釋放總量比較接近Riehl的值,，對成熟風(fēng)暴是2—5×101?瓦。Hughes對28個太平洋臺風(fēng)的計算結(jié)果是5×1014瓦,。表5.2是用兩種模式計算的三種海溫情況下潛熱加熱率和有效位能產(chǎn)生值,。用第二種模式對于情況Ⅱ,II得到的潛熱釋放值與實(shí)際情況最為接近，為3.2×1014瓦,。另外從表中可得,，由潛熱產(chǎn)生的有效位能值可取為7.9×102瓦(這時海面溫度是28℃)。

根據(jù)計算,，有效位能產(chǎn)生最大值發(fā)生在對流層中部離中心100公里范圍內(nèi),。約50%的有效位能是在這個地區(qū)產(chǎn)生的。AnthesI]計算了穩(wěn)態(tài)模式氣旋有效位能的產(chǎn)生率,，他指出，大部分有效位能是在180公里內(nèi)對流層中上部產(chǎn)生的,，與上述經(jīng)驗(yàn)計算結(jié)果一致,。在這個區(qū)域內(nèi),，效率系數(shù)高，潛熱釋放大,，隨著徑向距離的增加,，潛熱釋放迅速減少，有效位能的產(chǎn)生量也減少,。垂直分布表明,，約90%的有效位能在對流層中上部700—200毫巴之間產(chǎn)生。700毫巴以下,，雖然潛熱釋放強(qiáng),，但效率系數(shù)較小。200毫巴以上潛熱釋放量很小,，所以有效位能直接產(chǎn)生量很少,。長波輻射可以使有效位能增加。這里具體給出有效位能產(chǎn)生的數(shù)值,。影響大氣紅外放射的主要因子有云的分布和水汽分布,。一般臺風(fēng)中心區(qū)是多層云系，其中有積雨云透過對流層頂,。對流層頂附近有卷云區(qū)覆蓋于中心云區(qū)之上,。

在卷云罩之下，近于輻射平衡,，紅外冷卻近于零,，但其上有較強(qiáng)的冷卻，約4°—6℃/天,。離臺風(fēng)中心一定距離以外,，云系消失，變?yōu)榍缈諈^(qū),，紅外冷卻率為1°—2℃/天,。如果臺風(fēng)區(qū)(R?)取500公里半徑，此區(qū)內(nèi)卷云區(qū)之上的冷卻率取4°—6℃/天,，而以下取0.0°—0.3℃/天,，500公里以外的晴空區(qū)取1°—2℃/天，則有效位能的產(chǎn)生率在0.6×1012—2.7×102瓦之間,，平均取1.8×1012瓦,。如果計算區(qū)取1000公里或以上，由紅外冷卻產(chǎn)生的有效位能還要大,。由上可知,，紅外輻射制造的有效位能與潛熱制造的有效位能之比為1:4.因而由紅外輻射產(chǎn)生的有效位能是臺風(fēng)內(nèi)有效位能的重要來源，這也說明臺風(fēng)徑向環(huán)流下沉支在臺風(fēng)能量供應(yīng)中的重要作用。因?yàn)榇髿鈱χ苯犹栞椛涫墙谕该鞯?，所以由此產(chǎn)生的有效位能可能較小,。

臺風(fēng)

如果取云區(qū)內(nèi)加熱率為0.5°—1.0℃/天，無云干燥大氣取0.1°—0.3℃/天,，則太陽直接輻射產(chǎn)生的有效位能為0.13—0.96×102瓦,，平均取0.55×1012瓦，它與潛熱產(chǎn)生的有效位能比為1:15.與紅外產(chǎn)生的有效位能比為1:3.3.在臺風(fēng)區(qū)外部(R?區(qū)外部),可以認(rèn)為感熱輸送量很少,，因?yàn)楹饨缑娴臏夭罱咏诹?。但在?nèi)區(qū)，當(dāng)氣流水平向內(nèi)流向低氣壓區(qū)時,，發(fā)生絕熱膨脹冷卻,。觀測表明，雖然有絕熱冷卻作用,，但在整個流入層溫度(位溫)保持不變,，這說明，有感熱加入,。觀測還表明,，地面氣壓主要在最內(nèi)區(qū)150公里內(nèi)降低最甚，所以主要應(yīng)在此區(qū)內(nèi)有顯著的絕熱膨脹和感熱流入,。Hawkins,Rubsam計算了Hilda颶風(fēng)離中心20—150公里環(huán)狀區(qū)中感熱加熱量為0.15×104瓦,。

如果這個熱量均勻分布于1.1公里厚的整個邊界層內(nèi)，則單位體積的加熱率為0.204瓦/米3.這與Malkus,Riehl12)的估計值,，在1.1公里厚90公里范圍內(nèi)感熱加熱率為720卡/厘米2·天的結(jié)果一致(它相應(yīng)的總感熱加熱量為0.11×1014瓦),。如果取海氣溫差△θ=3℃,平均效率系數(shù)為1.5米/度，1.1公里厚150公里的范圍的加熱率為0.204瓦/米3,則由感熱制造的有效位能為6.5×1010瓦,。這比潛熱和輻射產(chǎn)生的有效位能小2個量級,。這表明感熱對有效位能的直接產(chǎn)生不重要。但是感熱對有效位能產(chǎn)生的間接作用是不容忽視的,。

當(dāng)空氣流向較低氣壓值時,，感熱使θ.升高，這是維持臺風(fēng)眼區(qū)周圍對流活動,、暖心,、斜壓性和效率系數(shù)的重要條件，以此可使在此區(qū)中的潛熱釋放對有效位能的產(chǎn)生更加有效,。因而,，雖然感熱直接產(chǎn)生的有效位能少，但它在維持高θ.中心區(qū)的作用是臺風(fēng)能量學(xué)不可缺少的基本過程,。根據(jù)上面產(chǎn)生有效位能的四種物理過程,，Anthes,Johnson計算了颶風(fēng)Hilda內(nèi)有效位能總產(chǎn)生量(即式(5.5)Gk?),結(jié)果見表5.2.如果海溫取28℃,則計算的總有效位能產(chǎn)生值(內(nèi)插求取)為10.3×1012瓦。其中約6%。由直接吸收太陽輻射加熱產(chǎn)生,，17%由紅外輻射冷卻產(chǎn)生,，77%由潛熱釋放產(chǎn)生。這個值很接近成熟臺風(fēng)中動能的制造率15×1012瓦,。

什么叫有效位

有效位是計算機(jī)系統(tǒng)中的一種重要的概念，它指的是在一個數(shù)值中除去符號位外能對計算結(jié)果產(chǎn)生影響的二進(jìn)制位數(shù),。有效位的數(shù)量越多,，代表數(shù)值的精度就越高，計算結(jié)果也就越精確,。舉個例子,，當(dāng)需要計算一個小數(shù)時，如果它只有兩位有效位,，那么計算結(jié)果也只能保留兩位有效位,，而將多余的位數(shù)全部舍去。因此,，在進(jìn)行計算前,，需要對數(shù)值的有效位進(jìn)行評估，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,。

對于科學(xué)計數(shù)法表示的數(shù)值,，有效位數(shù)的概念也是十分重要的。在科學(xué)計數(shù)法中,，數(shù)值被表示為一個實(shí)數(shù)乘上10的n次方,，其中實(shí)數(shù)部分盡可能地精確表示，并且只保留足夠數(shù)量的有效位數(shù),。因此,，在進(jìn)行科學(xué)計數(shù)法數(shù)值的計算過程中，需要特別注意有效位數(shù)的變化,，以保證計算結(jié)果的正確性,。

在實(shí)際應(yīng)用中，有效位數(shù)的數(shù)量也經(jīng)常受到一些外部因素的影響,。例如,，計算機(jī)硬件的精度、測量設(shè)備的誤差等等,，都會影響到計算結(jié)果的有效位數(shù),。因此，在進(jìn)行數(shù)值計算時,，要綜合考慮這些因素,，對有效位數(shù)進(jìn)行合理的評估和處理，以確保最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時,，也需要注意在不同的計算場景中,，有效位數(shù)的要求可能會有所不同。

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