有效位能的产生是什么 什么叫有效位

导语：有效位能的产生是什么?有效位能的产生，是力学和物理学中一个至关重要的概念，其核心思想在于，当一个物体由于其位置或状态的变化而具有对外做功的潜在能力时，我们就说该物体具备了有效位能，这种位能是由于物体与其周围的力场相互作用而产生的，它代表了物体在特定位置或状态下所储存的能量，下面就一起去看看什么叫有效位吧!

有效位能的产生是什么

台风

台风是暖心斜压涡旋。一方面它有强水平运动，台风的水平运动几乎包含了台风内所有的动能;另一方面，在径向-垂直剖面上存在着由热力推动的直接环流，低层有流入，在中心附近强烈上升，在高层向外流出，在风暴四周缓慢地下沉。

这种径向-垂直环流的范围一般在1000公里左右。在推动和维持台风热力直接环流过程中，积云对流所产生的凝结潜热释放起着重要作用。积云对流产生台风的暖中心、水平温度梯度或斜压性。暖心结构对动能制造的重要性曾由Palmén和Yanai指出过，他们认为斜压性是热带气旋中动能维持的必要条件。这是因为在暖心涡旋中力管场能制造动能，并能加速直接环流。根据能量的原理，台风暖心处的上升运动和台风边缘的下沉运动意味着在该地区由位能转化为动能。这说明从有效位能来研究台风的能量对于揭示在台风内部由加热转换成动能的问题很重要。

假定给定大气某一状态，它具有一定的总位能(总位能=内能+重力位能),如果大气经过绝热过程变成具有静力平衡的新的水平温度分布，这时大气具有新的总位能，将原先的总位能减去终态的总位能，这个差值就是有效位能。在变化过程中，如果暖空气上升，冷空气下沉，有效位能转换为动能。有效位能的产生决定于由非绝热加热过程所造成的大气中加热的差异，即斜压性。如果在高压区加入热量，在低压处出现冷却，这对产生有效位能很有利。在等熵坐标系中有效位能的精确表达式为I⁹-θ为位温，Jo为高度石和位温间转换率的雅可比式，Q为单位体积的加热率，A为等熵面上的积分区，θ₀为大气中最低位温，θr为某一等熵面的位温，其上的大气是正压的，或取为大气顶位温。节为由全球等熵面积分确定。k=R/cp。位能的计算，根据运动的尺度可分为两部分：G=GR+Gg₂。

Gg₁表示台风周围大气对全球有效位能产生的贡献，Gg₂表示包含台风的R₂区内对全球有效位能的贡献。在热带和副热带大部分地区，气压p(x,y,0)等于平均气压p(θ),只在热带低压、台风或小尺度对流系统中，气压分布才与平均气压有显著差别。因而在热带可以把台风看作是叠加在近于水平的正压质量分布区的斜压涡旋，Gr₂可分为：GR₂=Ge₂+GR₂。Ge₂是热带正压区产生的有效位能。Gk₂是台风内部斜压区中所产生的有效位能。在式(5.4)中，(p一节)在300毫巴以下应为正值，因为热带θ面的平均气压比全球θ面平均气压高，故该区如有净的加热对全球是产生有效位能的。它说明某一地区加热和冷却作用在制造有效位能过程中效率的大小，e的分布能定量表示何处加热和冷却对产生有效位能比较有利，何处比较不利。

高压区加热(冷却)和低压区冷却(加热)是产生(破坏)有效位能的。大气中有五种物理过程可以产生(或破坏)有效位能，即潜热释放;长波辐射放射;海气界面的感热输送;大气对太阳辐射的直接吸收;机械能的摩擦消耗。在边界层中摩擦消耗大，效率系数很小，这表明由这种作用制造的有效位能是比较小的。在自由大气中，由于正负效率系数加权平均的结果，整个台风区内由摩擦消耗产生的有效位能近似可以忽略，因而只有头四种过程对有效位能的产生有贡献。Anthes和Johnson[101曾计算和讨论过台风内有效位能的产生，发现潜热是主要的能源。在计算潜热对有效位能产生的贡献时，必须知道潜热加热和效率系数的垂直和水平分布。

他们分别用简单的统计云模式和较复杂一些的积云参数化模式(郭晓岚方法)计算了潜热加热的空间分布。由于潜热释放与边界层位温或海温有密切关系，所以又对不同海温(情况I:24℃,情况I:27℃,情况IⅢ:30℃)计算了潜热的径向和垂直分布。尽管在计算过程中，两种模式都有一定的缺点，但在较高温度时，两种模式得到的潜热释放总量比较接近Riehl的值，对成熟风暴是2—5×10¹⁴瓦。Hughes对28个太平洋台风的计算结果是5×10¹4瓦。表5.2是用两种模式计算的三种海温情况下潜热加热率和有效位能产生值。用第二种模式对于情况Ⅱ,II得到的潜热释放值与实际情况最为接近，为3.2×10¹4瓦。另外从表中可得，由潜热产生的有效位能值可取为7.9×10²瓦(这时海面温度是28℃)。

根据计算，有效位能产生最大值发生在对流层中部离中心100公里范围内。约50%的有效位能是在这个地区产生的。AnthesI]计算了稳态模式气旋有效位能的产生率，他指出，大部分有效位能是在180公里内对流层中上部产生的，与上述经验计算结果一致。在这个区域内，效率系数高，潜热释放大，随着径向距离的增加，潜热释放迅速减少，有效位能的产生量也减少。垂直分布表明，约90%的有效位能在对流层中上部700—200毫巴之间产生。700毫巴以下，虽然潜热释放强，但效率系数较小。200毫巴以上潜热释放量很小，所以有效位能直接产生量很少。长波辐射可以使有效位能增加。这里具体给出有效位能产生的数值。影响大气红外放射的主要因子有云的分布和水汽分布。一般台风中心区是多层云系，其中有积雨云透过对流层顶。对流层顶附近有卷云区覆盖于中心云区之上。

在卷云罩之下，近于辐射平衡，红外冷却近于零，但其上有较强的冷却，约4°—6℃/天。离台风中心一定距离以外，云系消失，变为晴空区，红外冷却率为1°—2℃/天。如果台风区(R₂)取500公里半径，此区内卷云区之上的冷却率取4°—6℃/天，而以下取0.0°—0.3℃/天，500公里以外的晴空区取1°—2℃/天，则有效位能的产生率在0.6×10¹²—2.7×10²瓦之间，平均取1.8×10¹²瓦。如果计算区取1000公里或以上，由红外冷却产生的有效位能还要大。由上可知，红外辐射制造的有效位能与潜热制造的有效位能之比为1:4.因而由红外辐射产生的有效位能是台风内有效位能的重要来源，这也说明台风径向环流下沉支在台风能量供应中的重要作用。因为大气对直接太阳辐射是近于透明的，所以由此产生的有效位能可能较小。

台风

如果取云区内加热率为0.5°—1.0℃/天，无云干燥大气取0.1°—0.3℃/天，则太阳直接辐射产生的有效位能为0.13—0.96×10²瓦，平均取0.55×10¹²瓦，它与潜热产生的有效位能比为1:15.与红外产生的有效位能比为1:3.3.在台风区外部(R₂区外部),可以认为感热输送量很少，因为海气界面的温差接近于零。但在内区，当气流水平向内流向低气压区时，发生绝热膨胀冷却。观测表明，虽然有绝热冷却作用，但在整个流入层温度(位温)保持不变，这说明，有感热加入。观测还表明，地面气压主要在最内区150公里内降低最甚，所以主要应在此区内有显著的绝热膨胀和感热流入。Hawkins,Rubsam计算了Hilda飓风离中心20—150公里环状区中感热加热量为0.15×104瓦。

如果这个热量均匀分布于1.1公里厚的整个边界层内，则单位体积的加热率为0.204瓦/米3.这与Malkus,Riehl¹2)的估计值，在1.1公里厚90公里范围内感热加热率为720卡/厘米²·天的结果一致(它相应的总感热加热量为0.11×10¹4瓦)。如果取海气温差△θ=3℃,平均效率系数为1.5米/度，1.1公里厚150公里的范围的加热率为0.204瓦/米³,则由感热制造的有效位能为6.5×10¹0瓦。这比潜热和辐射产生的有效位能小2个量级。这表明感热对有效位能的直接产生不重要。但是感热对有效位能产生的间接作用是不容忽视的。

当空气流向较低气压值时，感热使θ.升高，这是维持台风眼区周围对流活动、暖心、斜压性和效率系数的重要条件，以此可使在此区中的潜热释放对有效位能的产生更加有效。因而，虽然感热直接产生的有效位能少，但它在维持高θ.中心区的作用是台风能量学不可缺少的基本过程。根据上面产生有效位能的四种物理过程，Anthes,Johnson计算了飓风Hilda内有效位能总产生量(即式(5.5)Gk₂),结果见表5.2.如果海温取28℃,则计算的总有效位能产生值(内插求取)为10.3×101²瓦。其中约6%。由直接吸收太阳辐射加热产生，17%由红外辐射冷却产生，77%由潜热释放产生。这个值很接近成熟台风中动能的制造率15×10¹²瓦。

什么叫有效位

有效位是计算机系统中的一种重要的概念，它指的是在一个数值中除去符号位外能对计算结果产生影响的二进制位数。有效位的数量越多，代表数值的精度就越高，计算结果也就越精确。举个例子，当需要计算一个小数时，如果它只有两位有效位，那么计算结果也只能保留两位有效位，而将多余的位数全部舍去。因此，在进行计算前，需要对数值的有效位进行评估，以确保计算结果的准确性。

对于科学计数法表示的数值，有效位数的概念也是十分重要的。在科学计数法中，数值被表示为一个实数乘上10的n次方，其中实数部分尽可能地精确表示，并且只保留足够数量的有效位数。因此，在进行科学计数法数值的计算过程中，需要特别注意有效位数的变化，以保证计算结果的正确性。

在实际应用中，有效位数的数量也经常受到一些外部因素的影响。例如，计算机硬件的精度、测量设备的误差等等，都会影响到计算结果的有效位数。因此，在进行数值计算时，要综合考虑这些因素，对有效位数进行合理的评估和处理，以确保最终结果的准确性。同时，也需要注意在不同的计算场景中，有效位数的要求可能会有所不同。