韩苗苗 陈超辉 宋盛凯 中国卫星海上测控部

能量守恒定律是自然界一切物体运动都遵循的物理规律，从这个角度分析，天气环流运动、形势演变都是不同形式能量的传递与转化，而不同形式的能量的转化和不同尺度能量的串级又直接影响中尺度天气系统发展和强度。常规的能量学研究方案大多从整体研究分析，侧重系统能量转化，虽然能较好的研究系统能量的整体变化及趋势，却不能揭示不同尺度上的能量转化规律、不同尺度间的能量串级规律以及不同高度层之间能量的垂直输送规律。这些问题在本质上都属于大气能量谱分析（spectral analysis）的研究范畴。

许多国外的著名气象学家通过研究大气动能谱的统计特性来对数值预报模式的评估及其性能的检验方面。气象学家通过对观测到的资料进行分析，发现在平流层底部以及自由对流层,大气的动能谱具有如下的分布规律:大气的动能谱与其波数满足一定关系，在大尺度区域（800km以上），符合E∝k-3，而在中小尺度区域（400km以下）则满足E∝k-5/3关系;并且，这种特征是大气行为的基本统计特性,几乎不随纬度、高度和季节变化。张立凤通过研究梅雨锋系统地动能谱特征也进一步证实了大气动能谱在对流层高层和平流层低层大气动能谱中尺度波段呈现出明显谱转折，在400公里到1000公里的尺度范围内，动能谱与波数大致按照-3次幂指数分布，当尺度范围过渡到40km与400km时，动能谱斜率变得平缓，近似-5/3。……