气象学基础第五章大气压力

第五章 大气压力 地球大气时时刻刻都在运动水平运动（风）垂直（对流运动）空气的运动使不同地区、不同高度间的热量和水分得以传输和交换，使不同性质的空气得以相互接近、相互作用，直接影响着天气、气候的形成和演变空气运动的原因：大气压力分布的不均匀（气压梯度力） 第一节 气压随高度和时间的变化 一、气压随高度的变化l气压（大气压力） 静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量，也是从观测高度到大气上界单位截面积垂直空气柱的重量。l固定地点气压变化的原因 空气柱质量产生变化，空气柱厚度和密度改变都可能造成空气柱质量改变。AMgP / 任何地方的气压值总是随海拔高度的增高而递减由于大气密度随高度并非均匀分布，这导致了在不同的高度上变化相同高度，气压值变化不一样。大气低层密度大，因而气压随高度变化大；大气高层密度小，因为气压随高度变化小 （一）静力学方程l作用：描述空气密度大小与气压随高度变化的定量关系假设 大气相对于地面处于静止状态ZgZZgPPP )( 1212 气 压 随 高 度 的增 加 而 降 低 ZgZZgPPP )( 1212dP如果空气柱取得非常薄，则Z趋向无穷小gdZdP 大气静力学基本方程 gdzdp gdzdp 物 理 意 义 高度差为 的两高度上的压力差应等于两高度之间单位截面积上的空气柱所受的重力 dz气压随高度递减的快慢程度与空气密度和重力加速度有关。由于重力加速度随高度变化的数值一般很小，所以气压随高度递减的快慢主要决定于空气密度。 在实际的大气中，下层密度大，气压随高度减小得快；上层密度小，气压随高度减小得慢。 大气静力学基本方程的适用条件l推导静力学方程的前提条件是假定大气是静止的，即静力学方程是静止大气的理论方程，但除在有强烈的对流运动的地区外，其误差仅有1，因而除了有对流运动的地区不能运用外，其他地区均能利用此方程。l当气层不太厚和要求精度不高时，静力学方程可以用来粗略地估算气压与高度间的定量关系，或者用于将地面气压订正为海平面气压。 气层高度变化范围很大，空气柱中上下层温度、密度变化显著，无法直接利用静力学方程，需要采用适合于较大范围气压随高度变化的关系式，即压高方程。 （二）（气）压高（度）方程l 引 入 目 的 精确地获得气压与高度的对应关系，因为实际工作中的许多问题，如海平面气压订正，野外工作中的气压测高等，都要在较大的高度范围内进行压高计算 l 方 法 将静力学方程从气层底部到顶部进行积分 2121 zzpp gdzdp 任意两个高度上的气压差等于这两个高度间的单位截面积空气柱的重量 2121 zzpp gdzdp 因为RTp（状态方程） 2 121 zzpp dzRTgpdp 2112 zz dzRTgepp 通用形式的压高方程 2112 zz dzRTgepp方 程 在 使 用 中 存 在 的 问 题：g、R、T均随高度产生变化，积分困难气 压 随 高 度 的 增 加 按 指 数 规 律 递 减解 决 方 法：根据实际情况做某些特定假设 忽略重力加速度的变化和水汽的影响，假定气温不随高度发生变化，得到等温大气（温度不随高度的变化而变化的大气）的压高公式2112 lg)2731(18400 PPtZZ m气层平均温度利用等温大气压高公式实际大气大气的厚度和高度时存在的问题：实际大气并非等温大气解决办法：将实际大气划分为许多薄层，每一薄层可以看作是等温的，求出每一薄层的t m，然后分别计算各薄层的厚度，最后把各薄层的厚度求和便是实际大气的厚度。 等温大气压高公式的用途l根据不同高度上的气压差和气柱的平均温度，求这两处之间的高度差。（气压测高原理）2112 lg)2731(18400 PPtZZ ml根据某高度的气压值和气柱的平均温度，推算另一高度的气压值。（海平面气压订正）l由不同高度上的气压，求两高度之间的气柱的平均温度。 二、气压随时间的变化l气压：观测高度到大气上界单位截面积垂直空气柱的重量l空气柱的重量是其质量和重力加速度的乘积l重力加速度通常可以看作是定值，所以一个地方气压的变化决定于其上空气柱质量的变化（一）气压变化的原因 空气柱质量变化的因子l热力因子：指温度的升高或降低引起的体积膨胀或者收缩、密度的增大或减小以及伴随的气流福合或福散所造成的质量增多或减少。l动力因子：大气运动所引起的气柱质量的变化，可分为三种情况 空气柱质量变化的动力原因1、 水 平 气 流 的 辐 合 与 辐 散辐 合 与 辐 散 ： 由 于 空 气 运 动 速度 的 不 均 匀 而 导 致 空 气 质 量 在某 些 区 域 堆 聚 或 流 散 的 现 象空气都背着同一条线或同一点散开，而且前面的空气速度快，后面的空气速度慢，显然这个区域的空气质点会逐渐向周围流散，引起气压降低，这种现象称为水平气流辐散 空气柱质量变化的动力原因1、 水 平 气 流 的 辐 合 与 辐 散辐 合 与 辐 散 ： 由 于 空 气 运 动 速度 的 不 均 匀 而 导 致 空 气 质 量 在某 些 区 域 堆 聚 或 流 散 的 现 象空气向着同一点或同一条线集聚，而且前面空气质点运动速度慢，后面运动速度快，结果这个区域里空气质点会逐渐聚积起来，引起气压升高，这种现象称为水平气流辐合 实际大气中空气质点水平辐合、辐散的分布比较复杂 空气柱质量变化的动力原因2、 不 同 密 度 气 团 的 移 动不同密度的空气交替会引起气压变化。性质不同的气团，密度往往不同。如果移到某地的气团比原来气团密度大，则该地上空空气柱中质量会增多，气压随之升高。反之该地气压就要降低。 冷空气温度低，密度大，其南下时会造成流经之地气压明显上升 夏季时暖湿气流北上，引起流经之处密度减小，地面气压下降 空气柱质量变化的动力原因3、 空 气 垂 直 运 动当空气有垂直运动而空气柱内质量没有外流时，空气柱中总质量没有改变，地面气压不会发生变化。但空气柱中质量的上下传输，可造成空气柱中某一层次空气质量改变，从而引起气压变化。 二、气压随时间的变化（二）气压的周期性变化气压的周期性变化是指在气压随时间变化的曲线上呈现出有规律的周期性波动，明显的是以日为周期的和以年为周期的波动。1、 气 压 的 日 变 化 气 压 的 日 变 化 有 单 峰 、 双 峰 和 三 峰 等 型 式 ， 其 中以 双 峰 型 最 为 普 遍 。 其 特 点 是 一 天 有 一 个 最 高 值 ， 一个 次 高 值 ， 一 个 最 低 值 ， 一 个 次 低 值 。 气压日变化的原因l与气温日变化有关l与潮汐有关 2、 气 压 的 年 变 化 气 压 的 年 变 化 是 以 年 为 周 期 的 波 动 。 可 以 分 为 以下 三 种 类 型 ： （ 1） 大 陆 型 ： 一 年 中 气 压 最 高 值 出 现 在 冬 季 ， 最低 值 出 现 在 夏 季 ， 气 压 年 变 化 值 很 大 ， 并 由 低 纬 向 高纬 逐 渐 增 大 。 （ 2） 海 洋 型 ： 一 年 中 气 压 最 高 值 出 现 在 夏 季 ， 最 低值 出 现 在 冬 季 ， 气 压 年 较 差 小 于 同 纬 度 的 陆 地 。 （ 3） 高 山 型 ： 一 年 中 气 压 的 最 高 值 出 现 在 夏 季 ， 最低 值 出 现 在 冬 季 。 （ 三 ） 气 压 的 非 周 期 性 变 化 气 压 的 非 周 期 性 变 化 是 指 气 压 的 变 化 不 存 在 固 定 周 期 的波 动 ， 它 是 气 压 系 统 移 动 和 演 变 的 结 果 。 第二节 气压的空间分布气压的空间分布称为气压场 一、气压场的表示方法（一）等压线和等压面1、等高面图 等高面是空间高度相等的（平）面。在等高面图上，各点气压值不同，所以 可以通过分析等压线来了解空间气压分布情况。 等压线：同一等高面上各气压相等点的连线。等压线的形状和疏密程度反映着水平方向上气压的分布形势。 等压面指空间气压相等的各点组成的曲面（因为同一高度上各地的气压不相同），为类似地形一样起伏不平的曲面。 2、等压面图 等压面指空间气压相等的各点组成的曲面（因为同一高度上各地的气压不相同），为类似地形一样起伏不平的曲面。等压面是曲面的原因：下垫面性质的差异、水平方向上温度分布和动力条件的不均匀，所以同一高度上各地的气压不一样 通常用等压面图上的等高线来表示等压面附近的气压分布。 一、气压场的表示方法（二）位势高度（重力位势）位势高度：将单位质量的空气从海平面（令其位势等于零）抬升到任一高度Z时，克服重力所作的功，又称为重力位势，以J/kg为单位，简称为位势。 在国际单位制中，1位势米定义为1空气上升1米时，克服重力作了9.8J的功，也就是获得了9.8J/kg位势能，即1位势米9.8J/kg 8.9 zgH 位势米和几何米的换算公式位势高度重力加速度几何高度位势米是能量单位，几何米是长度单位 二、气压场的基本型式 1、 低 压等 压 线 闭 合 ， 气 压 自 四 周 向 中 心 递 减 ， 气 流 自 四 周逆 时 针 向 中 心 辐 合 的 地 区 。 低 压 又 称 为 气 旋 。2、 低 压 槽是 低 压 向 某 一 方 向 延 伸 的 部 分 ， 低 压 槽 中 等 压 线 曲率 最 大 处 各 点 连 线 称 槽 线 ， 气 流 自 槽 线 两 侧 向 槽 线辐 合 。 3、 高 压等 压 线 闭 合 ， 气 压 由 中 心 向 四 周 低 ， 气 流 自 中 心 向四 周 顺 时 针 辐 散 的 地 区 ， 高 压 又 称 反 气 旋 。4、 高 压 脊是 高 压 在 某 一 方 向 的 延 伸 部 分 ， 高 压 脊 中 ， 等 压 线曲 率 最 大 处 各 点 的 连 线 称 脊 线 ， 气 流 自 脊 线 向 两 侧辐 散 。 5、 鞍 型 场由 两 两 相 对 排 列 的 高 、 低 压 区 组 成 的 气 压 系 统 ， 其空 间 等 压 面 形 似 马 鞍 ， 故 得 此 名 。 鞍 型 场 两 高 压 区之 间 是 气 流 的 辐 合 地 带 。 高 空 常 见 的 气 压 系 统高空气压系统比低空气压系统相对简单，大多呈现沿纬向（即东西向）的平直或波状等高线，有时也有闭合系统如切断低压、阻塞高压 1、 温 压 场 对 称 的 系 统温 压 场 对 称 的 系 统 指 气 压 系 统 的 高 、 低 压 中 心 与 温度 场 的 冷 暖 中 心 重 合 的 系 统 。 包 括 深 厚 系 统 和 浅 薄系 统 两 类 。（ 1） 深 厚 系 统有 冷 低 压 和 暖 高 压 两 种 系 统 。冷 低 压 ： 低 压 中 心 与 低 温 中 心 重 合 。 其 空 间 结 构 特征 为 ： 等 压 面 坡 度 随 高 度 的 增 高 而 增 大 ， 冷 低 压 随高 度 逐 渐 增 强 暖 高 压 ： 高 压 中 心 与 高 温 中 心 重 合 。 其 空 间 结 构 特 征是 ： 等 压 面 坡 度 随 高 度 的 增 高 而 增 大 ， 暖 高 压 随 高 度逐 渐 增 强 （ 2） 浅 薄 系 统有 暖 低 压 和 冷 高 压 两 种 系 统 。暖 低 压 ： 低 压 中 心 与 高 温 中 心 重 合 。 暖 低 压 的 空 间 结构 是 ： 随 高 度 的 增 高 等 压 面 坡 度 减 小 ， 低 压 中 心 下 凹的 程 度 越 来 越 小 ， 到 某 一 高 度 以 上 ， 等 压 面 反 而 隆 起， 暖 低 压 随 高 度 减 弱 ， 在 一 定 高 度 以 上 消 失 ， 而 出 现暖 高 压 冷 高 压 ： 高 压 中 心 与 低 温 中 心 重 合 ， 冷 高 压 随 高 度减 弱 ， 在 一 定 高 度 以 上 消 失 ， 出 现 冷 低 压 （ 二 ） 温 压 场 不 对 称 系 统 指 地 面 的 高 、 低 压 中 心 与 温 度 场 的 冷 暖 中 心 配 置 不 相 重合 的 系 统 。 系 统 的 中 心 轴 线 不 铅 直 ， 而 发 生 倾 斜 。 地 面 低 压中 心 轴 线 随 高 度 升 高 不 断 向 冷 区 倾 斜 ， 高 压 中 心 轴 线 随 高 度升 高 不 断 向 暖 区 倾 斜 。 北 半 球 中 高 纬 度 的 冷 空 气 多 从 西 北 方向 移 来 、 因 而 低 压 中 心 轴 线 常 常 向 西 北 方 向 倾 斜 ； 高 压 的 西南 侧 比 较 暖 和 ， 高 压 中 心 轴 线 多 向 西 南 方 向 倾 斜 。