大氣物理（程志剛）ppt課件 第二章大氣壓力

大氣物理學(xué)第二章大氣壓力

程志剛郵箱：chengzg@QQ：24820045成都信息工程學(xué)院-大氣科學(xué)學(xué)院ChengduUniversityofInformationTechnology-CollegeofAtmosphericSciences大氣壓力2大氣壓力什么是大氣壓力？氣壓是如何產(chǎn)生的？氣壓在垂直方向的分布？空氣分子不斷地做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，不斷地與物體表面相碰撞。宏觀上，物體表面就受到一個(gè)持續(xù)、恒定的壓力，單位面積所受的大氣分子的壓力稱(chēng)為大氣壓強(qiáng)或氣壓。大氣壓力的量值是單位面積上直至大氣上界整個(gè)空氣柱的重量，是氣象學(xué)中極其重要的一個(gè)物理量，它的分布和變化與大氣運(yùn)動(dòng)及天氣狀況有密切關(guān)系。3第二章大氣壓力§1大氣靜力學(xué)方程和氣壓-高度公式§2大氣模式§3氣壓-位勢(shì)高度公式§4標(biāo)準(zhǔn)大氣§5氣壓的時(shí)空分布4§1大氣靜力學(xué)方程和氣壓-高度公式一大氣靜力學(xué)方程二氣壓-高度公式三大氣標(biāo)高5一、大氣靜力學(xué)方程1靜力平衡指作用于大氣垂直方向上的力只有重力和大氣壓力（即垂直氣壓梯度力），當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，稱(chēng)為靜力平衡。2方程推導(dǎo)

假設(shè)：大氣處于靜力平衡，在水平方向溫、壓、濕變化很小，等壓面與等溫面近于水平，且由于是靜止大氣，空氣無(wú)水平運(yùn)動(dòng)。6一大氣靜力學(xué)方程受力分析應(yīng)有：氣塊的垂直運(yùn)動(dòng)方程

在單位面積氣柱中取dz

厚度氣塊，(3.1.3)(3.1.2)(3.1.1)7

當(dāng)大氣靜止或只做勻速垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，大氣靜力學(xué)方程精確成立。當(dāng)大氣有弱的垂直加速度時(shí)，大氣靜力學(xué)方程近似成立。大氣運(yùn)動(dòng)具有準(zhǔn)水平性，即任意時(shí)刻大部分空間范圍的大氣以水平運(yùn)動(dòng)為主。垂直加速度一般小于0.1cm/s2,比重力加速度至少小4個(gè)數(shù)量級(jí)，除了垂直運(yùn)動(dòng)劇烈的積云環(huán)流外，都能很好的成立。82靜力學(xué)方程的應(yīng)用形式代入(3.1.3)式得：（3.1.4）

垂直氣壓梯度：在垂直氣柱中，改變單位高度(通常指100m)時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣壓差。單位氣壓高度差:也稱(chēng)氣壓階,在垂直氣柱中，改變單位氣壓(通常指1hPa)時(shí)所對(duì)應(yīng)的高度差。一大氣靜力學(xué)方程9氣壓愈低(高度愈高)，單位氣壓高度差愈大。溫度愈高，單位氣壓高度差亦愈大。主要用于做海平面訂正和其它一些近似估計(jì)?！纠磕硽庀笥^測(cè)站的海拔高度為64m，若某日該測(cè)站氣壓為1000hPa，氣溫為0℃，求海平面氣壓為?一大氣靜力學(xué)方程10【例】某氣象觀測(cè)站的海拔高度為64m，若某日該測(cè)站氣壓為1000hPa，氣溫為0℃，可算出h=8m/hPa，于是可求得海平面氣壓約為1008hPa。一大氣靜力學(xué)方程11§1大氣靜力學(xué)方程和氣壓-高度公式一大氣靜力學(xué)方程二氣壓-高度公式三大氣標(biāo)高12二、氣壓-高度公式對(duì)(3.1.4)式在（z1，p1）~（z2，p2）積分(3.1.7)（z1，p1）（z2，p2）13二、氣壓-高度公式或改寫(xiě)在（z1，p1）~（z2，p2）積分(3.1.7)和(3.1.8)為80km以下大氣壓力和高度的普遍關(guān)系，稱(chēng)為氣壓-高度公式。虛溫Tv和重力加速度g都隨高度變化，通常難以求出積分?jǐn)?shù)值。為簡(jiǎn)化計(jì)算，常將g

作為常數(shù)處理。(3.1.8)14§1大氣靜力學(xué)方程和氣壓-高度公式一大氣靜力學(xué)方程二氣壓-高度公式三大氣標(biāo)高15三、大氣標(biāo)高表示氣壓、密度隨高度變化的趨勢(shì)，有氣壓標(biāo)高、密度標(biāo)高，統(tǒng)稱(chēng)大氣標(biāo)高。對(duì)流層內(nèi)，用狀態(tài)方程可近似根據(jù)3.1.10式(3.1.10)(3.1.11)(3.1.13)氣壓標(biāo)高計(jì)算公式(3.1.12)

由(3.1.4)16三、大氣標(biāo)高氣壓標(biāo)高與溫度成正比。對(duì)等溫氣層(3.1.15)(3.1.13)氣壓標(biāo)高計(jì)算公式應(yīng)用氣壓標(biāo)高的壓-高公式：(3.1.14)由上式知：當(dāng)z2-z1=Hp時(shí)，常用氣壓標(biāo)高是氣壓p1減少到p1/e時(shí)所需要的高度增量。當(dāng)Tv=273K時(shí)，Hp=7990m17三、大氣標(biāo)高大氣標(biāo)高計(jì)算公式僅適用于90km以下的勻和層。對(duì)100km以上的非勻和層并不適用，各種氣體分壓強(qiáng)的標(biāo)高、分壓強(qiáng)隨高度的變化分別是(3.1.16)(3.1.17)18第二章大氣壓力§1大氣靜力學(xué)方程和氣壓-高度公式§2大氣模式§3氣壓-位勢(shì)高度公式§4標(biāo)準(zhǔn)大氣§5氣壓的時(shí)空分布19§2大氣模式問(wèn)題：實(shí)際大氣氣壓-高度的關(guān)系?

由于受多種因素影響，溫度及密度隨高度的分布是非常復(fù)雜的，一般難以用一個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)關(guān)系表達(dá)，對(duì)(3.1.7)及(3.1.8)式直接求積分幾乎是不可能的。實(shí)際應(yīng)用中將對(duì)密度和溫度的垂直分布作一些假定，通常討論在這些典型條件下壓強(qiáng)隨高度的變化。三種基本假定是:一等溫大氣二多元大氣三均質(zhì)大氣20一、等溫大氣等溫大氣：大氣的溫度(或虛溫)不隨高度變化。氣象觀測(cè)中的應(yīng)用：拉普拉斯壓高方程壓高公式：（z1，p1）~（z2，p2）(3.2.1)(3.2.2)(3.2.3)，氣壓標(biāo)高等于密度標(biāo)高。z→∞，氣壓和密度→0，等溫大氣沒(méi)有上界。等溫大氣特點(diǎn)：21一、等溫大氣壓高公式的應(yīng)用：假設(shè)兩等壓面間的平均虛溫為計(jì)算等壓面之間的厚度。例1：p1=1000hPa，p2=500hPa例2：氣象臺(tái)站的本站氣壓訂正到海平面氣壓。測(cè)站海拔高度h，本站氣壓ph，海平面氣壓p0，測(cè)站到海平面的平均溫度tm(3.2.5)22二、多元大氣多元大氣：大氣的溫度(或虛溫)是高度的線(xiàn)性函數(shù)。

Tv=Tv0-Γ·z(3.2.6)壓高公式：（z1，p1~z2，p2）大氣上界p2=0,HT=Tv0/Γ,多元大氣有上界。當(dāng)Γ

→0，HT→∞，等溫大氣沒(méi)有上界。多元大氣特點(diǎn)：(3.2.8b)(3.2.9)23三、均質(zhì)大氣均質(zhì)大氣：大氣密度不隨高度變化，整層大氣都保持密度的海平面值。均質(zhì)大氣高度：壓高公式：（z0，p0~z，p）積分得均值大氣氣壓隨高度線(xiàn)性減小，且減小很快。當(dāng)p=

0，z=p0/ρg，均值大氣有上界。均值大氣特點(diǎn)：當(dāng)T0=273K，H=7990gpm，均值大氣高度近似為8km。24三、均質(zhì)大氣均質(zhì)大氣溫度：均值大氣密度不隨高度變化，但溫度隨高度減小。若大氣減溫率超過(guò)34.2K/km，則大氣密度將隨高度而增加，將導(dǎo)致大氣不穩(wěn)定，而自動(dòng)發(fā)生對(duì)流，所以把34.2K/km稱(chēng)為自動(dòng)對(duì)流減溫率。僅在有劇烈地面增溫的貼地氣層可能出現(xiàn)，實(shí)際大氣很少能達(dá)到這個(gè)減溫率的。利用（3.2.6）式，可知均質(zhì)大氣頂部的溫度為0K，分子運(yùn)動(dòng)停將止。均質(zhì)大氣是假設(shè)的大氣模式，僅在處理某些理論問(wèn)題時(shí)有一定意義。2526習(xí)題27習(xí)題28習(xí)題29習(xí)題第二章大氣壓力§1大氣靜力學(xué)方程和氣壓-高度公式§2大氣模式§3氣壓-位勢(shì)高度公式§4標(biāo)準(zhǔn)大氣§5氣壓的時(shí)空分布30§3氣壓-位勢(shì)高度在大氣物理學(xué)和海洋學(xué)中，常采用位勢(shì)高度而不用幾何高度表示大氣的高度和海洋的深度。從固定在地球上的坐標(biāo)系看，單位質(zhì)量空氣所受的重力g是地心引力g*和地球旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力的合力。因地球并非嚴(yán)格的球形，地球半徑在赤道最大而在兩極最小，地心引力g*受到質(zhì)量非球形分布和到質(zhì)心距離不同的影響，是緯度的函數(shù)；重力g也是緯度的函數(shù)。首先介紹重力和重力位勢(shì)的概念。311）重力位勢(shì)把單位質(zhì)量的物體從海平面上（重力位勢(shì)為零）抬升（沿任意路徑）到Z高度時(shí)，外力克服重力所作的功。一、重力位勢(shì)二、位勢(shì)米（gpm）質(zhì)量為1千克的物體在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度g0下，上升1m所增加的勢(shì)能為1位勢(shì)米。3）位勢(shì)高度與幾何高度的關(guān)系（3.3.5）位勢(shì)米和幾何米的換算公式位勢(shì)高度重力加速度幾何高度位勢(shì)米是能量單位，幾何米是長(zhǎng)度單位二、位勢(shì)米（gpm）三、位勢(shì)高度與氣壓的關(guān)系氣壓-位勢(shì)高度公式：（Z1，p1~Z2，p2）與(3.1.7)和(3.1.8)式比較可看出，采用位勢(shì)高度后，位勢(shì)高度和壓強(qiáng)的關(guān)系只取決于虛溫的垂直分布，可由氣壓測(cè)量高度。35四、使用位勢(shì)高度的優(yōu)點(diǎn)為什么要用位勢(shì)高度？(1)可以不考慮重力加速度隨高度和緯度的變化，根據(jù)實(shí)測(cè)的氣壓和溫度即可計(jì)算位勢(shì)高度，比較方便。(2)便于在理論上處理一些問(wèn)題。例如，在討論大氣能量時(shí)，垂直坐標(biāo)若采用位勢(shì)高度Z，則重力力無(wú)水平分量，方程得以簡(jiǎn)化。36【例】甲、乙兩地在氣壓相同的高度上，甲地比乙地高10℃，兩地1000hPa至500hPa的厚度差是多少？37【例】甲、乙兩地在氣壓相同的高度上，甲地比乙地高10℃，兩地1000hPa至500hPa的厚度差是多少？【解】設(shè)甲、乙兩地1000-500hPa的厚度差分別是ΔZ1和ΔZ2，虛溫分別是Tv1和Tv2，則由于積分后得【答】甲、乙兩地1000-500hPa的厚度差是203gpm，

甲地溫度高，等壓面間厚度大。38第二章大氣壓力§1大氣靜力學(xué)方程和氣壓-高度公式§2大氣模式§3氣壓-位勢(shì)高度公式§4標(biāo)準(zhǔn)大氣§5氣壓的時(shí)空分布39§4標(biāo)準(zhǔn)大氣標(biāo)準(zhǔn)大氣：根據(jù)大量高空探測(cè)的數(shù)據(jù)和理論，規(guī)定了一種特性隨高度平均分布的最接近實(shí)際大氣的大氣模式，也稱(chēng)為“參考大氣”。世界氣象組織定義：能夠粗略地反映出周年、中緯度狀況的，得到國(guó)際上承認(rèn)的，假定的大氣溫度、壓力和密度的垂直分布。典型用途是做為壓力-高度計(jì)校準(zhǔn)、飛機(jī)性能計(jì)算、飛機(jī)和火箭設(shè)計(jì)、彈道制表和氣象制圖的基準(zhǔn)。假定空氣服從使溫度、壓力和密度與位勢(shì)發(fā)生關(guān)系的理想氣體定律和流體靜力學(xué)方程。在一個(gè)時(shí)期內(nèi)，只能規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣，除相隔多年做修正外，不允許經(jīng)常變動(dòng)。40美國(guó)1976年標(biāo)準(zhǔn)大氣

U.S.StandardAtmosphere,1976(1)海平面大氣的部分特征值g0、p0、T0是規(guī)定的，其余是根據(jù)公式推算得到的，μ0是動(dòng)力粘性系數(shù)，ν0是運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。41美國(guó)1976年標(biāo)準(zhǔn)大氣

U.S.StandardAtmosphere,1976(2)溫度-高度廓線(xiàn)及氣壓的垂直分布(圖3.4和4.1)86km高度以下:

大氣為干潔空氣，其成分均勻混合，比例不隨高度變化，平均摩爾分子量為Md；滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程，且處于流體靜力學(xué)平衡和水平成層分布狀態(tài)。86km高度以上:

規(guī)定在500km以上溫度逐漸逼近1000K。在86km高度以上的大氣中，分子的擴(kuò)散分離和氧分子的光離解作用逐漸占主要地位，平均摩爾質(zhì)量隨高度增加減小，大氣的流體靜力學(xué)平衡逐漸被破壞，各高度的氣體總壓強(qiáng)根據(jù)道爾頓分壓定律進(jìn)行計(jì)算。42美國(guó)1976年標(biāo)準(zhǔn)大氣

100km高度以下的溫度垂直廓線(xiàn)

11gpkm以下，溫度隨高度降低(-6.5K/gpkm)11~20gpkm，大氣等溫20~47gpkm，溫度上升32gpkm以下，1.0K/gpkm32gpkm以上，2.8K/gpkm47~51gpkm，有溫度極大值270.65K51~86gpkm，溫度隨高度降低(-2.8K/gpkm)86~91gpkm，有溫度極小值186.87K91gpkm，溫度隨高度上升很快43層次位勢(shì)高度(gpkm)溫度直減率(K/gpkm)溫度-高度函數(shù)形式對(duì)流層00~11-6.5線(xiàn)性降低平流層111~200.0等溫220~321.0線(xiàn)性升高332~472.8線(xiàn)性升高中層447~510.0等溫551~71-2.8線(xiàn)性降低671~84.852-2.0線(xiàn)性降低784.852線(xiàn)性的美國(guó)1976年標(biāo)準(zhǔn)大氣

100km高度以下的溫度垂直廓線(xiàn)

44第二章大氣壓力§1大氣靜力學(xué)方程和氣壓-高度公式§2大氣模式§3氣壓-位勢(shì)高度公式§4標(biāo)準(zhǔn)大氣§5氣壓的時(shí)空分布

45§5氣壓的時(shí)空分布?xì)鈮簣?chǎng)：氣壓的空間分布稱(chēng)為氣壓場(chǎng)。等壓面：等壓面指空間氣壓相等的各點(diǎn)組成的曲面（因?yàn)橥桓叨壬细鞯氐臍鈮翰幌嗤瑸轭?lèi)似地形一樣起伏不平的曲面。等壓面是曲面的原因：下墊面性質(zhì)的差異、水平方向上溫度分布和動(dòng)力條件的不均勻，所以同一高度上各地的氣壓不一樣等高線(xiàn)圖：通常用等壓面圖上的等高線(xiàn)來(lái)表示等壓面附近的氣壓分布。大氣流場(chǎng)和氣壓場(chǎng)是互相配合的，可根提海平面氣壓場(chǎng)圖及高空的等壓面圖，討論不同高度大氣的平均運(yùn)動(dòng)狀況。4647一、氣壓系統(tǒng)及其隨高度的變化(1)低氣壓(簡(jiǎn)稱(chēng)低壓):其等壓線(xiàn)閉合，中心氣壓低，向外逐漸增高。空間等壓面向下凹，形如盆地。氣流自四周逆時(shí)針向中心輻合的地區(qū)。低壓又稱(chēng)為氣旋。48（2）高氣壓(簡(jiǎn)稱(chēng)高壓):其等壓線(xiàn)閉合，中心氣壓高，向外逐漸減低?？臻g等壓面向上凸形狀，形似山丘。氣流自中心向四周順時(shí)針輻散的地區(qū)，高壓又稱(chēng)反氣旋。49(3)低壓槽(簡(jiǎn)稱(chēng)槽):是低壓向外伸出的狹長(zhǎng)部分，或一組未閉合的等壓線(xiàn)向氣壓較高的方突出的部分。在槽中，各等壓線(xiàn)彎曲最大處的連線(xiàn)叫槽線(xiàn)。50(4)高壓脊(簡(jiǎn)稱(chēng)脊):是高壓向外伸出的狹長(zhǎng)部分，或一組未閉合的等壓線(xiàn)向氣壓較低的方突出的部分。在脊中，各等壓線(xiàn)彎曲最大處的連線(xiàn)叫脊線(xiàn)。氣壓沿脊