大氣科學概論第五大氣壓力

大氣科學概論課件第五大氣壓力第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

大氣壓力是指單位面積上直至大氣上界整個空氣柱的重量。

氣壓是大氣科學中的一個極其重要的物理量，它的分布和變化與大氣運動及天氣狀況有密切關系。

人們早就發(fā)現(xiàn)，

氣壓降低時，一般多陰雨；

氣壓升高時，一般天氣轉好。

(氣壓表曾被成為晴雨表)

第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月低雨晴地面高第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

觀測表明:

氣壓值總是隨著海拔高度的增高而減小。

低層氣壓降低的數(shù)值大于高層。

一般海平面氣壓值在980—1040hpa之間變動。第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

確定與氣壓隨高度變化的定量關系，一般是應用靜力學方程和壓高方程。

3.1大氣靜力學方程和氣壓－高度公式

3.1.1大氣靜力學方程

大氣在垂直方向上受到重力和垂直氣壓梯度力的作用達到平衡時，稱為流體靜力平衡狀態(tài)。

通常情況下，空氣的垂直加速度<10-3m/s2,比重力加速度小一萬倍。所以說，在垂直方向，實際大氣可以看成處于流體靜力平衡狀態(tài)，有強對流的地區(qū)除外。

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大氣靜力學方程反映在流體靜力平衡狀態(tài)時，氣壓、溫度與高度的關系。

一、大氣靜力學方程

假設大氣在水平方向的壓強、溫度、濕度變化都很小，等壓面、等溫面近于水平，且空氣無水平運動。

厚度為dz的單位截面積空氣柱的受力如圖：第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

若大氣處于流體靜力平衡狀態(tài)，則合力為零：

將m=ρdz代入上式，整理得：

因為ρ是正值，所以氣壓總是隨高度遞減。

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由于大氣在水平方向分布均勻，在一定的范圍內可以認為P=P(Z),

則上式可以寫出大氣靜力學方程的主要形式方程說明：氣壓隨高度遞減的快慢取決于密度（ρ）和重力加速度（g）的變化。重力加速度隨高度的變化量一般很小，因而氣壓隨高度遞減的快慢主要決定于空氣的密度。第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于氣象觀測不直接測量密度，利用濕空氣狀態(tài)方程得流體靜力平衡狀態(tài)時，氣壓、溫度與高度的關系：第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月二、垂直氣壓梯度和單位氣壓高度差

當高度的變化不太大時，氣壓變化的快慢可以用垂直氣壓梯度和單位氣壓高度差來表示。

垂直氣壓梯度GZ是指每升高（或降低）單位距離，氣壓減少（或增大）的數(shù)值。單位：hpa/100m

負號表垂直氣柱中氣壓隨高度升高而降低第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

單位氣壓高度差h是指在垂直方向上，氣壓每降低（或升高）1hpa時，需要升高（或降低）的高度。單位：m/hpa（α=1/273,tv是攝氏溫度）練習1：在0℃時，1000hpa,500hpa,100hpa處的單位氣壓高度差h（氣壓階）分別為多少？第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

由公式可知：

Gz低層大氣>Gz高層大氣

Gz干冷空氣>Gz暖濕空氣

h高層大氣>h低層大氣

h暖濕空氣>h干冷空氣

所以，暖氣團中的氣壓比冷氣團變化緩慢，

高層大氣中的氣壓比低層大氣變化緩慢。第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.1.2氣壓－高度公式

Gz、h只能定性判斷氣壓的變化快慢，要定量確定氣壓隨高度的關系最常用壓高公式。

將

由高度z1(P=P1)積分到高度z2(P=P2)：

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因為在公式中，g和T都隨高度而有變化，而且R因不同高度上空氣組成的差異也會隨高度而變化，因而進行積分是困難的。因而積分要在假定條件下采用特殊解。這些特殊解雖然不適用于整個大氣層，但卻近似符合某些氣層的特性，仍有實用價值。第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、等溫大氣壓高方程

若大氣層的溫度（虛溫）不隨高度變化，這樣的大氣稱為等溫大氣。

忽略重力加速度的變化和水汽影響，并假定氣溫不隨高度發(fā)生變化，此條件下的壓高方程，稱為等溫大氣壓高公式又稱拉普拉斯壓高方程。由在等溫大氣中，上式中的T可視為常數(shù)，

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對上式積分，將T換成t，自然對數(shù)換成常用對數(shù)，并將g、R代入，

則上式變成氣象上常用的等溫大氣壓高方程：實際大氣并非等溫大氣，所以應用上式計算實際大氣的厚度和高度時，必須將大氣劃分為許多薄層，求出每個薄層的tm，然后分別計算各薄層的厚度，最后把各薄層的厚度求和便是實際大氣的厚度。第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

說明：

一般說，在大氣低層g隨高度的變化不大，但將此式應用到100km以上的高層大氣時，必須對g作緯度和高度的訂正。

當空氣中水汽含量較多時，必須用虛溫Tv代替式中的氣溫T。

氣層厚度不大時，用平均溫度tm來代替t。

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tm的求法：1、已知上下兩層空氣的氣溫t1,t2,則tm＝(t1＋t2)/22、已知測站的氣溫t和前12小時的氣溫t12,則tm＝1/2(t＋t12)+h/400

（h為測站的海拔高度）第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

下表是利用等溫大氣壓高方程計算的標準大氣中氣壓與高度的對應值。第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、均質大氣壓高公式（自學）

假設大氣密度不隨高度變化，而是整層都保持海平面的大氣密度值，這就是等密度大氣模式，稱為均質大氣。對

進行積分（0-Z，P0-P）

得第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

令p=0,則均質大氣頂為z=P0/ρg，說明均質大氣的高度是有限。

此時，均質大氣的高度稱大氣厚度Ｈ

Ｈ≈RdT0/g0≈8000m

均質大氣的密度不變，溫度卻是變化的，大氣的垂直減溫率Γ=3.42K/100m。均質大氣是一種假設的大氣模式，在處理某些理論問題時有一定意義。第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、多元大氣壓高公式（自學）

假設大氣的溫度直減率（Γ）不隨高度變化的大氣稱多元大氣。

其中，溫度直減率（Γ）表示溫度隨高度的變化值，即高度每升高100米，大氣溫度降低或升高的數(shù)值。

第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月對

進行積分。

若取海平面的氣溫為T0，于是任意高度Z處的氣溫T=T0-ΓZ，令Z0=0，海平面氣壓為P0，任意高度Z上的氣壓為Pz，

有

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該式表示在多元大氣中，氣壓隨高度也是按指數(shù)規(guī)律遞減的。

實際大氣與多元大氣更為接近,將上式變換一個形式，求Z：

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取p=0,得多元大氣的上界高度

可見，T0確定后，多元大氣的上界高度取決于Γ：

等溫大氣：Γ=0，則zt→∞

均質大氣：Γ=g/Rd=3.41℃/100m，T0=273K,zt≈8000m

多元大氣：Γ=0.65℃/100m，T0=273K,

zt≈42Km實際上，等溫大氣和均質大氣是多元大氣的一個特例。

第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月四、標準大氣的壓高公式（自學）

實際大氣狀態(tài)的空間分布是復雜的，但是人們根據探測數(shù)據和理論計算，制定一種溫度、氣壓、密度等大氣特性垂直分布比較接近實際大氣的平均狀況的大氣模式，稱為標準大氣。

世界氣象組織（wmo）對于標準大氣的定義：所謂標準大氣，就是能夠粗略的反映出周年、中緯度狀況的，得到國際上承認的，假定的大氣溫度、氣壓和密度的垂直分布。第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

標準大氣的典型用途：

作為壓力高度計校準、飛機性能計算、飛機和火箭設計、彈道制表和氣象制圖的基準。

假定：標準大氣服從使溫度、壓力和密度與位勢高度發(fā)生關系的理想氣體定律和流體靜力學方程。在一個時期內，只能規(guī)定一個標準大氣，這個標準大氣，除相隔多年做修正外，不允許經常變動。第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

自1919年以來，國際上增出現(xiàn)過多種標準大氣模式?，F(xiàn)在最具權威的模式是1976年美國的標準大氣。

我國國家標準總局規(guī)定，在建立我國自己的標準大氣之前，可使用1976年美國的標準大氣，取其30km以下部分作為國家標準(p39)，壓高公式為：

11km以下為多元大氣，Γ=0.65℃/100m

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11km到20km為等溫大氣，

20km-30km為多元大氣，Γ=-0.1℃/100m見p41例題3.2，公式中的Z為位勢米。第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月五、壓高公式的應用

壓高公式的應用廣泛，在氣象工作中一般最常用的是等溫大氣的壓高公式(拉普拉斯壓高公式)。

其中溫度t多用氣柱的平均溫度tm代替。因為不考慮Rd