第三章與第四章

第三章大氣壓力(大氣靜力學(xué))3.1大氣靜力學(xué)方程和氣壓-高度公式3.2大氣模式及其壓高公式3.3氣壓-位勢(shì)高度公式3.4標(biāo)準(zhǔn)大氣3.5氣壓的時(shí)空分布第三章大氣壓力

氣壓是如何產(chǎn)生的？它在垂直方向應(yīng)該是如何分布的呢？大氣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)的、恒定的壓力。物體表面單位面積所受的大氣分子的壓力稱為大氣壓強(qiáng)或氣壓。其大小等于單位面積上直至大氣上屆整個(gè)空氣柱的重量。本章研究靜止或勻速垂直運(yùn)動(dòng)大氣所受力的作用，以及在力的作用下氣壓與溫度、高度之間的定量關(guān)系，即氣壓垂直分布的問(wèn)題。3.1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3.1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（大氣靜力學(xué)方程的應(yīng)用之一）三、大氣標(biāo)高（大氣靜力學(xué)方程的應(yīng)用之二）靜力學(xué)方程反映的是大氣處于靜力平衡時(shí)氣壓隨高度變化的規(guī)律。事實(shí)上，大氣在任何時(shí)刻都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但除山區(qū)以及有強(qiáng)烈對(duì)流運(yùn)動(dòng)的時(shí)候以外，空氣的垂直加速度都是很小的，一般不超過(guò)0.001米／秒，比重力加速度約小一萬(wàn)倍，因此，在一般情況下，可將大氣中的垂直加速度忽略不計(jì)，即認(rèn)為大氣在垂直方向上是處于靜力平衡狀態(tài)。因而，靜力學(xué)的規(guī)律可以相當(dāng)準(zhǔn)確地應(yīng)用于實(shí)際大氣。但對(duì)于局部地區(qū)有垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)展時(shí)，應(yīng)用靜力學(xué)規(guī)律所得的結(jié)果將失去它的準(zhǔn)確性。一、大氣靜力學(xué)方程(1)1、靜力平衡：指作用于大氣鉛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)。

一、大氣靜力學(xué)方程(2)厚度為dz的單位截面積空氣柱在垂直方向的上下表面所受氣壓合力；重力

氣塊的運(yùn)動(dòng)方程0

靜力平衡單位質(zhì)量空氣所受的垂直氣壓梯度力垂直加速度單位質(zhì)量空氣所受重力一、大氣靜力學(xué)方程(3)(1)；由于大氣在水平方向一定范圍內(nèi)比較均勻，討論：1、當(dāng)dz>0時(shí)，dP<0，說(shuō)明隨高度的增加氣壓下降。2、，任意高度的氣壓等于從該高度向上到大氣上界單位截面積垂直氣柱的重量。3、密度大的氣層，氣壓隨高度的增加降低得很快，反之亦然。P是一元函數(shù)，那么可導(dǎo)就是可微靜力學(xué)方程的主要形式一、大氣靜力學(xué)方程(4)3、靜力學(xué)方程的應(yīng)用形式（由于常規(guī)氣象觀測(cè)不直接測(cè)量密度，測(cè)得的是空氣的溫度、壓強(qiáng)、濕度，因此利用濕空氣狀態(tài)方程得到密度的表達(dá)式）代入(1)式得：（1-1）由（1-1）式還可以引申出兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的物理量：垂直氣壓梯度和單位氣壓高度差垂直氣壓梯度：在垂直氣柱中，每改變單位高度(通常指100m)時(shí)所對(duì)應(yīng)的氣壓差。低層大氣（壓強(qiáng)大）中氣壓隨高度減少的快，干冷空氣（虛溫小）比濕暖空氣中氣壓隨高度減少的快單位氣壓高度差，也稱氣壓階：式中a為1/273.15，是攝氏溫度在垂直氣柱中，每改變單位氣壓(通常指1hPa)時(shí)所對(duì)應(yīng)的高度差。靜力學(xué)方程的應(yīng)用形式氣壓愈低(即高度愈高)，單位氣壓高度差愈大。溫度愈高，單位氣壓高度差亦愈大。注：可不考慮水汽的影響。主要用于做海平面訂正和其它一些近似估計(jì)。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℃，那么可算出單位氣壓高度差h=8m/hPa，于是可求得海平面氣壓約為1008hPa。大氣靜力學(xué)方程針對(duì)微薄氣層，若氣層厚度很大，如何得到適合大范圍內(nèi)氣壓隨高度變化的關(guān)系式？

3.1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（大氣靜力學(xué)方程的應(yīng)用之一）三、大氣標(biāo)高（大氣靜力學(xué)方程的應(yīng)用之二）二、氣壓-高度公式對(duì)(1-1)式積分

此為80km以下大氣壓力和高度的普遍關(guān)系，稱為壓高公式。方程在使用中存在的問(wèn)題：重力加速度、虛溫均隨高度產(chǎn)生變化，積分困難壓高公式表明氣壓隨高度的增加按指數(shù)規(guī)律遞減解決方法：根據(jù)實(shí)際情況做某些特定假設(shè)；后面將會(huì)介紹三種廣泛應(yīng)用大氣模式的壓高公式及引入位勢(shì)高度后的氣壓-位勢(shì)高度公式3.1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（大氣靜力學(xué)方程的應(yīng)用之一）三、大氣標(biāo)高（大氣靜力學(xué)方程的應(yīng)用之二）三、大氣標(biāo)高在對(duì)流層中氣壓標(biāo)高和密度標(biāo)高近似相等代入靜力學(xué)方程的應(yīng)用形式氣壓標(biāo)高公式可以粗略的認(rèn)為，實(shí)際大氣的氣壓和密度大約在8km處分別等于地面氣壓和密度的1/e注意：大氣標(biāo)高計(jì)算公式3.1.13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，此時(shí)應(yīng)使用氣體分壓強(qiáng)的標(biāo)高定義：3.2大氣模式及其壓高分布一、等溫大氣二、多元大氣三、均質(zhì)大氣大氣溫度及密度隨高度的分布因受多種因素影響是復(fù)雜的，難以用函數(shù)關(guān)系表達(dá)，因此對(duì)3.1.7及3.1.8式壓高公式求積分幾乎是不可能的。下面將對(duì)密度和溫度的垂直分布作一些假定，討論在這些典型條件下壓強(qiáng)隨高度的變化而這些假設(shè)是具有一定的實(shí)際意義一、等溫大氣若某層大氣的溫度(或虛溫)不隨高度變化，稱為等溫大氣拉普拉斯壓高方程：等溫大氣的壓強(qiáng)和密度隨高度增加而呈指數(shù)下降，且壓強(qiáng)標(biāo)高和密度標(biāo)高相等，等溫大氣沒有上界利用等溫大氣壓高公式計(jì)算實(shí)際大氣的厚度和高度時(shí)存在的問(wèn)題：實(shí)際大氣并非等溫大氣解決辦法：將實(shí)際大氣劃分為許多薄層，每一薄層可以看作是等溫的，求出每一薄層的tm，然后分別計(jì)算各薄層的厚度，最后把各薄層的厚度求和便是實(shí)際大氣的厚度。一、等溫大氣等溫大氣壓高公式的用途根據(jù)不同高度上的氣壓差和氣柱的平均溫度，求這兩處之間的高度差。（氣壓測(cè)高原理）根據(jù)某高度的氣壓值和氣柱的平均溫度，推算另一高度的氣壓值。（海平面氣壓訂正）由不同高度上的氣壓，求兩高度之間的氣柱的平均溫度。拉普拉斯壓高方程：上應(yīng)用實(shí)例一：根據(jù)不同高度上的氣壓差和氣柱的平均溫度，求這兩處之間的高度差，如已知山頂、山腳處的氣壓、氣溫，即可求出山的高度。（氣壓測(cè)高原理）一登山運(yùn)動(dòng)員，從海拔500m，氣溫為25℃處開始登山。當(dāng)他到達(dá)高度Z1處時(shí)，氣壓比出發(fā)時(shí)減少了1/5，氣溫為13℃。他繼續(xù)往上走，到Z2處時(shí)，氣壓比Z1處又減少了1/5，氣溫為-1℃。試問(wèn)Z1、Z2處的海拔高度各為多少？應(yīng)用實(shí)例二：根據(jù)某高度的氣壓值和氣柱的平均溫度，推算另一高度的氣壓值。（海平面氣壓訂正）二、多元大氣公式如何推導(dǎo)而來(lái)？？？三、均質(zhì)大氣假設(shè)大氣密度不隨高度變化，而是整層都保持其海平面值稱為均質(zhì)大氣均質(zhì)大氣高度均質(zhì)大氣溫度位勢(shì)米3.3氣壓-位勢(shì)高度公式一、重力位勢(shì)、位勢(shì)高度

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，簡(jiǎn)化壓高公式的計(jì)算重力位勢(shì)海平面單位質(zhì)量物體通過(guò)任意路經(jīng)徑從海平面上升到某一高度A點(diǎn)克服重力所做的功稱為重力位勢(shì)(簡(jiǎn)稱位勢(shì))位勢(shì)高度質(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。重力地心引力離心力萬(wàn)有引力定律：f0是地心引力地面值，R為地球半徑，z是離地高度。由于離心力數(shù)值很小，則g與f值很接近，則有rf在重力位勢(shì)及位勢(shì)高度的計(jì)算式中，g是緯度和高度的函數(shù)二、位勢(shì)高度與幾何高度的關(guān)系代入位勢(shì)高度計(jì)算式并積分，則有可見在低空位勢(shì)高度與幾何高度兩者數(shù)值非常接近，到高空差距逐漸增大，即使在100KM高空，兩者的偏差也小于1.6%，因此在實(shí)際工作中，可認(rèn)為兩者數(shù)值相等。二、位勢(shì)高度及與壓強(qiáng)的關(guān)系（計(jì)算位勢(shì)高度的測(cè)高公式）壓強(qiáng)-位勢(shì)高度的關(guān)系式可見，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?jí)簭?qiáng)-高度關(guān)系式采用位勢(shì)高度的優(yōu)勢(shì)：3.4標(biāo)準(zhǔn)大氣

人們根據(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，稱為“標(biāo)準(zhǔn)大氣”或“參考大氣”世界氣象組織定義：所謂標(biāo)準(zhǔn)大氣，就是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。它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)。3.4標(biāo)準(zhǔn)大氣

標(biāo)準(zhǔn)大氣的發(fā)展史：1919年A．圖森提出了第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣提案1962年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣1976年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣它是對(duì)美國(guó)1962年標(biāo)準(zhǔn)大氣的修正，能代表中等太陽(yáng)活動(dòng)期間，中緯度地區(qū)由地面到1000公里的理想靜態(tài)大氣的平均結(jié)構(gòu)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)總局規(guī)定，在建立我國(guó)自己的標(biāo)準(zhǔn)大氣之前，可使用1976年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣，取其30km以下部分作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。3.4標(biāo)準(zhǔn)大氣

1976年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣

1、由海平面至86KM范圍內(nèi)的氣層，大氣為干潔空氣，其成分比例不隨高度變化，平均分子量為Md，并具有理想氣體性質(zhì)，滿足理想氣體狀態(tài)方程，且處于流體靜力學(xué)平衡和水平分層分布狀態(tài)。

2、海平面大氣部分特征值

3、溫—高線及氣壓垂直分布4、壓強(qiáng)、密度和平均自由程的垂直分布試導(dǎo)出20gpkm以下由壓強(qiáng)計(jì)算高度的表達(dá)式，并指出適用的壓強(qiáng)范圍。3.5氣壓的時(shí)空分布?xì)鈮簣?chǎng)：氣壓的空間分布。氣壓的三維空間分布稱為空間氣壓場(chǎng)；氣壓的水平分布稱為水平氣壓場(chǎng)。由于平均流場(chǎng)和平均氣壓場(chǎng)是相互配合的，可根據(jù)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，因此氣壓場(chǎng)是很重要的氣象場(chǎng)。一、氣壓場(chǎng)的表示方法1、等高面圖（等壓線圖；地面采用海平面等壓線圖）等壓面：指空間氣壓相等各點(diǎn)組成的曲面。等高面：海拔高度相同的各點(diǎn)組成的曲面。等高面上的等壓線：是等高面上氣壓相同點(diǎn)的連線，是等壓面與等高面的交線。目前地面天氣圖，就是高度為零的等高面圖(海平面等壓線圖)，在地圖上填上海平面氣壓值，繪制等壓線，此外，地面天氣圖上還標(biāo)有其他天氣符號(hào)和等值線。2、等壓面圖（高空采用一組等壓面圖）

用高度間隔相等的若干等高面去截某等壓面P，將所得截線即等高線都投影到水平面上，便得到等壓面上的許多等高線。構(gòu)成等壓面圖的主體。目前氣象臺(tái)繪制的高空天氣圖就是一組等壓面圖。其上除等高線，還有其他等值線和天氣符號(hào)。注：這里的高度為位勢(shì)高度位勢(shì)500hPa[gpdm]北半球夏季平均二、氣壓場(chǎng)的基本型式（氣壓系統(tǒng)）

1、低壓等壓線閉合，氣壓自四周向中心遞減，氣流自四周逆時(shí)針向中心輻合的地區(qū)。低壓又稱為氣旋。2、低壓槽是低壓向某一方向延伸的部分，低壓槽中等壓線曲率最大處各點(diǎn)連線稱槽線，氣流自槽線兩側(cè)向槽線輻合。

3、高壓等壓線閉合，氣壓由中心向四周遞減，氣流自中心向四周順時(shí)針輻散的地區(qū)，高壓又稱反氣旋。4、高壓脊是高壓在某一方向的延伸部分，高壓脊中，等壓線曲率最大處各點(diǎn)的連線稱脊線，氣流自脊線向兩側(cè)輻散。5、鞍型場(chǎng)由兩兩相對(duì)排列的高、低壓區(qū)組成的氣壓系統(tǒng)，其空間等壓面形似馬鞍，故得此名。鞍型場(chǎng)兩高壓區(qū)之間是氣流的輻合地帶。高空常見的氣壓系統(tǒng)高空氣壓系統(tǒng)比低空氣壓系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，大多呈現(xiàn)沿緯向（即東西向）的平直或波狀等高線，有時(shí)也有閉合系統(tǒng)如切斷低壓、阻塞高壓三、氣壓系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)1、溫壓場(chǎng)對(duì)稱的系統(tǒng)溫壓場(chǎng)對(duì)稱的系統(tǒng)指氣壓系統(tǒng)的高、低壓中心與溫度場(chǎng)的冷暖中心重合的系統(tǒng)。包括深厚系統(tǒng)和淺薄系統(tǒng)兩類。（1）深厚系統(tǒng)有冷低壓和暖高壓兩種系統(tǒng)。冷低壓：低壓中心與低溫中心重合。其空間結(jié)構(gòu)特征為：等壓面坡度隨高度的增高而增大，冷低壓隨高度逐漸增強(qiáng)單位氣壓高度差，也稱氣壓階在垂直氣柱中，每改變單位氣壓(通常指1hPa)時(shí)所對(duì)應(yīng)的高度差。暖高壓：高壓中心與高溫中心重合。其空間結(jié)構(gòu)特征是：等壓面坡度隨高度的增高而增大，暖高壓隨高度逐漸增強(qiáng)

（2）淺薄系統(tǒng)有暖低壓和冷高壓兩種系統(tǒng)。暖低壓：低壓中心與高溫中心重合。暖低壓的空間結(jié)構(gòu)是：隨高度的增高等壓面坡度減小，低壓中心下凹的程度越來(lái)越小，到某一高度以上，等壓面反而隆起，暖低壓隨高度減弱，在一定高度以上消失，而出現(xiàn)暖高壓冷高壓：高壓中心與低溫中心重合，冷高壓隨高度減弱，在一定高度以上消失，出現(xiàn)冷低壓（二）溫壓場(chǎng)不對(duì)稱系統(tǒng)

指地面的高、低壓中心與溫度場(chǎng)的冷暖中心配置不相重合的系統(tǒng)。系統(tǒng)的中心軸線不鉛直，而發(fā)生傾斜。地面低壓中心軸線隨高度升高不斷向冷區(qū)傾斜，高壓中心軸線隨高度升高不斷向暖區(qū)傾斜。北半球中高緯度的冷空氣多從西北方向移來(lái)、因而低壓中心軸線常常向西北方向傾斜；高壓的西南側(cè)比較暖和，高壓中心軸線多向西南方向傾斜。四、氣壓隨時(shí)間的變化（一）氣壓的周期性變化氣壓的周期性變化是指在氣壓隨時(shí)間變化的曲線上呈現(xiàn)出