氣象學(xué)基礎(chǔ)第五章大氣壓力

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1、第五章 大氣壓力 地球大氣時(shí)時(shí)刻刻都在運(yùn)動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)（風(fēng)）垂直（對(duì)流運(yùn)動(dòng)）空氣的運(yùn)動(dòng)使不同地區(qū)、不同高度間的熱量和水分得以傳輸和交換，使不同性質(zhì)的空氣得以相互接近、相互作用，直接影響著天氣、氣候的形成和演變空氣運(yùn)動(dòng)的原因：大氣壓力分布的不均勻（氣壓梯度力） 第一節(jié) 氣壓隨高度和時(shí)間的變化 一、氣壓隨高度的變化l氣壓（大氣壓力） 靜止大氣中任意高度上的氣壓值等于其單位面積上所承受的大氣柱的重量，也是從觀測高度到大氣上界單位截面積垂直空氣柱的重量。l固定地點(diǎn)氣壓變化的原因 空氣柱質(zhì)量產(chǎn)生變化，空氣柱厚度和密度改變都可能造成空氣柱質(zhì)量改變。AMgP / 任何地方的氣壓值總是隨海拔高度的增高而遞減由于大

2、氣密度隨高度并非均勻分布，這導(dǎo)致了在不同的高度上變化相同高度，氣壓值變化不一樣。大氣低層密度大，因而氣壓隨高度變化大；大氣高層密度小，因?yàn)闅鈮弘S高度變化小 （一）靜力學(xué)方程l作用：描述空氣密度大小與氣壓隨高度變化的定量關(guān)系假設(shè) 大氣相對(duì)于地面處于靜止?fàn)顟B(tài)ZgZZgPPP )( 1212 氣 壓 隨 高 度 的增 加 而 降 低 ZgZZgPPP )( 1212dP如果空氣柱取得非常薄，則Z趨向無窮小gdZdP 大氣靜力學(xué)基本方程 gdzdp gdzdp 物 理 意 義 高度差為 的兩高度上的壓力差應(yīng)等于兩高度之間單位截面積上的空氣柱所受的重力 dz氣壓隨高度遞減的快慢程度與空氣密度和重力加速度

3、有關(guān)。由于重力加速度隨高度變化的數(shù)值一般很小，所以氣壓隨高度遞減的快慢主要決定于空氣密度。 在實(shí)際的大氣中，下層密度大，氣壓隨高度減小得快；上層密度小，氣壓隨高度減小得慢。 大氣靜力學(xué)基本方程的適用條件l推導(dǎo)靜力學(xué)方程的前提條件是假定大氣是靜止的，即靜力學(xué)方程是靜止大氣的理論方程，但除在有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)的地區(qū)外，其誤差僅有1，因而除了有對(duì)流運(yùn)動(dòng)的地區(qū)不能運(yùn)用外，其他地區(qū)均能利用此方程。l當(dāng)氣層不太厚和要求精度不高時(shí)，靜力學(xué)方程可以用來粗略地估算氣壓與高度間的定量關(guān)系，或者用于將地面氣壓訂正為海平面氣壓。 氣層高度變化范圍很大，空氣柱中上下層溫度、密度變化顯著，無法直接利用靜力學(xué)方程，需要采用適

4、合于較大范圍氣壓隨高度變化的關(guān)系式，即壓高方程。 （二）（氣）壓高（度）方程l 引 入 目 的 精確地獲得氣壓與高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因?yàn)閷?shí)際工作中的許多問題，如海平面氣壓訂正，野外工作中的氣壓測高等，都要在較大的高度范圍內(nèi)進(jìn)行壓高計(jì)算 l 方 法 將靜力學(xué)方程從氣層底部到頂部進(jìn)行積分 2121 zzpp gdzdp 任意兩個(gè)高度上的氣壓差等于這兩個(gè)高度間的單位截面積空氣柱的重量 2121 zzpp gdzdp 因?yàn)镽Tp（狀態(tài)方程） 2 121 zzpp dzRTgpdp 2112 zz dzRTgepp 通用形式的壓高方程 2112 zz dzRTgepp方 程 在 使 用 中 存 在 的 問

5、題：g、R、T均隨高度產(chǎn)生變化，積分困難氣 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) 忽略重力加速度的變化和水汽的影響，假定氣溫不隨高度發(fā)生變化，得到等溫大氣（溫度不隨高度的變化而變化的大氣）的壓高公式2112 lg)2731(18400 PPtZZ m氣層平均溫度利用等溫大氣壓高公式實(shí)際大氣大氣的厚度和高度時(shí)存在的問題：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t m，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。 等溫大氣壓高公式的用途l根據(jù)不同高度上的氣壓差

6、和氣柱的平均溫度，求這兩處之間的高度差。（氣壓測高原理）2112 lg)2731(18400 PPtZZ ml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）l由不同高度上的氣壓，求兩高度之間的氣柱的平均溫度。 二、氣壓隨時(shí)間的變化l氣壓：觀測高度到大氣上界單位截面積垂直空氣柱的重量l空氣柱的重量是其質(zhì)量和重力加速度的乘積l重力加速度通?？梢钥醋魇嵌ㄖ?，所以一個(gè)地方氣壓的變化決定于其上空氣柱質(zhì)量的變化（一）氣壓變化的原因 空氣柱質(zhì)量變化的因子l熱力因子：指溫度的升高或降低引起的體積膨脹或者收縮、密度的增大或減小以及伴隨的氣流福合或福散所造成的質(zhì)量增多或減少。l動(dòng)力因

7、子：大氣運(yùn)動(dòng)所引起的氣柱質(zhì)量的變化，可分為三種情況 空氣柱質(zhì)量變化的動(dòng)力原因1、 水 平 氣 流 的 輻 合 與 輻 散輻 合 與 輻 散 ： 由 于 空 氣 運(yùn) 動(dòng) 速度 的 不 均 勻 而 導(dǎo) 致 空 氣 質(zhì) 量 在某 些 區(qū) 域 堆 聚 或 流 散 的 現(xiàn) 象空氣都背著同一條線或同一點(diǎn)散開，而且前面的空氣速度快，后面的空氣速度慢，顯然這個(gè)區(qū)域的空氣質(zhì)點(diǎn)會(huì)逐漸向周圍流散，引起氣壓降低，這種現(xiàn)象稱為水平氣流輻散 空氣柱質(zhì)量變化的動(dòng)力原因1、 水 平 氣 流 的 輻 合 與 輻 散輻 合 與 輻 散 ： 由 于 空 氣 運(yùn) 動(dòng) 速度 的 不 均 勻 而 導(dǎo) 致 空 氣 質(zhì) 量 在某 些 區(qū) 域

8、 堆 聚 或 流 散 的 現(xiàn) 象空氣向著同一點(diǎn)或同一條線集聚，而且前面空氣質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度慢，后面運(yùn)動(dòng)速度快，結(jié)果這個(gè)區(qū)域里空氣質(zhì)點(diǎn)會(huì)逐漸聚積起來，引起氣壓升高，這種現(xiàn)象稱為水平氣流輻合 實(shí)際大氣中空氣質(zhì)點(diǎn)水平輻合、輻散的分布比較復(fù)雜 空氣柱質(zhì)量變化的動(dòng)力原因2、 不 同 密 度 氣 團(tuán) 的 移 動(dòng)不同密度的空氣交替會(huì)引起氣壓變化。性質(zhì)不同的氣團(tuán)，密度往往不同。如果移到某地的氣團(tuán)比原來氣團(tuán)密度大，則該地上空空氣柱中質(zhì)量會(huì)增多，氣壓隨之升高。反之該地氣壓就要降低。 冷空氣溫度低，密度大，其南下時(shí)會(huì)造成流經(jīng)之地氣壓明顯上升 夏季時(shí)暖濕氣流北上，引起流經(jīng)之處密度減小，地面氣壓下降 空氣柱質(zhì)量變化的動(dòng)力原

9、因3、 空 氣 垂 直 運(yùn) 動(dòng)當(dāng)空氣有垂直運(yùn)動(dòng)而空氣柱內(nèi)質(zhì)量沒有外流時(shí)，空氣柱中總質(zhì)量沒有改變，地面氣壓不會(huì)發(fā)生變化。但空氣柱中質(zhì)量的上下傳輸，可造成空氣柱中某一層次空氣質(zhì)量改變，從而引起氣壓變化。 二、氣壓隨時(shí)間的變化（二）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)出有規(guī)律的周期性波動(dòng)，明顯的是以日為周期的和以年為周期的波動(dòng)。1、 氣 壓 的 日 變 化 氣 壓 的 日 變 化 有 單 峰 、 雙 峰 和 三 峰 等 型 式 ， 其 中以 雙 峰 型 最 為 普 遍 。 其 特 點(diǎn) 是 一 天 有 一 個(gè) 最 高 值 ， 一個(gè) 次 高 值 ， 一 個(gè) 最 低 值 ， 一

10、 個(gè) 次 低 值 。 氣壓日變化的原因l與氣溫日變化有關(guān)l與潮汐有關(guān) 2、 氣 壓 的 年 變 化 氣 壓 的 年 變 化 是 以 年 為 周 期 的 波 動(dòng) 。 可 以 分 為 以下 三 種 類 型 ： （ 1） 大 陸 型 ： 一 年 中 氣 壓 最 高 值 出 現(xiàn) 在 冬 季 ， 最低 值 出 現(xiàn) 在 夏 季 ， 氣 壓 年 變 化 值 很 大 ， 并 由 低 緯 向 高緯 逐 漸 增 大 。 （ 2） 海 洋 型 ： 一 年 中 氣 壓 最 高 值 出 現(xiàn) 在 夏 季 ， 最 低值 出 現(xiàn) 在 冬 季 ， 氣 壓 年 較 差 小 于 同 緯 度 的 陸 地 。 （ 3） 高 山 型 ：

11、 一 年 中 氣 壓 的 最 高 值 出 現(xiàn) 在 夏 季 ， 最低 值 出 現(xiàn) 在 冬 季 。 （ 三 ） 氣 壓 的 非 周 期 性 變 化 氣 壓 的 非 周 期 性 變 化 是 指 氣 壓 的 變 化 不 存 在 固 定 周 期 的波 動(dòng) ， 它 是 氣 壓 系 統(tǒng) 移 動(dòng) 和 演 變 的 結(jié) 果 。 第二節(jié) 氣壓的空間分布?xì)鈮旱目臻g分布稱為氣壓場 一、氣壓場的表示方法（一）等壓線和等壓面1、等高面圖 等高面是空間高度相等的（平）面。在等高面圖上，各點(diǎn)氣壓值不同，所以 可以通過分析等壓線來了解空間氣壓分布情況。 等壓線：同一等高面上各氣壓相等點(diǎn)的連線。等壓線的形狀和疏密程度反映著水平方向

12、上氣壓的分布形勢。 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?，為類似地形一樣起伏不平的曲面?2、等壓面圖 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?，為類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 通常用等壓面圖上的等高線來表示等壓面附近的氣壓分布。 一、氣壓場的表示方法（二）位勢高度（重力位勢）位勢高度：將單位質(zhì)量的空氣從海平面（令其位勢等于零）抬升到任一高度Z時(shí)，克服重力所作的功，又稱為重力位勢，以J/kg為單位，簡稱為位勢。 在國際單位制中

13、，1位勢米定義為1空氣上升1米時(shí)，克服重力作了9.8J的功，也就是獲得了9.8J/kg位勢能，即1位勢米9.8J/kg 8.9 zgH 位勢米和幾何米的換算公式位勢高度重力加速度幾何高度位勢米是能量單位，幾何米是長度單位 二、氣壓場的基本型式 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

14、 槽 線輻 合 。 3、 高 壓等 壓 線 閉 合 ， 氣 壓 由 中 心 向 四 周 低 ， 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 兩 高 壓 區(qū)之 間 是 氣 流

15、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 1、 溫 壓 場 對(duì) 稱 的 系 統(tǒng)溫 壓 場 對(duì) 稱 的 系 統(tǒng) 指 氣 壓 系 統(tǒng) 的 高 、 低 壓 中 心 與 溫度 場 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

16、高 度 的 增 高 而 增 大 ， 冷 低 壓 隨高 度 逐 漸 增 強(qiáng) 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 越 小 ， 到 某 一 高 度 以 上 ， 等 壓 面

17、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 不 對(duì) 稱 系 統(tǒng) 指 地 面 的 高 、 低 壓 中 心 與 溫 度 場 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 、 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 。