气压及其单位

气压及其单位气压及其单位 在任何表面上 由于大气的重量所产生的压力 也就是单位面积上所受到的力 叫做 大气压 其数值等于从单位底面积向上 一直延伸到大气上界的垂直气柱的总重量 气压 是重要的气象要素之一 在物理学上压力和压强不是一个概念 用铅笔尖在手指上 会出现一个小坑 用未削 过的铅笔压手 则不会出现小坑 这是为什么 中间有一个面积问题 铅笔尖面积小 铅 笔头面积大 压强是单位面积上所受的压力 平时我们所说的大气压 实际上指的是大气 压强 只不过省略了 强 字 既然大气压指的是单位面积上所随的大气柱的重量 那么 大气柱有多重呢 大气柱 的重量是不能直接测量到的 所以人们就用水银柱的重量来计算大气柱的重量 这个水银 柱的重量是与大气柱的重量相平衡的 此实验是意大利科学家托里拆利在 1644 年作出来的 托里拆利在一根约 1 米长的一端封口的玻璃管里注满水银 把开口的一端用姆指按住管口 倒立在水银槽中 当手指放开以后 管里的水银下降下 但降到 760 毫米的地方就不再下 降 这就是大气压支持着水银柱的缘故 水银气压表就是根据这个原理来测量气压的 在气象工作中通用的气压单位有毫米和毫巴两种 1 毫米 mm 是用水银柱高度来表示气压高低的单位 例如 气压为 760mm 表示 当时的大气压强与 760mm 高的水银柱所产生的压强相等 2 毫巴 mb 用单位面积上所受水银柱压力大小来表示气压高低的单位 物理学上 压强的单位是用 巴 表示的 每一平方厘米面积上受到一达因的力 称为一巴 在气象 上 嫌这个单位太小 取 1 000 000 达因 平方厘米为 1 巴 以巴的千分之一作为气压的单位 称为 1 毫巴 即 1 巴 1000 毫巴 1 毫巴 1000 达因 厘米 2 因此 1 毫巴表示在 1 平方厘米面积上受到 1000 达因的力 例如 气压为 1000mb 表 示当时大气柱在每平方厘米面积上的力有 1 000 000 达因 达因是力的单位 在厘米 克 秒制中 它代表作用于一克质量的物体上 使物体以 1cm 秒 2 的速度发生运动的力 达因是很小的一个力 夏天我们看到的蚂蚁叼着小小的草 梗所付出的力 就有 100 达因 可见 一达因的力之小了 毫米与毫巴可以相互换算 根据压强与水银柱高度的关系式 P 压强 h 水银柱高度 d 水银在 0 时的密度 气压为水银柱高度 1 毫米 0 1 厘米 13 596 克重 厘米 3 1 3596 克重 厘米 2 在纬度 45 的海平面上 1 克重 980 6 达因 故 1 毫米 1 3596 980 6 1333 22 达因 厘米 2 1 33322 毫巴 3 4 毫巴 根据这个关系 气压为 760 毫米时相当于 1013 25 毫巴 这个气压值称为一个标准大气 压 气压随高度的变化气压随高度的变化 某地的气压值 等于该地单位面积上大气柱的重量 高度愈高 压在其上的空气柱愈短 气压也就愈低 因此 气压总是随着高度的增加而降低的 在海平面的大气压大 约 760mm 而在 5 5 公里的高空气压大约是 380mm 这就是 登山运动员在攀登高峰时 愈接近顶峰 愈感到呼吸困难 的道理 一般在低层大气中 上升相同距离气压降低的数 值大 而在高层大气中 降低的数值小 据实测 在近地 面层中 高度每升高 100 米 气压平均降低约 9 5mm 水银柱 高 在高层则小于这个数值 空气密度大的地方 气压随高 度降低得快些 空气密度小的地方则相反 请看表 气压差和高度差的关系气压差和高度差的关系 气压 毫巴 10101000900800700600500400 相应高度 米 01001 000 2 000 3 000 4 000 5 500 7 200 高度差 米 10 511 212 213 315 016 919 523 3 气压随高度变化示意图气压随高度变化示意图 气压随时间的变化气压随时间的变化 任何地方的气压都在随着时间的不同而改变 气压的这种变化既包含气压的周期性变 化 也包含气压的非周期性变化 所谓气压的周期性变化 是指气压随时间的改变而呈现 规律性波动 比如气压在一昼夜之内的日变化情况 一天中总有一个最高值 出现在上午 9 10 点 之后气压开始下降 到下午 15 16点时出现一天气压的最低值 以后气压又开 始缓慢上升 到 21 22 点再现一天中气压的次高值 次日凌晨 3 4 点则出现次低值 气压在一年之内的季节变化情况也属于周期性的变化 这种气压的年变化以中纬度地 区最为明显 所谓气压的非周期性变化 是指气压变化不存在固定的周期 实际的气压变化是这两 种变化因素综合作用的结果 但这两种变化所起的作用不等 在任何情况下 必有一种变 化是主要的 如热带地区 气压的周期性变化较明显 中纬度地区 气压的非周期性变化 较大 然而这种情况也不是固定的 有时双方还会互相转化的 气压场气压场 地表面气压的分布情况称为气压场 在空间范围内的气压分布情况为空间气压场 某 一水平面的气压分布情况称为水平气压场 了解气压场的基本型式和空间结构 对于进行 天气预报是一个非常重要的依据 等压线和等高面等压线和等高面 表示水平面气压场的情况通常是用等压线 气压相等的各点的连线 称为等压线 将同一 时刻各个气象台 站所观测到的海平面气压值 填在一张海平面高度的地图上 然后用平滑的 曲线把气压相等的点连结起来 就可用等压线 的不同形式表示海平面的气压分布状况 这种地图 画有同一高度的等压线 称为等高面 图 图上等压线分布的不同形式 表示气压分布的不同特点 等压线平直还是弯曲 表示 气压分布简单还是复杂 等压线的排列方向 表示气压分布的方向 等压线呈东西向 表 示气压沿纬向分布 呈南北向 表示气压沿经向分布 等压线闭合 表示气压分布出出高 低压中心 等压线疏密 表示水平方向上气压差异的程度 利用等高面图 就可分析同一水平面上气压分布的状况 可以判别气压高 低的所在 位置 并可进行比较找出差异 为研究大气的运动打下基础 等压线和等高面等压线和等高面 表示水平面气压场的情况通常是用等压线 气压相等的各点的连线 称为等压线 将同一 时刻各个气象台 站所观测到的海平面气压值 填在一张海平面高度的地图上 然后用平滑的 曲线把气压相等的点连结起来 就可用等压线 的不同形式表示海平面的气压分布状况 这种地图 画有同一高度的等压线 称为等高面 图 图上等压线分布的不同形式 表示气压分布的不同特点 等压线平直还是弯曲 表示 气压分布简单还是复杂 等压线的排列方向 表示气压分布的方向 等压线呈东西向 表 示气压沿纬向分布 呈南北向 表示气压沿经向分布 等压线闭合 表示气压分布出出高 低压中心 等压线疏密 表示水平方向上气压差异的程度 利用等高面图 就可分析同一水平面上气压分布的状况 可以判别气压高 低的所在 位置 并可进行比较找出差异 为研究大气的运动打下基础 等压面和等高面的关系等压面和等高面的关系 等压面和邻近等高面的关系 由于等压面上各点的高度不同 因而 等压面是曲面 在等压面上取 A B C 三点 显而易见 这三点气压相同 而高度不等 A 点最高 B 点次 之 C 点最低 将此三点投射至邻近的等高面上 得出相应的 A B C 三点 这三点 高度相同 而气压不等 A 点气压最高 B 次之 C 点最低 将二者联系起来 可以看 出 在等压面上高度最高的地方 正是它邻近等高面上气压最高的地方 高度最低的地方 正是它邻近等高面上气压最低的地方 由于在高空测气压比测高度方便 所以高空的气压 分布可用等压面上的高度分布来表示 即用画有等高线的等压面图来表示 与地形等高线图 相似 等高线是指同一等压面上高度相等的各点的连线 等高线的分布就表示了空间气压场 的状况 与等压线分布起着相同的作用 将同一时间各个台站的某一高空等压面的高度填 在一张地图上 画出等高线 则称为等压面图 它可以表示高空某一等压面上的气压分布 状况 目前气象台所绘制的高空图 就是等压面图 常用的等压面有 850 毫巴 700 毫巴 和 500 毫巴等 等压面的高度单位等压面的高度单位 位势米位势米 等高线的数值是高度单位 但不是几何高度 而是位势高度 所谓位势高度 就是把 单位质量的物体从海平面上升到某高度时克服重力所作的功来表示的高度 其单位是位势 米 我国从 1950 年 1 月 1 日开始使用位势米这个高度单位 现在广播电台所说的 500mb 毫巴 等压面的位势高度是指 500mb 等压面距海平面的位势 500mb 高度为什么不用 几何高度 而用位势高度表示 这是因为天气学理论主要是建立在流体力学和热力学基础 上的 用位势高度表示在计算上有很多方便 其实 几何高度 Z 和位势高度 h 在数值上相 差不大但概念上完全不同 一个是长度单位 一个是能量单位 位势米 H 当重力加速度 g 9 8 米 秒 2 时 使单位质量物体抬升 1 米的高度克服重力 所消耗的功 在米 公斤 秒制中 1 位势米 mgh 1 公斤 9 8 米 秒 2 1 米 9 8 焦耳 1 位势什米 10 位势米 上述位势米条件是在 45 纬度海平面处 但重力加速度 g 是随高度和纬度而变化的 重力加速度在上升 10 千米大约减小 0 03 米 秒 2 看表 重力加速度 g 在不同纬度海平面 的变化 重力加速度重力加速度 g g 在不同纬度海平面的变化在不同纬度海平面的变化 纬度90 极地 45 0 赤道 G 米 秒 2 9 839 89 78 因此 g1 几何米 在纬度低于 45 的 低纬地区 位势米大于几何米 g 9 8 米 秒 2 时 完成 1 位势米的功抬升高度相当于 1 几何米 位势米 几何米 g 9 8 米 秒 2 完成 1 位势米的功抬升高度 1 几何米 在高纬度地区位势米小于几 何米 位势米 H 和几何米 z 之关系 1 位势米 9 8 焦耳 单位质量物质在任意纬度抬升意高度时 则为 9 8 H g z H g z 9 8 由上式可看出 以位势米为单位的位势高度和以米为单位的几何高度意义完全不同 前者是能量的一种单位 后者仅为高度单位 但在数学上虽有差别 但差别很小 可忽略 不计 气压场基本型式气压场基本型式 由于各处各地的气压高低不同 而且还时刻在变化变化所以在等高面图和等面图上所 反映出来的气压场型式也是多种多样的 如果略去细小差别 抓住普遍性的东西 便可概 括出如图中的几种基本型式 1 低气压 简称低压 其等压线闭合 中心气 压低 向外逐渐增高 空间等压面向下凹 形如盆地 2 高气压 简称高压 其等压线闭合 中心气 压高 向外 逐渐减低 空间等压面向上凸形状 形似 山丘 3 低压槽 简称槽 是低压向外伸出 的狭长部分 或一组未闭合的等压线向气 压较高的方突出的部分 在槽中 各等压 线弯曲最大处的连线叫槽线 气压沿槽线 最低 向两边递增 槽的尖端 可以指向各个 方向 但在北半球中纬度地区大多指向南方 因此 尖端指向北的称为倒槽 指向东西的称 为横槽 槽附近的空间等压面类似山谷 4 高压脊 简称脊 是高压向外伸出的狭长 部分 或一组未闭合的等压线向气压较低的方 突出的部分 在脊中 各等压线弯曲最大处的 连线叫脊线 气压沿脊线最高 向两边递减 脊附 近的空间等压面 类似山脊 5 鞍形气压区 简称鞍部 是两个低压与两个 高压交错组成的中间区域 其附近空间等压面形如 马鞍 上述几种气压场的基本型式 统称为地面气压 系统 在不同的气压系统中 天气情况是不同的 例如 在低气压区 由于气流的辐合上 升 容易造成云和降水 在高压区内 由于空气下沉辐散 一般天气晴好 所以 预报这 些气压系统的移动与演变 是预报天气的重要内容 四个气压带的形成四个气压带的形成 我们已知地球上不同纬度地区所得到的太阳辐射是不同的 因而气温的高低也随纬度 而变化 同时气压也跟着变化 辐射越强 气温越高 辐射越弱 气温越低 纬度越低 气温越高 纬度越高 气温越低 气温越低 气压越高 气温越高 气压越低 大气总是由气压高的地方 吹向气压低的地方 从而在地球上形成不同的气压带和风 带 1 赤道低气压带 在赤道及其两侧 是太阳高度角最大的地带 这里受太阳光热最多 地面增温也高 接近地面的空气受热膨胀上升 空气减少 气压降低 这样在南北纬 5 之间的地区 就形成了一个低气压带一赤道低气压带 2 副热带高气压带 由赤道低气压带上升的气流 由于气温随高度而降低 空气渐重 在距地面 4 8 公里处大量聚集 转向南北方向扩散运动 同时还受重力影响 故气流边前 进 边下沉 各在南北纬 30 附近沉到近地面 使低空空气增多 气压升高 形成了南北 两个副热带高气压带 它是因为空气聚积 由动力原因形成的 属暖性高压 3 极地高气压带 在地球南北两极及其附近是纬度最高的地区 这里的太阳高度角最 小 接受的太阳光热也最少 终年低温 空气冷重下沉 地面空气多 气压较高 形成南 北两个极地高气压带 它是由热力原因形成的冷高压 为了区别以上两个高压 需要指出在一般条件下 气温高的地方 因近地面大气受热 膨胀 到高空堆积起来 使高空空气密度增大 那里的气压比同一水平面上周围的气压都 高 形成高气压 于是空气便从高气压向周围气压低的地方扩散 这样气温高的地方 空 气质量就减少了 地面上随承受的压力就减低 形成低气压 气温低的地方空气收缩下沉 高空空气密度减小 形成低气压 这是周围的空气就会来补充 使气温低的地方空气柱的 大气质量增多 地面气压因而增高 成为高气压 所以近地面空气受热 气压下降 空气 冷却 气压升高 高空气压的高低与地面气压经常是相反的 因为气温高的地方 空气上 升后在高空堆积 密度增大 形成高压 气温低的地方 空气下降后 在高空密度减小形 成低压 这是由于热力原因形成空气中的高压和低压 4 副极地低气压带 这个气压带在南北纬 60 附近 由于这个地带处于副热带高气 压带和极地高气压带之间 是一个相对的低压带 这样 在假设不自转的地球上 就形成了上述的四个气压带 地球是在一刻也不停地自转和公转着 因此 在上述七个气压带的形成过程中就伴随 着空气的运动 而空气运动的方向总是从高压指向低压 因为大气是紧紧围绕着地球表面 大气在从高压区流向低压区的运动过程中 同时也随着地球一同自西向东转动着 这样大 气还要受到一个由于地球自转而产生的力的影响 这个力就是地球自转偏向力 它在北半 球总是使运动着的大气向右偏斜 在南半球总是向左偏斜 这样 风的运动方向就不是正 直的由高压指向低压 而是在北半球发生了右偏 北风变成了东北风 南半球发生了左偏 南风变成了东南风 活动中心的形成活动中心的形成 由于地球表面的不均匀 使得气压带和风带不那么完整 发生了破裂 特别是地球表 面上辽阔的大陆和浩瀚