大气科学概论：第3章3.3节气压随高度的变化 天气分析实例

1、第3章3.3节 气压随高度的变化和气压场气压随高度的变化和气压场 要点 压高公式一般表达形式的证明 两等压面之间的厚度与平均温度两等压面之间的厚度与平均温度T Tv v成正比，成正比， 温度越高，厚度越大。温度越高，厚度越大。 深厚系统和浅薄系统深厚系统和浅薄系统 气压场的基本形式气压场的基本形式 压高公式压高公式 将状态方程带入静力方程 gdzdp gdz TRp dp vd 1 由P1积分到P2，相应的高度由Z1积分到Z2，得 2 1 1 2 ln Z Z vdT R gdz p p 或 exp 2 1 12 Z Z vd dz TR g pp 这是一般形式的大气压高公式，它表明气压随 高

2、度呈指数规律递减 。 用位势高度H代替几何高度Z时，有 PdT g R HH P p v d ln 2 1 0 12 从上式可见，位势高度(压强)的变化取决 于虚温的垂直分布。 由于无法知道T随高度变化的解析表达式， 因而不可能对压高公式积分，因此，在实际 工作中，常对大气层作某些假定，使积分能 够进行，这些假定的模式气层有：均质大气、 等温大气、多元大气等。 vdT R P ln 00 g gz g H 均质（等密度）大气均质（等密度）大气 假定大气密度不随高度而变，对静力方程积分 ZP P gdzdp 0 2 1 gzPP z 0 PZ是Z高度上的气压，P0为海平面上的气压，在 PZ =0

3、的高度Zh称为均质大气高度。 g RT g P Z k 0若整个大气柱的大气密度 等于海平面上的大气密度 0 0 0 RT P 0 0 g RT H h 高度用位势米为单位，则上式为 当密度为常数时，对状态方程微商有 z T R z p 代入静力方程得 R g z T 所以，均质大气的温度递减率 gpmK R g z T h 100/42. 3 称为自动对流温度递减率 h 等温大气等温大气 大气的温度（或虚温）不随高度变化，称为等温大气 。 虽然整个大气层不可能是等温的，但把某一不太厚的气 层当作等温大气，并以平均气温代替实际温度分布，可 使问题简化。 PdT g R HH P p v d l

4、n 2 1 0 12 )(exp 1212 ZZ TR g PP vd )(exp 12 0 12 HH TR g PP vd 2 1 0 12 ln P P g TR HH vd 可见两等压面之间的厚度与平均温度可见两等压面之间的厚度与平均温度T Tv v成成 正比，温度越高，厚度越大。正比，温度越高，厚度越大。 exp 2 1 12 Z Z vd dz TR g pp 多元大气（等递减率大气） 假定气温或虚温递减率为常值，则气温或虚温 是高度的线性函数 HTT 0 HTT vv 0 带入静力方程，有 )ln( 0 0 0 0 HTd R g HT dH R g p dp v dvd 从P1

5、(H1)至P2(H2)积分 10 200 1 2 lnln HT HT R g p p v v d 设 101 HTT vv 1 1210 1 2 )( lnln v v d T HHT R g p p 10 200 1 2 lnln HT HT R g p p v v d 0 )(1 1 21 12 g R v d p pT HH d R g v v T HHT pp 0 1 121 12 )( 多元大气中气压随高度变化的大小与气温递减率有关，温度递减率越大，气 压随高度降低越快。当P20 时，（且H1=0),得多元大气高度 0v P T H 或 气压场 等压面 空间气压相等 的各点所组成

6、的面成为等压 面。 不同等高面 与某等压面 相交，可得 到许多交线， 这些交线就 是等压面上 的等高线。 不同等压面与某等高面相交可得到许多 交线，这些交线就是等高面上的等压线。 气压梯度 表示气压空间分布的不均匀程度 N N f fgradf 称为标量场f(x,y,z,t)的升度指向函数值增大的一 侧 N 为空间任一等f值曲面上任一点的法向单位矢 量 气压升度 N N P PgradP 气压升度与等压面垂直，并指向气压增 加的一侧，即沿升度方向气压增加最快。 气象上的气压梯度与方向上与升度相反。 即 P 气象上气压梯度的证明 kzyx z p kyxz z p PkyxPFZ )( Pk z

7、 p j y p i x p V F Fv )( i zyx x p Fx j zyx y p F y 一空气微团 受到的气压 梯度力 气压梯度为单位体积的气块受到的各个 方向环境空气的压力的合力。 Pk z p j y p i x p V F Fv )( 单位质量的空气微团受到的气压梯度力为G PG 1 气压梯度力 n n p j y p i x p P h )( 水平气压梯度 垂直气压梯度k z p 气象上也将温度、密度等气象要素的 ,T 称为温度梯度、密度梯度。 尽管水平气压梯度比垂直气压梯度小的 多，但它对空气水平运动的作用却是非 常重要的。 等压线间气压差值一定时，水平气压梯 度的大

8、小与等压线的疏密有关，等压线 越密，水平气压梯度越大。 气压场的基本形式 低压 高压 低压槽 高压脊 鞍形场 气压系统的垂直结构 由压高公式，对于一水平气压系统，当它的温度分布在水 平方向不均一时，可引起气压系统随高度而改变。 冷高压和暖低压为浅薄系统 PdT g R HH P p v d ln 2 1 0 12 实线为等压线，虚线为等温线 暖高压和冷低压为深厚系统 温压场不对称系统 PdT g R HH P p v d ln 2 1 0 12 气压的变化气压的变化 某地点的气压实质上等于该地单位面积上所承受铅 直空气柱的总重量。 各地气压的变化，实质上就是空气质量在地球上重 新分布的结果。 气压有日变化、季节变化、年际变化- 图：1000hPa 高度场 永久性和半永久永久性和半永久 性性(季节性季节性)大气大气 活动中心活动中心 7 Jan 7 Jul 500hPa和和200hPa 环流形势图环流