大气科学概论(第五大气压力1)市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

第三章

大气压力

第1页

大气压力是指单位面积上直至大气上界整个空气柱重量。

气压是大气科学中一个极其主要物理量，它分布和改变与大气运动及天气情况有亲密关系。

人们早就发觉，

气压降低时，普通多阴雨；

气压升高时，普通天气转好。

(气压表曾被成为晴雨表)

第2页低雨晴地面高第3页

观察表明:

气压值总是随着海拔高度增高而减小。

低层气压降低数值大于高层。

普通海平面气压值在980—1040hpa之间变动。第4页

确定与气压随高度改变定量关系，普通是应用静力学方程和压高方程。

3.1大气静力学方程和气压－高度公式

3.1.1大气静力学方程

大气在垂直方向上受到重力和垂直气压梯度力作用到达平衡时，称为流体静力平衡状态。

通常情况下，空气垂直加速度<10-3m/s2,比重力加速度小一万倍。所以说，在垂直方向，实际大气能够看成处于流体静力平衡状态，有强对流地域除外。

第5页

大气静力学方程反应在流体静力平衡状态时，气压、温度与高度关系。

一、大气静力学方程

假设大气在水平方向压强、温度、湿度改变都很小，等压面、等温面近于水平，且空气无水平运动。

厚度为dz单位截面积空气柱受力如图：第6页

若大气处于流体静力平衡状态，则协力为零：

将m=ρdz代入上式，整理得：

因为ρ是正值，所以气压总是随高度递减。

第7页

因为大气在水平方向分布均匀，在一定范围内能够认为P=P(Z),

则上式能够写出大气静力学方程主要形式方程说明：气压随高度递减快慢取决于密度（ρ）和重力加速度（g）改变。重力加速度随高度改变量普通很小，因而气压随高度递减快慢主要决定于空气密度。第8页

因为气象观察不直接测量密度，利用湿空气状态方程得流体静力平衡状态时，气压、温度与高度关系：第9页二、垂直气压梯度和单位气压高度差

当高度改变不太大时，气压改变快慢能够用垂直气压梯度和单位气压高度差来表示。

垂直气压梯度GZ是指每升高（或降低）单位距离，气压降低（或增大）数值。单位：hpa/100m

负号表垂直气柱中气压随高度升高而降低第10页

单位气压高度差h是指在垂直方向上，气压每降低（或升高）1hpa时，需要升高（或降低）高度。单位：m/hpa

（α=1/273,tv是摄氏温度）练习1：在0℃时，1000hpa,500hpa,100hpa处单位气压高度差h（气压阶）分别为多少？第11页

由公式可知：

Gz低层大气>Gz高层大气

Gz干冷空气>Gz暖湿空气

h高层大气>h低层大气

h暖湿空气>h干冷空气

所以，暖气团中气压比冷气团改变迟缓，

高层大气中气压比低层大气改变迟缓。第12页

3.1.2气压－高度公式

Gz、h只能定性判断气压改变快慢，要定量确定气压随高度关系最惯用压高公式。

将

由高度z1(P=P1)积分到高度z2(P=P2)：

第13页

因为在公式中，g和T都随高度而有变化，而且R因不一样高度上空气组成差异也会随高度而改变，因而进行积分是困难。因而积分要在假定条件下采取特殊解。这些特殊解即使不适合用于整个大气层，但却近似符合一些气层特征，仍有实用价值。第14页

一、等温大气压高方程

若大气层温度（虚温）不随高度改变，这么大气称为等温大气。

忽略重力加速度改变和水汽影响，并假定气温不随高度发生改变，此条件下压高方程，称为等温大气压高公式又称拉普拉斯压高方程。由在等温大气中，上式中T可视为常数，

第15页

对上式积分，将T换成t，自然对数换成惯用对数，并将g、R代入，

则上式变成气象上惯用等温大气压高方程：实际大气并非等温大气，所以应用上式计算实际大气厚度和高度时，必须将大气划分为许多薄层，求出每个薄层tm，然后分别计算各薄层厚度，最终把各薄层厚度求和便是实际大气厚度。第16页

说明：

普通说，在大气低层g随高度改变不大，但将此式应用到100km以上高层大气时，必须对g作纬度和高度订正。

当空气中水汽含量较多时，必须用虚温Tv代替式中气温T。

气层厚度不大时，用平均温度tm来代替t。

第17页

tm求法：1、已知上下两层空气气温t1,t2,则tm＝(t1＋t2)/22、已知测站气温t和前12小时气温t12,则tm＝1/2(t＋t12)+h/400

（h为测站海拔高度）第18页

下表是利用等温大气压高方程计算标准大气中气压与高度对应值。第19页

二、均质大气压高公式（自学）

假设大气密度不随高度改变，而是整层都保持海平面大气密度值，这就是等密度大气模式，称为均质大气。对

进行积分（0-Z，P0-P）

得第20页

令p=0,则均质大气顶为z=P0/ρg，说明均质大气高度是有限。

此时，均质大气高度称大气厚度Ｈ

Ｈ≈RdT0/g0≈8000m

均质大气密度不变，温度却是改变，大气垂直减温率Γ=3.42K/100m。均质大气是一个假设大气模式，在处理一些理论问题时有一定意义。第21页

三、多元大气压高公式（自学）

假设大气温度直减率（Γ）不随高度变化大气称多元大气。

其中，温度直减率（Γ）表示温度随高度改变值，即高度每升高100米，大气温度降低或升高数值。

第22页对

进行积分。

若取海平面气温为T0，于是任意高度Z处气温T=T0-ΓZ，令Z0=0，海平面气压为P0，任意高度Z上气压为Pz，

有

第23页

该式表示在多元大气中，气压随高度也是按指数规律递减。

实际大气与多元大气更为靠近,将上式变换一个形式，求Z：

第24页

取p=0,得多元大气上界高度

可见，T0确定后，多元大气上界高度取决于Γ：

等温大气：Γ=0，则zt→∞

均质大气：Γ=g/Rd=3.41℃/100m，T0=273K,zt≈8000m

多元大气：Γ=0.65℃/100m，T0=273K,

zt≈42Km实际上，等温大气和均质大气是多元大气一个特例。

第25页四、标准大气压高公式（自学）

实际大气状态空间分布是复杂，不过人们依据探测数据和理论计算，制订一个温度、气压、密度等大气特征垂直分布比较靠近实际大气平均情况大气模式，称为标准大气。

世界气象组织（wmo）对于标准大气定义：所谓标准大气，就是能够粗略反应出周年、中纬度情况，得到国际上认可，假定大气温度、气压和密度垂直分布。第26页

标准大气经典用途：

作为压力高度计校准、飞机性能计算、飞机和火箭设计、弹道制表和气象制图基准。

假定：标准大气服从使温度、压力和密度与位势高度发生关系理想气体定律和流体静力学方程。在一个时期内，只能要求一个标准大气，这个标准大气，除相隔多年做修正外，不允许经常变动。第27页

自19以来，国际上增出现过各种标准大气模式。现在最具权威模式是1976年美国标准大气。

我国国家标准总局要求，在建立我国自己标准大气之前，可使用1976年美国标准大气，取其30km以下部分作为国家标准(p39)，压高公式为：

11km以下为多元大气，Γ=0.65℃/100m

第28页

11km到20km为等温大气，

20km-30km为多元大气，Γ=-0.1℃/100m见p41例题3.2，公式中Z为位势米。第29页五、压高公式应用

压高公式应用广泛，在气象工作中普通最常用是等温大气压高公式(拉普拉斯压高公式)。

其中温度t多用气柱平均温度tm代替。因为不考虑Rd和g改变，所以压高公式中含有五个物理量P1,P2,t(或tm),Z2，Z1，假如已知其中四个量，则可计算另一未知量。

压高公式在气象工作中应用有:第30页