气象学基础第五章 大气压力
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气象学基础第五章 大气压力
地球大气时时刻刻都在运动……
垂
直
水平运动（风）
（ 对
流
运
动
）
空气的运动使不同地区、不同高度间的热量和水分得以传输和 交换，使不同性质的空气得以相互接近、相互作用，直接影响 着天气、气候的形成和演变
空气运动的原因：大气压力分布的不均匀（气压梯度力）
第一节 气压随高度和时 间的变化
（2）海洋型：一年中气压最高值 出现在夏季，最低 值 出现在冬季，气压年较差小于同纬度的陆地。
（3）高山型：一年中气压的最高值出现在夏季，最 低值出现在冬季。
（三）气压的非周期性变化
气压的非周期性变化是指气压的变化不存在固定周期的 波动，它是气压系统移动和演变的结果。
第二节 气压的空间分布
气压的空间分布称为气压场
等温大气压高公式的用途
根据不同高度上的气压
差和气柱的平均温度， 求这两处之间的高度差。
Z2Z1184(10 20 tm7)l3gP P1 2
（气压测高原理）
根据某高度的气压值和 气柱的平均温度，推算 另一高度的气压值。 （海平面气压订正）
由不同高度上的气压， 求两高度之间的气柱的 平均温度。
3、高压 等压线闭合，气压由中心向四周低，气流自中心向 四周顺时针辐散的地区，高压又称反气旋。
4、高压脊 是高压在某一方向的延伸部分，高压脊中，等压线 曲率最大处各点的连线称脊线，气流自脊线向两侧 辐散。
5、鞍型场 由两两相对排列的高、低压区组成的气压系统，其 空间等压面形似马鞍，故得此名。鞍型场两高压区 之间是气流的辐合地带。
动力因子：大气运动所引起的气柱质量的变化， 可分为三种情况
空气柱质量变化的动力原因
1、水平气流的辐合与辐散
辐合与辐散：由于空气运动速 度的不均匀而导致空气质量在 某些区域堆聚或流散的现象
空气都背着同一条线或同一点散开， 而且前面的空气速度快，后面的空气 速度慢，显然这个区域的空气质点会 逐渐向周围流散，引起气压降低，这 种现象称为水平气流辐散
2、等压面图
等压面指空间气压相等的各点组成的曲面（因为同一 高度上各地的气压不相同），为类似地形一样起伏不 平的曲面。
等压面是曲面的原因：下垫面性质的差异、水平方向 上温度分布和动力条件的不均匀，所以同一高度上各 地的气压不一样
通常用等压面图上的等高线来表示等压面附近的气压 分布。
一、气压场的表示方法
气层平均 温度
Z2Z1184(10 20 tm7)l3gP P1 2
利用等温大气压高公式实际大气大气的厚度和高度时 存在的问题：实际大气并非等温大气
解决办法：将实际大气划分为许多薄层，每一薄层可以看作是等温 的，求出每一薄层的tm，然后分别计算各薄层的厚度，最后把各薄 层的厚度求和便是实际大气的厚度。
一、气压场的表示方法
（一）等压线和等压面
1、等高面图 等高面是空间高度相等的（平）面。在等高面图上， 各点气压值不同，所以 可以通过分析等压线来了解 空间气压分布情况。
等压线：同一等高面上各气压相等点的连线。等压 线的形状和疏密程度反映着水平方向上气压的分布 形势。
等压面指空间气压相等的各点组成的曲面（因为同一 高度上各地的气压不相同），为类似地形一样起伏不 平的曲面。
二、气压随时间的变化
（一）气压变化的原因
气压：观测高度到大气上界单位截面积垂直空 气柱的重量
空气柱的重量是其质量和重力加速度的乘积 重力加速度通常可以看作是定值，所以一个地
方气压的变化决定于其上空气柱质量的变化
空气柱质量变化的因子
热力因子：指温度的升高或降低引起的体积膨 胀或者收缩、密度的增大或减小以及伴随的气 流福合或福散所造成的质量增多或减少。
1、气压的日变化 气压的日变化有单峰、双峰和三峰等型式，其中
以双峰型最为普遍。其特点是一天有一个最高值，一 个次高值，一个最低值，一个次低值。
气压日变化的原因
与气温日变化有关 与潮汐有关
2、气压的年变化
气压的年变化是以年为周期的波动。可以分为以 下三种类型：
（1）大陆型：一年中气压最高值 出现在冬季，最 低值出现在夏季，气压年变化值很大，并由低纬向高 纬逐渐增大。
位势米和几何米的换算公式
位势 高度
H g z 9.8
几何 高度
重力加 速度
位势米是能量单位，几何米 是长度单位
二、气压场的基本型式
1、低压 等压线闭合，气压自四周向中心递减，气流自四周 逆时针向中心辐合的地区。低压又称为气旋。
2、低压槽 是低压向某一方向延伸的部分，低压槽中等压线曲 率最大处各点连线称槽线，气流自槽线两侧向槽线 辐合。
空气柱质量变化的动力原因
2、不同密度气团的移动
不同密度的空气交替会引起气压变化。性质不同的气 团，密度往往不同。如果移到某地的气团比原来气团 密度大，则该地上空空气柱中质量会增多，气压随之 升高。反之该地气压就要降低。
冷空气温度低，密度大，其南下时会造成流经之地气 压明显上升
夏季时暖湿气流北上，引起流经之处密度减小，地面 气压下降
一、气压随高度的变化
气压（大气压力） 静止大气中任意高度上的 气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重 量，也是从观测高度到大气上界单位截面积垂 直空气柱的重量。
PMg/A
固定地点气压变化的原因 空气柱质量产生变 化，空气柱厚度和密度改变都可能造成空气柱 质量改变。
任何地方的气压值总 是随海拔高度的增高 而递减
方法 将静力学方程从气层底部到顶部进行积 分
p2 dp z2 gdz
p1
z1
任意两个高度上的气压 差等于这两个高度间的 单位截面积空气柱的重 量
因为 pz1
通用形式的 压高方程
p2 dp z2 g dz
p p1
z1 RT
z2
g
dz
RT
在实际的大气中，下层密度大，气压随高度减小得快；上 层密度小，气压随高度减小得慢。
大气静力学基本方程的适用条件
推导静力学方程的前提条件是假定大气是静止 的，即静力学方程是静止大气的理论方程，但 除在有强烈的对流运动的地区外，其误差仅有 1％，因而除了有对流运动的地区不能运用外， 其他地区均能利用此方程。
空气柱质量变化的动力原因
1、水平气流的辐合与辐散
辐合与辐散：由于空气运动速 度的不均匀而导致空气质量在 某些区域堆聚或流散的现象
空气向着同一点或同一条线集聚，而 且前面空气质点运动速度慢，后面运 动速度快，结果这个区域里空气质点 会逐渐聚积起来，引起气压升高，这 种现象称为水平气流辐合
实际大气中空气质点水平辐合、辐散的分布比较复杂 ……
由于大气密度随高度并非 均匀分布，这导致了在不 同的高度上变化相同高度， 气压值变化不一样。大气 低层密度大，因而气压随 高度变化大；大气高层密 度小，因为气压随高度变 化小
（一）静力学方程
作用：描述空气密度大小与气压随高度变化的 定量关系
假设 大气相对于地面处于静 止状态
P 2 P 1 P g ( Z 2 Z 1 ) g Z
空气柱质量变化的动力原因
3、空气垂直运动
当空气有垂直运动而空气柱内质量没有外流时，空气 柱中总质量没有改变，地面气压不会发生变化。但空 气柱中质量的上下传输，可造成空气柱中某一层次空 气质量改变，从而引起气压变化。
二、气压随时间的变化
（二）气压的周期性变化
气压的周期性变化是指在气压随时间变化的曲线上呈 现出有规律的周期性波动，明显的是以日为周期的和 以年为周期的波动。
高空常见的气压系统
高空气压系统比低空气压系统相对简单，大多呈现沿纬向 （即东西向）的平直或波状等高线，有时也有闭合系统如 切断低压、阻塞高压
三、气压系统的空间结构
1、温压场对称的系统 温压场对称的系统指气压系统的高、低压中心与温 度场的冷暖中心重合的系统。包括深厚系统和浅薄 系统两类。
（1）深厚系统 有冷低压和暖高压两种系统。 冷低压：低压中心与低温中心重合。其空间结构特 征为：等压面坡度随高度的增高而增大，冷低压随 高度逐渐增强
冷高压：高压中心与低温中心重合，冷高压随高度 减弱，在一定高度以上消失，出现冷低压
（二）温压场不对称系统
指地面的高、低压中心与温度场的冷暖中心配置不相重 合的系统。系统的中心轴线不铅直，而发生倾斜。地面低压 中心轴线随高度升高不断向冷区倾斜，高压中心轴线随高度 升高不断向暖区倾斜。北半球中高纬度的冷空气多从西北方 向移来、因而低压中心轴线常常向西北方向倾斜；高压的西 南侧比较暖和，高压中心轴线多向西南方向倾斜。
p2 p1e z1
z2
g
dz
RT
p2 p1e z1
气压随高度的增加按指数规律递减
方程在使用中存在的问题：g、R、T均随高度
产生变化，积分困难
解决方法：根据实际情况做某些特定假设
忽略重力加速度的变化和水汽的影响，假定气温不随 高度发生变化，得到等温大气（温度不随高度的变化 而变化的大气）的压高公式
暖高压：高压中心与高温中心重合。其空间结构特征 是：等压面坡度随高度的增高而增大，暖高压随高度 逐渐增强
（2）浅薄系统
有暖低压和冷高压两种系统。
暖低压：低压中心与高温中心重合。暖低压的空间结 构是：随高度的增高等压面坡度减小，低压中心下凹 的程度越来越小，到某一高度以上，等压面反而隆起 ，暖低压随高度减弱，在一定高度以上消失，而出现 暖高压
当气层不太厚和要求精度不高时，静力学方程 可以用来粗略地估算气压与高度间的定量关系， 或者用于将地面气压订正为海平面气压。
气层高度变化范围很大，空气柱中上下 层温度、密度变化显著，无法直接利用 静力学方程，需要采用适合于较大范围 气压随高度变化的关系式，即压高方程。
（二）（气）压高（度）方程
引入目的 精确地获得气压与高度的对应关系， 因为实际工作中的许多问题，如海平面气压订 正，野外工作中的气压测高等，都要在较大的 高度范围内进行压高计算
气压随高度的 增加而降低
P 2 P 1 P g ( Z 2 Z 1 ) g Z
dP
如果空气柱取得非常薄，则 Z 趋向无穷小
dPgdZ
大气静力学 基本方程
dp g
dz
dp g
dz
物理意义 高度差为dz 的两高度上的压力差应等于两高
度之间单位截面积上的空气柱所受的重力
气压随高度递减的快慢程度与空气密度和重力加速度有关。 由于重力加速度随高度变化的数值一般很小，所以气压随 高度递减的快慢主要决定于空气密度。
（二）位势高度（重力位势）
位势高度：将单位质量的空气从海平面（令其位势等 于零）抬升到任一高度Z时，克服重力所作的功，又称 为重力位势，以J/kg为单位，简称为位势。
在国际单位制中，1位势米定义为1㎏空气上升1米时， 克服重力作了9.8J的功，也就是获得了9.8J/kg位势能， 即
1位势米＝9.8J/kg
地球大气时时刻刻都在运动……
垂
直
水平运动（风）
（ 对
流
运
动
）
空气的运动使不同地区、不同高度间的热量和水分得以传输和 交换，使不同性质的空气得以相互接近、相互作用，直接影响 着天气、气候的形成和演变
空气运动的原因：大气压力分布的不均匀（气压梯度力）
第一节 气压随高度和时 间的变化
（2）海洋型：一年中气压最高值 出现在夏季，最低 值 出现在冬季，气压年较差小于同纬度的陆地。
（3）高山型：一年中气压的最高值出现在夏季，最 低值出现在冬季。
（三）气压的非周期性变化
气压的非周期性变化是指气压的变化不存在固定周期的 波动，它是气压系统移动和演变的结果。
第二节 气压的空间分布
气压的空间分布称为气压场
等温大气压高公式的用途
根据不同高度上的气压
差和气柱的平均温度， 求这两处之间的高度差。
Z2Z1184(10 20 tm7)l3gP P1 2
（气压测高原理）
根据某高度的气压值和 气柱的平均温度，推算 另一高度的气压值。 （海平面气压订正）
由不同高度上的气压， 求两高度之间的气柱的 平均温度。
3、高压 等压线闭合，气压由中心向四周低，气流自中心向 四周顺时针辐散的地区，高压又称反气旋。
4、高压脊 是高压在某一方向的延伸部分，高压脊中，等压线 曲率最大处各点的连线称脊线，气流自脊线向两侧 辐散。
5、鞍型场 由两两相对排列的高、低压区组成的气压系统，其 空间等压面形似马鞍，故得此名。鞍型场两高压区 之间是气流的辐合地带。
动力因子：大气运动所引起的气柱质量的变化， 可分为三种情况
空气柱质量变化的动力原因
1、水平气流的辐合与辐散
辐合与辐散：由于空气运动速 度的不均匀而导致空气质量在 某些区域堆聚或流散的现象
空气都背着同一条线或同一点散开， 而且前面的空气速度快，后面的空气 速度慢，显然这个区域的空气质点会 逐渐向周围流散，引起气压降低，这 种现象称为水平气流辐散
2、等压面图
等压面指空间气压相等的各点组成的曲面（因为同一 高度上各地的气压不相同），为类似地形一样起伏不 平的曲面。
等压面是曲面的原因：下垫面性质的差异、水平方向 上温度分布和动力条件的不均匀，所以同一高度上各 地的气压不一样
通常用等压面图上的等高线来表示等压面附近的气压 分布。
一、气压场的表示方法
气层平均 温度
Z2Z1184(10 20 tm7)l3gP P1 2
利用等温大气压高公式实际大气大气的厚度和高度时 存在的问题：实际大气并非等温大气
解决办法：将实际大气划分为许多薄层，每一薄层可以看作是等温 的，求出每一薄层的tm，然后分别计算各薄层的厚度，最后把各薄 层的厚度求和便是实际大气的厚度。
一、气压场的表示方法
（一）等压线和等压面
1、等高面图 等高面是空间高度相等的（平）面。在等高面图上， 各点气压值不同，所以 可以通过分析等压线来了解 空间气压分布情况。
等压线：同一等高面上各气压相等点的连线。等压 线的形状和疏密程度反映着水平方向上气压的分布 形势。
等压面指空间气压相等的各点组成的曲面（因为同一 高度上各地的气压不相同），为类似地形一样起伏不 平的曲面。
二、气压随时间的变化
（一）气压变化的原因
气压：观测高度到大气上界单位截面积垂直空 气柱的重量
空气柱的重量是其质量和重力加速度的乘积 重力加速度通常可以看作是定值，所以一个地
方气压的变化决定于其上空气柱质量的变化
空气柱质量变化的因子
热力因子：指温度的升高或降低引起的体积膨 胀或者收缩、密度的增大或减小以及伴随的气 流福合或福散所造成的质量增多或减少。
1、气压的日变化 气压的日变化有单峰、双峰和三峰等型式，其中
以双峰型最为普遍。其特点是一天有一个最高值，一 个次高值，一个最低值，一个次低值。
气压日变化的原因
与气温日变化有关 与潮汐有关
2、气压的年变化
气压的年变化是以年为周期的波动。可以分为以 下三种类型：
（1）大陆型：一年中气压最高值 出现在冬季，最 低值出现在夏季，气压年变化值很大，并由低纬向高 纬逐渐增大。
位势米和几何米的换算公式
位势 高度
H g z 9.8
几何 高度
重力加 速度
位势米是能量单位，几何米 是长度单位
二、气压场的基本型式
1、低压 等压线闭合，气压自四周向中心递减，气流自四周 逆时针向中心辐合的地区。低压又称为气旋。
2、低压槽 是低压向某一方向延伸的部分，低压槽中等压线曲 率最大处各点连线称槽线，气流自槽线两侧向槽线 辐合。
空气柱质量变化的动力原因
2、不同密度气团的移动
不同密度的空气交替会引起气压变化。性质不同的气 团，密度往往不同。如果移到某地的气团比原来气团 密度大，则该地上空空气柱中质量会增多，气压随之 升高。反之该地气压就要降低。
冷空气温度低，密度大，其南下时会造成流经之地气 压明显上升
夏季时暖湿气流北上，引起流经之处密度减小，地面 气压下降
一、气压随高度的变化
气压（大气压力） 静止大气中任意高度上的 气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重 量，也是从观测高度到大气上界单位截面积垂 直空气柱的重量。
PMg/A
固定地点气压变化的原因 空气柱质量产生变 化，空气柱厚度和密度改变都可能造成空气柱 质量改变。
任何地方的气压值总 是随海拔高度的增高 而递减
方法 将静力学方程从气层底部到顶部进行积 分
p2 dp z2 gdz
p1
z1
任意两个高度上的气压 差等于这两个高度间的 单位截面积空气柱的重 量
因为 pz1
通用形式的 压高方程
p2 dp z2 g dz
p p1
z1 RT
z2
g
dz
RT
在实际的大气中，下层密度大，气压随高度减小得快；上 层密度小，气压随高度减小得慢。
大气静力学基本方程的适用条件
推导静力学方程的前提条件是假定大气是静止 的，即静力学方程是静止大气的理论方程，但 除在有强烈的对流运动的地区外，其误差仅有 1％，因而除了有对流运动的地区不能运用外， 其他地区均能利用此方程。
空气柱质量变化的动力原因
1、水平气流的辐合与辐散
辐合与辐散：由于空气运动速 度的不均匀而导致空气质量在 某些区域堆聚或流散的现象
空气向着同一点或同一条线集聚，而 且前面空气质点运动速度慢，后面运 动速度快，结果这个区域里空气质点 会逐渐聚积起来，引起气压升高，这 种现象称为水平气流辐合
实际大气中空气质点水平辐合、辐散的分布比较复杂 ……
由于大气密度随高度并非 均匀分布，这导致了在不 同的高度上变化相同高度， 气压值变化不一样。大气 低层密度大，因而气压随 高度变化大；大气高层密 度小，因为气压随高度变 化小
（一）静力学方程
作用：描述空气密度大小与气压随高度变化的 定量关系
假设 大气相对于地面处于静 止状态
P 2 P 1 P g ( Z 2 Z 1 ) g Z
空气柱质量变化的动力原因
3、空气垂直运动
当空气有垂直运动而空气柱内质量没有外流时，空气 柱中总质量没有改变，地面气压不会发生变化。但空 气柱中质量的上下传输，可造成空气柱中某一层次空 气质量改变，从而引起气压变化。
二、气压随时间的变化
（二）气压的周期性变化
气压的周期性变化是指在气压随时间变化的曲线上呈 现出有规律的周期性波动，明显的是以日为周期的和 以年为周期的波动。
高空常见的气压系统
高空气压系统比低空气压系统相对简单，大多呈现沿纬向 （即东西向）的平直或波状等高线，有时也有闭合系统如 切断低压、阻塞高压
三、气压系统的空间结构
1、温压场对称的系统 温压场对称的系统指气压系统的高、低压中心与温 度场的冷暖中心重合的系统。包括深厚系统和浅薄 系统两类。
（1）深厚系统 有冷低压和暖高压两种系统。 冷低压：低压中心与低温中心重合。其空间结构特 征为：等压面坡度随高度的增高而增大，冷低压随 高度逐渐增强
冷高压：高压中心与低温中心重合，冷高压随高度 减弱，在一定高度以上消失，出现冷低压
（二）温压场不对称系统
指地面的高、低压中心与温度场的冷暖中心配置不相重 合的系统。系统的中心轴线不铅直，而发生倾斜。地面低压 中心轴线随高度升高不断向冷区倾斜，高压中心轴线随高度 升高不断向暖区倾斜。北半球中高纬度的冷空气多从西北方 向移来、因而低压中心轴线常常向西北方向倾斜；高压的西 南侧比较暖和，高压中心轴线多向西南方向倾斜。
p2 p1e z1
z2
g
dz
RT
p2 p1e z1
气压随高度的增加按指数规律递减
方程在使用中存在的问题：g、R、T均随高度
产生变化，积分困难
解决方法：根据实际情况做某些特定假设
忽略重力加速度的变化和水汽的影响，假定气温不随 高度发生变化，得到等温大气（温度不随高度的变化 而变化的大气）的压高公式
暖高压：高压中心与高温中心重合。其空间结构特征 是：等压面坡度随高度的增高而增大，暖高压随高度 逐渐增强
（2）浅薄系统
有暖低压和冷高压两种系统。
暖低压：低压中心与高温中心重合。暖低压的空间结 构是：随高度的增高等压面坡度减小，低压中心下凹 的程度越来越小，到某一高度以上，等压面反而隆起 ，暖低压随高度减弱，在一定高度以上消失，而出现 暖高压
当气层不太厚和要求精度不高时，静力学方程 可以用来粗略地估算气压与高度间的定量关系， 或者用于将地面气压订正为海平面气压。
气层高度变化范围很大，空气柱中上下 层温度、密度变化显著，无法直接利用 静力学方程，需要采用适合于较大范围 气压随高度变化的关系式，即压高方程。
（二）（气）压高（度）方程
引入目的 精确地获得气压与高度的对应关系， 因为实际工作中的许多问题，如海平面气压订 正，野外工作中的气压测高等，都要在较大的 高度范围内进行压高计算
气压随高度的 增加而降低
P 2 P 1 P g ( Z 2 Z 1 ) g Z
dP
如果空气柱取得非常薄，则 Z 趋向无穷小
dPgdZ
大气静力学 基本方程
dp g
dz
dp g
dz
物理意义 高度差为dz 的两高度上的压力差应等于两高
度之间单位截面积上的空气柱所受的重力
气压随高度递减的快慢程度与空气密度和重力加速度有关。 由于重力加速度随高度变化的数值一般很小，所以气压随 高度递减的快慢主要决定于空气密度。
（二）位势高度（重力位势）
位势高度：将单位质量的空气从海平面（令其位势等 于零）抬升到任一高度Z时，克服重力所作的功，又称 为重力位势，以J/kg为单位，简称为位势。
在国际单位制中，1位势米定义为1㎏空气上升1米时， 克服重力作了9.8J的功，也就是获得了9.8J/kg位势能， 即
1位势米＝9.8J/kg