第四章大气静力学气象学山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.1大气静力学多项式和气压-高度公式通常海平面气压值在980-之间，低压中心（如强台风）高于，高压中心1020-。观测表明，随海拔高度的降低，气压值按指数降低，如在海拔10km高处的气压值只有海平面气压的25%左右；我国青藏高原平均海拔4000米，地面平均气压仅约为。为何？山东分院大气科学专业基础知识班SYW山东分院大气科学专业基础知识班SYW山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.1.1、大气静力学多项式大气静力学基本多项式反映在重力作用下，大气处于静力平衡状态时气压随高度的变化规律。所谓大气静力平衡状态指大气在垂直方向上遭到重力和垂直气压梯度力的作用达平衡时状态。对单位截面积的静止大气受力剖析，具体剖析见右图山东分院大气科学专业基础知识班SYW单位截面积空气柱遭到向下的压力为：单位截面积空气柱遭到向上的重力为：当向下的压力和向上的重力达到平衡时，合力为零，有：单位质量空气块的重力单位质量空气块遭到的垂直气压梯度力福建分院大气科学专业基础知识班SYW变型大气静力学多项式其他方式意义：1、当时,，即气压随高度的降低而降低。
2、由于重力加速度变化很小，所以气压随高度降低的快慢主要决定于密度。在大气中，上层密度大，气压随高度降低得快；下层密度小，气压随高度降低得慢。3、将大气静力学多项式从任意高度Z积分到大气下界，则得：此式表示任意高度处的气压等于从该高度向下到大气下界的单位截面积垂直空气柱所受的重力（重量）。山东分院大气科学专业基础知识班SYW大气静力学等式适用条件：1、大气静止或匀速垂直运动时是完全正确的；2、实际大气中，因为空气的垂直加速度比重力加速度小4个量级，故能挺好创立，即近似适用；3、垂直运动强烈的积云环区不适用；云南分院大气科学专业基础知识班SYW借助大气静力学多项式恐怕大气质量及其垂直分布1、先求单位截面积上空气柱的质量。（空气柱的下界面是海平面，取无限远处为大气下界）2、利用静力学等式及大气下界处气压为零的条件3、g取常数9.8及海平面处p0=云南分院大气科学专业基础知识班SYW因为g随高度降低，因而以上计算的m0值比实际大气小4、设月球直径，则大气总质量m约为对于以等压面p1和p2为下下界面的气层，单位面积气柱的质量为：与整个空气柱质量相比，这一段气柱质量所占比率为：山东分院大气科学专业基础知识班SYW高度(km)气压(hPa)226.411.970.81.8m/m0（%）77.698.899.9299.9991、对流层内（11km）集中了约80%左右质量的大气；2、平流层（50km）以下气层集中了几乎全部的大气质量；3、这个长度（50km）和月球直径（）相比是相当粗浅。
因而大气似乎是月球的一层薄壳,却是月球生命赖以生存的保障。云南分院大气科学专业基础知识班SYW垂直气压梯度，又叫单位高度气压差气温℃气压（百帕）－4014.687.341.47012.526.261.25＋4010.92－－1、低层大气（P）气压随高度降低得快2、干冷空气（TV）比暖湿空气中气压随高度降低得快垂直气压梯度Gz（单位高度气压差）云南分院大气科学专业基础知识班SYW单位气压高度差（h）单位气压高度差（垂直气压梯度倒数）：在垂直空气柱中，每改变单位气压（一般为1hPa）所需上升或升高的高度，又叫气压阶，用h表示；推论：在同样的气温下，高空（16km）处单位气压高度差（h）约为地面值的10倍。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.1.2气压——高度公式通过对静力学基本多项式与湿空气状态多项式，从气层顶部到底部进行积分得到压高公式。1、实际大气即使处于不断运动中，但从大范围来看，垂直方向上基本处于流体静力平衡状态，故较适用，且有相当高的精度；2、对于局部强对流（暴雨狂风、冰雹、龙卷风和局部强降雨），压高公式不再适用。3、使用上式时，一般将g作为常数处理，须要考虑虚温随高度的分布，云南分院大气科学专业基础知识班SYW山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.1.3大气高程（H）大气高程表示气压、密度随高度的变化趋势。
气压高程密度高程山东分院大气科学专业基础知识班SYW山东分院大气科学专业基础知识班SYW1、气压高程就是使气压降低到到时所须要的高度增量；2、取大气底层虚温为273K，则大气高程为7990m，即简略计算，8km左右的实际大气的气压和密度大概地面上的1/e，即0.37倍；3、对于大气高层，如100km以上的大气非匀和层，因为二氧化碳各成份的比列发生变化，摩尔质量发生变化，大气高程变化。具体点，重的二氧化碳，即摩尔质量大，大气高程小，其分浮力比轻的二氧化碳随高度降低的快，彰显重力分离作用。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.2.1等温大气若大气层的虚温（或湿度）不随高度变化，称为等温大气。从等温大气的表达式知，两等压面之间虚温（或平均虚温）越大，长度越大。4.2大气模式山东分院大气科学专业基础知识班SYW写成对数方式1、等温大气的浮力和密度随高度成指数增长，且浮力高程和密度高程相等；2、当高度趋于无穷大时，气压和密度无限趋近于零但不等于零，故等温大气没有下界。拉普拉斯压高多项式山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.2.2多元大气定义：多元大气是指温度（或虚温）是高度的线性函数的大气层。也就是说，多元大气的气温直减率为常数。
设海平面的虚温为，任意高度处的虚温为：在多元大气的下界（即气压为0处）其高度为：故多元大气是有下界的。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.2.3均质大气定义：假定大气密度不随高度变化，而是整层都保持其海平面密度值，这就是等密度大气模式，称为“均质大气”。1、均质大气气压随高度线性减少，且降低得很快；2、均质大气有下界；3、均质大气底部的气温为0K，分子停止运动4、均质大气高度和大气低层气压高程式很相像，一般觉得均质大气高度近似为8km。（T0为下垫面的温度）云南分院大气科学专业基础知识班SYW均质大气密度不变，但气温仍随高度降低，按照静力学多项式和状态多项式可知：称为手动对流减温率，大气减温率超过34.2K/km，空气密度将随高度降低，造成大气不稳定而手动发生对流；实际大气是极少达到这个降温率的，除非在有激烈地面增温的贴基岩内。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.3气压-位势高度公式山东分院大气科学专业基础知识班SYW采用位势米之后，位势高度与浮力的关系只取决于虚温的垂直分布。山东分院大气科学专业基础知识班SYW补充部份：高空等压面填图格式山东分院大气科学专业基础知识班SYW1、等压面图上148、152线，约相当海波高度1500米山东分院大气科学专业基础知识班SYW2、等压面图上308、312线，约相当海波高度3000米山东分院大气科学专业基础知识班SYW3、等压面图上588、584线，约相当海波高度5500米山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.4标准大气世界气象组织WMO对于标准大气的定义是：1“……所谓标准大气，就是能简略反映出华诞、中经度状况的，得到国际上承认的，假设的大气湿度、压力和密度的垂直分布。
2它的典型用途是作为压力高度计校正、飞机性能估算、飞机和灰熊设计、弹道制表和气象制图的基准。3假设空气服从使气温、压力和密度与位势发生关系的理想二氧化碳定理和流体静力学多项式。4在一个时期内，只能规定一个标准大气，这个标准大气，除相隔多年做修正外，不容许时常变动。我国国家标准总局规定，在构建我们自己的标准大气之前，可使用1976年日本标准大气，取其30km以下部份作为国家标准。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.4.1海平面大气的部份特点值海平面大气的部份特点值P0(Pa)T0(K)ρ0(kg/m³)g0(m/s²)Hp(m)Md(kg/kmol)μ0(kg/(ms))ν0(m²/s).151.22509..528.96441.7984×10⁻⁵1.4607×10⁻⁵μ0是动力黏度；ν0是运动黏度山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.4.2气象要素场的垂直分布特点3.4.2.186km高度以下1、在以下，大气的气温随高度增加（-6.5K/gpkm）。2、11-为等温层。3、20-气温逐步上升，其中以下，1.0K/gpkm；以上，2.8K/gpkm。
4、47-处有一极大值为270.65K，在这高度以上气温又逐步增长（-2.8K/gpkm），在86-91km处达极小值，气温只有186.87K；5、91km以上气温又随高度很快降低；山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5气压的时空分布大气浮力在三维空间的分布称为空间气压场。描述空间气压场的方式是：地面采用海平面等压线图，高空采用一组等压面图。等压面即空间内气压相等的点组成的曲面。海平面等压线图实质上就是海平面与等压面相交的一组交线图。平均紊流和平均气压场是互相配合的，故可依据海平面气压场图及高空的等压面图，讨论不同高度大气的平均运动状况，因而气压场是很重要的气象场。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.1气压场的基本型式剖析气压场常常采用等压面、等压线和气压梯度的概念。（1）等压面气压相等的点所组成的空间曲面称为等压面。A对于空间某一固定点，在一定时刻，只能有一个气压值，因而等压面与等压面不能相交。B由于同一时刻，在同一高度上的气压值不都是一样的，所以等压面并不是等高面，它是起伏不平的，空间任一部份等压面对水平面来说一般是呈倾斜状态的。C因为气压是随高度增加的，所以下层等压面的气压值总是大于上层等压面的气压值。
青海分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.1气压场的基本型式（2）等压线等压面与某一平面相交所构成的交线称为等压线。诸如等压面簇与垂直剖面相交，就构成等压面的垂直剖面图。由垂直剖面图中等压线的分布情况，可以看出在所选范围内气压随高度的变化情况。气压随高度上升？山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.1气压场的基本型式（2）等压线等压面与某一平面相交所构成的交线称为等压线。若等压面簇与某一等高面相交，就构成等压面的水平剖面图。由水平剖面图上等压线的分布情况，可以看出气压在水平方向上的变化情况（这就是日常业务的必须工作）。在同一条等压线上气压数值是相等的，所以等压线也不相交。山东分院大气科学专业基础知识班SYW（3）气压梯度水平气压梯度（1~3hPa/赤道度）垂直气压梯度（1hPa/10m）气压梯度是指垂直于等压面，由高压指向低压单位距离内气压的改变量。它是水平气压梯度和垂直（铅直）气压梯度的合成。气压梯度的化学意义是因为空间气压分布不均匀而作用于单位容积空气上的力。气压梯度的单位一般用百帕/赤道度表示，1赤道度等于赤道上纬度相差1度时的纬圈厚度，其值约为111千米。水平气压梯度约为1-3百帕/赤道度，垂直气压梯度在大气低层可达1百帕/10米，即铅直气压梯度要比水平气压梯度大一万倍左右，并且，水平气压梯度其实很小，其对大气运动的影响却是不可忽略的。
（主剖析水平气压场）4.5.1气压场的基本型式山东分院大气科学专业基础知识班SYW•气压梯度的大小.等压线稀疏，单位距离内气压差别小(气压梯度小)等压线密集，单位距离内气压差别大(气压梯度大)•水平等压线越密集，水平气压梯度愈大，风力越大。（3）气压梯度4.5.1气压场的基本型式山东分院大气科学专业基础知识班年10月25日14时海平面气压场广东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.1气压场的基本型式（4）海平面气压线图在天气剖析中所采用的等高面图，是等压面簇与某一等位势高度面相交，在等位势高度面上得到许多条等压线，将这种等压线投影到一张特制的地图（称为天气图底图）上而得到的。在这些图上可以看出在这一高度上气压的分布情况。等高面图也就是水平剖面图。假如等位势高度面取为海平面，便得到一张海平面气压图。即地面气压图。实际业务中，地面天气图是把同一时刻各测站的海平面气压值填到一张空白的地形图上，把气压相等的点用平滑的曲线联接上去，构成许多条等压线，相邻两条等压线之间的差值是2.5百帕或5百帕。这就产生了海平面等压线图，也就是零位等位势高度面图，即地面气压实况图。
（见右图）广东分院大气科学专业基础知识班SYW山东分院大气科学专业基础知识班SYW（5）等压面图某一等压面与一簇等位势高度面相交，在等压面上可得到许多条等位势高度线，将那些等位势高度线（简称等高线）投影到天气底图上，就得到一张等压面图。在等压面图上，等高线愈密集的地方，水平位势梯度愈大。实际工作中，等压面图是把同一时刻各地探空报告中某一等压面的位势高度记录在天气底图上，之后将位势高度相等的点连成等高线，一般使用的有850、700、500、300、200百帕（hPa）的等压面图。4.5.1气压场的基本型式云南分院大气科学专业基础知识班SYW等压面隆起部份相对应的是一组闭合等高线构成的高值区域，高度值由中心向外递减；等压面下凹部位相对应的是一组闭合等高线构成的低值区域，高度值由中心向外递增。云南分院大气科学专业基础知识班SYW云南分院大气科学专业基础知识班SYW云南分院大气科学专业基础知识班SYW云南分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.1气压场的基本型式（6）气压场的基本型式•低气压（简称低压）低气压又称气旋，它是由中心气压（或位势）比四周低的一簇闭合等压线（或等高线）所组成。其附近空间等压面是向上凹的。
•高气压（简称高压）高气压又称反气旋，它是由中心气压（或位势）比四周高的一簇闭合等压线（或等高线）所组成。其附近空间等压面是向下隆起的。山东分院大气科学专业基础知识班SYW低压槽（简称槽）低压槽是低压延伸开来的细长区域。在槽中各等压线曲率最大的点的连线称为槽线。在槽附近的空间等压面类似地形中的山谷。高压脊（简称脊）高压脊是高压延伸开来的细长区域。在脊中各等压线曲率最大的点的连线称为脊线。在高压脊附近的空间等压面类似地形中的山脊。4.5.1气压场的基本型式（6）气压场的基本型式山东分院大气科学专业基础知识班SYW•鞍形气压区（简称鞍）鞍型气压区是由两高压和两低压交错相对的中间区域。其附近空间等压面形如马鞍。4.5.1气压场的基本型式（6）气压场的基本型式气压场的几种基本方式山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.1气压系统随高度的变化气压系统具有三维空间结构，并且高空的高气压或低气压并不对应着地面的高气压或低气压；或当某市地面为高压（或低压）控制时，到高空是否仍为高压（低压）系统，与哪些有关？气压随高度的变化（地面高低压系统垂直结构的改变）与气温场的配置有关。深厚系统：暖高压、冷低压；狭隘系统：冷高压、暖低压山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.2气压系统随高度的变化暖高压（如副高）冷低压（西北冷涡）深厚系统酷寒空气比暖湿空气中气压随高度降低得快热胀冷缩深厚系统：在静力平衡条件下，当温压场对称时，依据气温场的配置，随高度降低，从低空到高空气压系统保持不变，均为高压或低压。
青海分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.2气压系统随高度的变化狭隘系统暖低压冷高压狭隘系统：在静力平衡条件下，当温压场对称时，依据气温场的配置大气压强随高度的变化，随高度降低，从低空到高空气压系统发生变化，地面为高压，高空为低压或地面为低压，高空为高压。酷寒空气比暖湿空气中气压随高度降低得快热胀冷缩山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.2气压系统随高度的变化暖高压冷冷低压暖假如地面的气压中心和湿度中心不重合，则气压系统的轴线都会倾斜，低压中心随高度降低向冷区倾斜；高压中心随高度降低向暖区倾斜。云南分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.3全球海平面气压分布特点（1）海平面气压随经度分布如图是全球海平面气压和风随经度的平均分布示意图，它表示对流层低层大气运动的通常特点。可知：地面上南、北半球都有4个气压带和3个风带。分别是赤道低气压带、副温带高气压带、副极地低气压带和极地高气压带；低纬信风（西南、东南）、中经度西风、极地东风。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.3全球海平面气压分布特点（1）海平面气压随经度分布北半球低纬环流立体图赤道北纬30度赤道受热，空气膨胀上升，近地面产生低压高空北上气流右偏成东北风南风到北纬30度上空偏转成西风，气流难以北上在此堆积北纬30度产生高压近地面气流右偏成西南风被迫下沉山东分院大气科学专业基础知识班SYW赤道附近是一个低压带，即赤道低压带（俗称温带辐合带、赤道无风带）。
赤道低压带的产生和赤道地区的低温有关。低温造成空气密度降低并有气流的辐合上升运动，故常伴随有云带和降雨。副温带高压（简称副高）带坐落南北纬30°-50°附近，气压最高。副极地低压带在60°-70°处，气压最低。极地区域因高温而形成狭隘（？）的高压区，称为极地高压区。山东分院大气科学专业基础知识班SYW信风带坐落赤道低压带和副温带高压（简称副高）之间。信风是从副温带高压吹向赤道低压带的兴起风，由于月球自转的作用，北半球风神往右偏，称为西北信风；南半球风神往左偏，称为西北信风。信风是由于在其所及地区，在每年的一定时期必定出现而得名。因为古时侯商人常利用信风来往于各大洲，故信风又称为“贸易风（trade）”。山东分院大气科学专业基础知识班SYW西风带坐落副温带高压带（简称副高）和副极地低压带之间。但北半球的这个经度地区有大范围陆地存在，海陆热力性质的差别形成了海陆季风，再加上副极地低压常有变化，因而西风带仅在夏季的海洋比较显著。在南半球，西风带持续存在，不但由于这个经度带陆地很少，但是因为北极洲的冰层高原产生一个极好的地形屏障大气压强随高度的变化，以便气流围绕着它运动。山东分院大气科学专业基础知识班SYW山东分院大气科学专业基础知识班SYW极地东风带坐落在副极地低压到极地高压之间。
在北半球，由于北冰洋上并不总是一个高压，因而这个东风带也是常有变化的。低纬信风带、中纬西风带和极地东风带抢占全球范围，常合称为“行星风带”。山东分院大气科学专业基础知识班SYW赤道低压带副温带高压带副温带高压带副极地低压带副极地低压带极地高压带极地高压带西北信风兴起西风极地东风西北信风兴起西风极地东风山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.3全球海平面气压分布特点（2）海平面气压场水平分布实际情况是，因为月球表面并不是均匀的，即海陆分布、地形起伏等诱因的影响，大气环流比上述情况要复杂得多。气压在水平方向并非呈纬向的带状分布，而是出现许多闭合的气压系统，即所谓的大气活动中心。这种活动中心有的常年存在，称为永久性活动中心，有的有明显的季节性变化，称为半永久性活动中心。山东分院大气科学专业基础知识班SYW澳大利亚低压阿留申低压西伯利亚高压1月份海平面等压线分布纽西兰高压剖析一月份海平面平均气压场，可知北半球夏季，台湾上出现了两个高压，分别是西伯利亚高压（或突厥高压），其次为俄罗斯高压。海洋上有两大低压，分别是阿留申低压和澳大利亚低压山东分院大气科学专业基础知识班SYW美国低压太平洋高压大西洋高压7月份海平面等压线分布北半球冬季，海洋上被两个强悍的副温带高压控制，即太平洋高压和大西洋高压。
欧亚台湾被大低压控制，平均低压中心在南亚台湾，称为美国低压；北美也是一个低压区，但硬度较弱。山东分院大气科学专业基础知识班SYW欧洲台湾北太平洋清华西洋1月突厥高压阿留申低压澳大利亚低压7月俄罗斯低压关岛高压亚速尔高压4.5.3全球海平面气压分布特点（2）海平面气压场水平分布山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.3全球海平面气压分布特点（2）海平面气压场水平分布南半球因为洋面宽广，陆面很小，下垫面性质比较均匀，气压的纬向分布特征比较显著。中高经度等压线沿纬圈环绕北极；低压中心大多在北极台湾边沿的海洋上；副温带高压在30°S附近，呈环状分布。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.3全球海平面气压分布特点（2）海平面气压场水平分布中国整体情况：我国处于欧洲中西部，海平面气压受季节的影响极为显著，春季我国东北部台湾时常为强悍的西伯利亚高压所控制，冷空气不断南下，因而影响到整个中国内地和沿海。所以就平均状况而言，春季我国海平面气压梯度方向从东北指向东南，等压线迈向大致与海岸线平行，梯度比较大。夏天情况则与上不同，东南台湾上为低压所控制，太平洋上的副温带高压北上，导致水平气压梯度方向由西北指向西南。
另外夏天内陆地区联通性、地方性的活动中心系统不断出现。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.3全球海平面气压分布特点（2）高空等压面图高空整体理论剖析如：因为海洋、大陆以及高原等复杂地形的影响随高度的降低而渐渐减少。在以上的各等压面图上，总的轮廓是存在一个中心坐落极地的、笼罩整个半球的、宽广的大气旋（即极涡）。除经度极低的区域外，高空大部份地区是西风占优势。这个特征在的等压面上很显著，且夏季极涡强而夏天弱。北半球夏季高经度上有3个大低压槽：东亚大槽、北美大槽和法国浅槽；在槽之间是3个弱高压脊。夏天西风环流明显减小，低槽数量增至4个。低经度的副温带高压春季较弱，位置偏南；夏天很强，位置偏北。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.3全球海平面气压分布特点（2）高空等压面图北半球对流层中层平均高度场（1月）北半球，在温暖的低纬和赤道上空是高压带；在高压带和极涡之间是以极地为中心的纬向北风带，西风带上有大尺度的槽脊波动。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.3全球海平面气压分布特点（2）高空等压面图北半球对流层中层平均高度场（7月）广东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.4气压随时间的变化气压变化的缘由：某市气压的变化，实质上是该地上空空气柱重量降低或减少的反映，而空气柱的重量是其质量和重力加速度的乘积。
重力加速度一般为定值，故某市上空空气柱质量降低，气压就下降或质量降低，气压就升高。而质量的变化主要是热力和动力因子导致。（1）热力因子指气温的下降或增加导致的容积膨胀或收缩、密度的减小或减少以及伴随的大气辐合或辐散所引起的质量增多或减轻。（2）动力因子指大气运动造成的气柱质量的变化。分为水平气流的辐合和辐散、不同密度气团的联通、空气的垂直运动三种类型。云南分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.4气压随时间的变化1、水平气流的辐合与辐散空气运动的方向和速率常不一致。方向相同，速率不同；方向不同，速率相同；方向和速率都不同结果，导致空气质量的堆积或则流散。水平气流的辐散山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.4气压随时间的变化水平气流的辐合实际大气中空气质点水平辐合、辐散比较复杂，因此某一地点气压的变化要依整个气柱是辐合占优势还是辐散占优势而定。山东分院大气科学专业基础知识班SYW4.5.4气压随时间的变化2、不同密度气团的联通即冷暖平流冷平流：气压下降，比如，秋季冷空气南下暖平流：气压增加，比如，夏天暖湿空气北上河北分院大气科学专业基础知识班SYW
