1.定义大气压强简称气压,指观测高度到大气上界单位面积上铅直空气柱的重量。
测量气压的仪器通常有水银气压表和空盒气压计两种。气压的单位曾经用毫米(mm)水银柱高度来表示,但国际单位制用帕斯卡(Pa)来表示,简称“帕”,气象学上常用百帕(hPa)。1百帕是1平方厘米面积上受到1000达因力时的压强值,即
1hPa=1000dyn·cm-2
而1Pa=1N·m-2,即1帕等于每平方米受力1牛顿。百帕与过去曾使用的毫巴(mb)单位相当。气象学上曾规定,把温度为0℃时、纬度为45度的海平面的气压作为标准大气压,称为1个大气压。其值为760mm水银柱高,或相当于1013.25hPa。在标准情况下,
1mmHg=1.33hPa (8-2)
由此得到mmHg与hPa间的换算关系
1hPa近似地相当于1cm静压水位。地面气压值在980hPa~1040hPa之间变动,平均1013hPa。随着高度增加,气压值按指数减少,离地面10km处的气压值只有地面的25%。
由于地表的非均一性及动力、热力等因子的影响,使实际大气压并不呈简单的纬向分布。根据各地气象台观测到的海平面气压值,在地图上用等压线勾画出高、低气压的分布区域,就是水平气压场。图8—3是一张示意图。气压场中一般可分为低气压、高气压、低压槽、高压脊及鞍形等区域。
2.大气静力方程 大气的密度随高度的增加而减小,气压亦然。大气又处于不停的运动中,既有水平运动,也有铅直运动。由于大气铅直运动的加速度比重力加速度的数值小数个量级,就每一薄层大气来说,可以认为它受到重力与铅直方向的气压梯度力相平衡,即处于静力平衡状态。
研究一个厚为dz的单位截面积空气块(图8-4),假设空气无水平运动,只在铅直方向受到重力和气体压力的作用,那么空气块在铅直方向所受重力
(8—4)式就是大气静力方程。由于大气在水平方向气压分布相对均匀,100km内才有1hPa的气压差,而在近地面气层中,铅直方向每升高8m,气压就减少1hPa,因而在一定范围内可以认为p=p(z),则静力方程可以写成
在实际大气中,除有强烈对流运动的地区外,静力方程都成立。该方程具有极广泛的用途。
3.重力位势天气分析中,通常在等压面上分析高度场,但这种高度场不是几何高度场,而是位势高度场。
习惯上以位势高度H表示重力位势的大小,定义
式中g0=9.80665,它不再表示重力加速度,而只是一个数值。H的单位是gpm(位势米),1gpm相当于9.80665J/kg的重力位势。所以g0可以看做是重力位势与位势高度之间的换算因子。位势高度与几何高度在量值上十分接近,但其意义却截然不同。