第一节 气 压
一、气压的定义和单位
1、定义
大气压强的简称。从观测高度到大气上界单位面积垂直空气柱的重量。
2、单位
（1）长度单位
由于气压通常用水银气压表来测定，故常用mm或cm汞柱作为气压单位，另外，国际上规定，温度为0℃时，纬度45º的海平面上，水银柱高为760mm作为一个标准大气压。
（2）压强单位
过去气压常用毫巴（mb）表示，
（3）国际单位
国际单位制中，压强单位为帕斯卡，现在普遍采用百帕。1hpa=100pa=1mb
气压在垂直方向上的分布是不均匀的，随海拔高度的增加，空气柱愈短，大气的密度愈小，所以气压就愈低。
二、气压场
天气变化是由大气运动造成的，而大气运动又是受气压系统决定的。
气压在水平面上的分布称为水平气压场。气压在三维空间的分布称为空间气压场。气压场上表现出的各种气压型式称为气压系统。不同的气压系统中有不同的天气特征，因而又常把气压系统称为天气系统。
气压场可用等高面上的等压线分布图和等压面上的等高线分布图表示。
（一）等压面和等压线
1、等压面
空间气压相等的点所组成的面叫等压面。因同一高度上各地气压不一样，所以等压面不是等高面，而是起伏不平的曲面，等压面的起伏形势与水平面上气压分布相对应。高压向上凸，低压向下凹。
2、等压线
等压面与等高面的交线，叫做等压线，也就是同一等高面上气压相等各点的连线，同一等高面与空间各等压面的交线，构成等高面图。从等高面图上，可以看出该等高面上气压的分布情况。
目前，我国气象台绘制的地面天气图，就是高度为零的海平面气压分布图。它是把同一时刻各测站的海平面气压绘在一张空白地图上，并把气压数值相等的各点用平滑的曲线连结起来，就得到该时刻的海平面气压分布图，也就是地面天气图。
（二）气压场的基本型式——气压系统
由于各地气压高低不一，而且还时刻变化着，所以在等高面图和等压面图上反映出来的气压型式是多种多样的。基本型式可概括为以下五种：
1、低压
中心气压低于四周的闭合等压线区，又叫气旋（cyclone）。低压是对气压场而言的，气旋是对流场而言的。其对应的空间等压面是下凹的，形如盆地。
2、低压槽
低压向外延伸出来的狭长区域或一组不闭合的等压线向气压高的一方突出的部分，低压槽中，各条等压线曲率最大处的连线称为槽线。其对应空间等压面形状类似狭长的山谷。
3、高压
中心气压高于四周的闭合等压线区，又叫反气旋。其对应的空间等压面是上凸的，形如山丘。
4、高压脊
高压向外延伸出来的狭长区域或一组不闭合的等压线向气压低的一方突出的部分， 高压脊中，各条等压线曲率最大处的连线称为脊线。其对应空间等压面形状类似狭长的山脊。
5、鞍形气压场
相对的两个高压和两个低压组成的中间区域。其对应空间等压面形状类似马鞍。
三、气压随高度的变化
大气中，气压与海拔高度之间有密切的关系，同一地点和同一时刻的气压与高度相对应，因此，常用气压来表示高度。一个地区的气压值经常有变化，变化的根本原因是其上空大气柱中空气质量的增多和减少。大气柱质量的增减又往往是大气柱厚度和密度改变的反映。当大气柱增厚、密度增大时，则空气质量增多，气压就升高。反之，气压则减少。因而，任何地方的气压值总是随着海拔高度的增加而递减。确定空气密度大小与气压随高度变化的定量关系，一般应用静力平衡方程。
（一）静力平衡方程
在空气中任取一微小气块，体积为dxdydz，设空气相对于地面处于静力平衡状态，水平方向上不受力的作用，铅直方向上受平衡力的作用。
设底面所受压强为P1，顶面为P2，则底面所受压力为F1=P1dxdy，顶面所受压力为F2=P2dxdy；气块所受重力为G=mg=ρvg=ρgdxdydz
所以F1=F2+G 即P1dxdy=P2dxdy+ρgdxdydz （P1-P2）=ρgdz
再设上下底面外界压力差为dp=P2-P1=-ρgdz，负号表示气压随高度增加而降低。
由此方程可见，P随z变化决定于空气ρ和g，由于g变化很小，所以主要决定于密度ρ。即密度大的气层，P随z增加而降低的快，密度小的气层，P随z增加而降低的慢。
（二）铅直气压梯度和气压阶
1、铅直气压梯度
由静力平衡方程可知：dp=-ρgdz 推出
铅直气压梯度：是指高度每变化单位距离气压的改变值。用hpa/100m或hpa/m来表示。
当气温不变时，垂直气压梯度随气压的增大而增大，当气压不变时，随气温的升高而减少。（因为气压高或气温低时，空气密度大）。
2、气压阶
单位气压高度差。它是铅直气压梯度的倒数，是气压每变化1hpa高度的改变值。用h表示。单位为米/百帕。
由上式可知，密度大的气层，h较小。同一地点，高空气压阶比低空大。
由于空气密度不易直接测定，所以将ρ=P/RdT代入气压阶公式得
将Rd=0.287J/(g·℃)，g=980cm/s2代入上式得气压阶公式为
（4—1）其中，t 、P为起始高度温度和气压。根据此式可算出表4-1不同P、t下的h。
由气压阶公式得出以下两点结论：
第一，t一定时，P愈高，h愈小（h=-dz/dp），Gz愈大（Gz=-dp/dz），气压随高度递减愈快；P愈低，h愈大（h=-dz/dp），Gz愈小（Gz=-dp/dz），气压随高度递减愈慢。
第二，P一定时，空气柱温度愈高，气压阶愈大，Gz愈小，气压随高度递减愈慢。反之，空气柱温度愈低，气压阶愈小，Gz愈大，气压随高度递减愈快。
注意：在精度要求不高的情况下，可利用气压阶公式计算高度。为精确起见，P、t取气层的平均值。
表4—1不同气压和温度条件下的气压阶
|
气 压 （hpa） |
温 度（℃） | ||||
| -40℃ | -20℃ | 0℃ | 20℃ | 40℃ | |
|
1000 750 500 375 100 75 |
6.7 8.9 13.4 17.9 67.2 89.3 |
7.4 9.9 14.7 19.7 73.6 98.7 |
8.0 10.7 16.0 21.3 80.0 106.0 |
8.6 11.5 17.3 22.9 86.4 114.7 |
9.3 12.4 18.6 24.8 92.8 124.0 |
（三）拉普拉斯压高公式（等温大气压高公式）
为了精确地获得气压与高度的对应关系，通常将静力平衡方程从气层底部到顶部进行积分，即得出压高公式。
1、公式的推导
将状态方程代人静力平衡方程，得到
（4—2）
（4—3）对（4—3）式积分，并假设T为常数，得
（4－4）
（4－5）将Rd=0.287J/(g·℃), T=273+t=273(1+αt), g=980.6cm/s2 代入(4-5),
并把自然对数变为以10为底的对数，则得到拉普拉斯压高公式
（4－6）压高公式表征了气压随高度的变化规律，即通过铅直方向上两点的气压来求高度差，其中t取气层的平均温度。
2、公式的应用
在实际工作中，常用（4－6）式，由铅直方向上两点的气压来求高度差，其中t取气层的平均温度。
①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；
②根据某高度的气压值和气柱的平均温度，推算另一高度上的气压值；
③由不同高度上的气压，求两高度之间气柱的平均温度。
例如：已知山脚气压为1080hpa，温度为12℃；山顶气压为920hpa，温度为8℃，求山高？
解一：利用气压阶公式
解二：利用压高公式
或
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