正压大气是一种理想化的大气模式,其中大气的压力仅取决于大气的密度,反之亦然。在这种模式下,等压面、等密度面和等温面是重合的。这种特性使得在正压大气中,地转风不会因为大气高度的变化而改变,从而大尺度环流也不随高度变化。气象研究中常假设正压大气以简化计算。

介绍

正压大气(barotropic atmosphere)是指密度的分布只依赖于气压分布的一种理想化的模式大气。在正压大气中,等压面、等密度面和等温面是重合的,因此,在等压面上没有等温线,水平温度梯度为零,热成风也为零。

在正压大气中,等压面上各点的温度相同,两个等压面之间的厚度也处处相同,等压面彼此是平行的。由于这种特性,各个等压面上的风速和风向也一样,因此,可以用某一个等压面上的运动状态,代表整层大气的运动状态,这种模式称为正压模式。在实践中,常近似地把500百帕等压面当作正压场,用它代表整层大气的情况。

特性

在数学上,正压大气的特性可以通过以下推导来说明。大气压力 \( p \) 与大气密度 \( \rho \) 互为函数,即 \( p=p(\rho) \) 和 \( \rho=\rho(p) \)。在等压面内,气压值为常数,因此气压在该平面的梯度为零 \( \nabla p=0 \)。由链式法则可得,大气密度在该平面的梯度也为零 \( \nabla \rho=0 \),即大气密度在等压面内也是常数。

理想气体

若大气为理想气体,温度 \( T \) 仅为气压和密度的函数,即 \( T=\frac{p}{\rho(p)R} \)。在正压大气的等压面中,由于 \( \nabla p=0 \) 和 \( \nabla \rho=0 \),温度的梯度 \( \nabla T \) 也为零。这意味着等压面、等密度面以及等温面三者为一。

自动正压大气

如果空气相对地面有运动,大气状态一般是斜压的,虽然在局部地区,在短时间内可以有正压状态出现。一般来说,如果在起始时刻是正压的,受扰动后,并不嗯呢该继续维持正压状态。如果正压状态继续维持,则称这种大气为“自动正压”大气。

例如,等温面和等压面平行,并且温度的直减率等于干绝热率,那么在干绝热运动过程中,这种大气便是自动正压的。因为当次正压状态受到扰动,运动着的空气质点的温度将按干绝热率变化,空气质点与环境空气仍然处于静力平衡中,亦仍然维持正压状态。但是,如果大气中温度直减率不等于干绝热直减率,空气受到扰动以后,空气质点的温度(或比容)就与环境空气的温度(或比容)不同,这样,大气的状态就变成斜压的了,这种大气不是自动正压大气。

参考资料