正壓大氣是一種理想化的大氣模式,其中大氣的壓力僅取決于大氣的密度,反之亦然。在這種模式下,等壓面、等密度面和等溫面是重合的。這種特性使得在正壓大氣中,地轉風不會因為大氣高度的變化而改變,從而大尺度環流也不隨高度變化。氣象研究中常假設正壓大氣以簡化計算。
介紹
正壓大氣(barotropic atmosphere)是指密度的分布只依賴于氣壓分布的一種理想化的模式大氣。在正壓大氣中,等壓面、等密度面和等溫面是重合的,因此,在等壓面上沒有等溫線,水平溫度梯度為零,熱成風也為零。
在正壓大氣中,等壓面上各點的溫度相同,兩個等壓面之間的厚度也處處相同,等壓面彼此是平行的。由于這種特性,各個等壓面上的風速和風向也一樣,因此,可以用某一個等壓面上的運動狀態,代表整層大氣的運動狀態,這種模式稱為正壓模式。在實踐中,常近似地把500百帕等壓面當作正壓場,用它代表整層大氣的情況。
特性
在數學上,正壓大氣的特性可以通過以下推導來說明。大氣壓力 \( p \) 與大氣密度 \( \rho \) 互為函數,即 \( p=p(\rho) \) 和 \( \rho=\rho(p) \)。在等壓面內,氣壓值為常數,因此氣壓在該平面的梯度為零 \( \nabla p=0 \)。由鏈式法則可得,大氣密度在該平面的梯度也為零 \( \nabla \rho=0 \),即大氣密度在等壓面內也是常數。
理想氣體
若大氣為理想氣體,溫度 \( T \) 僅為氣壓和密度的函數,即 \( T=\frac{p}{\rho(p)R} \)。在正壓大氣的等壓面中,由于 \( \nabla p=0 \) 和 \( \nabla \rho=0 \),溫度的梯度 \( \nabla T \) 也為零。這意味著等壓面、等密度面以及等溫面三者為一。
自動正壓大氣
如果空氣相對地面有運動,大氣狀態一般是斜壓的,雖然在局部地區,在短時間內可以有正壓狀態出現。一般來說,如果在起始時刻是正壓的,受擾動后,并不嗯呢該繼續維持正壓狀態。如果正壓狀態繼續維持,則稱這種大氣為“自動正壓”大氣。
例如,等溫面和等壓面平行,并且溫度的直減率等于干絕熱率,那么在干絕熱運動過程中,這種大氣便是自動正壓的。因為當次正壓狀態受到擾動,運動著的空氣質點的溫度將按干絕熱率變化,空氣質點與環境空氣仍然處于靜力平衡中,亦仍然維持正壓狀態。但是,如果大氣中溫度直減率不等于干絕熱直減率,空氣受到擾動以后,空氣質點的溫度(或比容)就與環境空氣的溫度(或比容)不同,這樣,大氣的狀態就變成斜壓的了,這種大氣不是自動正壓大氣。
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