文章來自：流體力學learning

撰稿人：陸高明、關哲偉、韓靜

測量大氣壓的儀器叫做氣壓計，常見的有水銀氣壓計。1標準大氣壓（1atm）= 760毫米汞柱（mmHg）。

液體在重力場的壓強表達式(在z軸垂直向上的直角坐標系)：

上式可改寫為:

該式稱為流體靜力學基本方程（確定流體內部壓力場的靜力學方程式）。

推導過程：

作用在流體上的兩種力：體積力（多數為重力）和表面力。

大氣作為流體，它的運動具有流體運動的共性，因此常用流體力學的基本方程組去研究。對于大氣層來說，越高的地方密度就越低，重力加速度則越小。密度和重力加速度隨高度的變化帶入到剛才得出的微分方程中，就可以計算出任意高度處的壓力。

國際標準大氣壓

規定：

1.空氣被看作理想氣體

2.大氣相對濕度為0

3.以海平面作為高度計算的起點

4.在高度11000m以下，氣溫隨高度呈直線變化，每升高一米，氣溫下降0.0065攝氏度

5.在約11000-24000m范圍內，氣溫保持不變，此時溫度為216.7K

大氣層分為對流層、平流層、中間層、電離層、外層。

對流層：大氣中的水汽幾乎都集中于此，是展示風云變幻的“大舞臺”：刮風、下雨、降雪等天氣現象都是發生在對流層內。對流層最顯著的特點是有強烈的對流運動。

平流層：該層的氣流主要表現為水平方向運動，對流現象減弱，又稱“同溫層”。這里基本上沒有水汽，晴朗無云，很少發生天氣變化，適于飛機航行。    

中間層：該層內因臭氧含量低，同時，太陽短波輻射已經大部分被上層大氣所吸收，所以溫度垂直遞減率很大，對流運動強盛。

電離層：其中存在相當多的自由電子和離子，能使無線電波改變傳播速度，發生折射、反射和散射。

外層：又叫逸散層。這里的溫度很高，可達數千度，大氣已極其稀薄，是大氣層向星際空間過渡的區域。

大氣運動與一般流體運動區別最重要的一點，就是氣象上的運動具有大尺度的特征。

大氣中含有水汽。大氣中的水汽成分在運動過程中發生了相變,而相變的潛熱又反過來供給大氣，促使運動得到支持和發展。

大氣還有其它的一些重要特征，例如大氣的斜壓性，準不可壓縮性[2]。

天氣學:從觀測資料出發,經驗性的，總結天氣過程的發生發展規律，(主觀)推斷可能機理。
動力學:從物理定律出發,從理論上,(客觀)揭示天氣過程的發生發展規律和機理[3]

1.形成成因：冷熱不均。形成過程：地面受熱不均→空氣做垂直運動（受熱上升，冷卻下降）→同一水平面形成高、低氣壓中心，產生氣壓梯度（上升運動在近地面形成低壓，高空形成高壓。下降運動在近地面形成高壓，高空形成低壓）→大氣做水平運動，形成風，熱力環流形成。可見，大氣運動首先是垂直運動，其運動原因是受熱不均，其次是水平運動，其運動原因是同一水平面上有氣壓差。

2.高氣壓和低氣壓是指同一水平高度的氣壓狀況，如下圖中A′處的高氣壓是相對同一水平高度B′處和C′處的氣壓而言的。若A′處的高氣壓與近地面A處的低氣壓相比，氣壓值仍然小于近地面A處的氣壓值，原因是同一地點，氣壓值隨高度的增加而遞減。

3.一般情況下，在近地面氣溫高的地方則氣壓低，氣溫低的地方則氣壓高；近地面為低氣壓高空則為高氣壓，近地面為高氣壓高空則為低氣壓。地區間冷熱不均引起空氣的垂直運動，同一水平面上的氣壓差異導致大氣的水平運動。

4.等壓面凸起的地方是高壓區，等壓面下凹的地方是低壓區。[4]

近地面大氣水平運動形成風。

大氣的水平運動稱為風。空氣運動是在力的作用下產生的，作用于空氣的力有重力、氣壓梯度力、地轉偏向力、地面摩擦力。這些力的性質各不相同，對大氣運動產生的作用也不一樣。

在近地面，因為慣性離心力較小可以忽略不計，風主要受三個力的影響：氣壓梯度力、地轉偏向力、摩擦力。[5]

在對流層中，溫度垂直變化的曲線總的情況是氣溫隨高度上升而降低。但是在一定條件下，對流層中也會出現氣溫隨高度增加而升高的逆溫現象。造成逆溫現象的條件有很多，如地面輻射冷卻，空氣平流冷卻，空氣下沉增溫，空氣湍流混合等。在這里我主要講解一下空氣湍流混合造成的逆溫現象。 

湍流運動分為兩種：

（1）壁湍流，壁湍流是流體與固體相互作用而產生的湍流，如大氣的邊界層。

（2）自由湍流，自由湍流是各層流體相對流動，當有強大的速度切變而引起的湍流。

邊界層是與地表面直接接觸的大氣最底層，受到地表面熱力和動力作用的影響，大氣運動的層流狀態受到干擾和破壞，形成了各種大小不同的不規則渦旋[6]。因此，這一層空氣具有明顯的湍流運動特征。

湍流逆溫（turbulence inversion）亦稱擾動（或亂流）逆溫。這是湍流現象造成的逆梯度運輸的一種表現形式。地球邊界層是湍流層，存在大量不規則的高速渦旋，而湍流層上方則是非湍流層，氣流相對穩定，于是在兩個不同層面之間發生了不可思議的變化，出現了一個逆溫帶。

逆溫帶離地面的高度依賴于湍流混合層的厚度，通常在1500米以下，其厚度一般為數十米。當氣層的氣溫直減率小于干絕熱直減率時，經湍流混合后，氣層的溫度分布逐漸接近干絕熱直減率。因湍流上升的空氣按干絕熱直減率降低溫度。空氣上升到混合層頂部時，它的溫度比周圍的氣溫低，混合的結果，使上層氣溫降低；空氣下沉時，情況相反，致使下層氣溫升高。這樣就在湍流減弱層，出現逆溫。

人們很早就在大氣邊界層中野外試驗中觀測到熱量的逆梯度輸運, Lettau 和 Davidson[7]在野外試驗中觀測到距地面 100m 處存在逆梯度輸送的熱涌量 。Webb[8]在距地面25m 高度處觀測不到溫度梯度, 風速很小,但卻有很強的熱流。Bunker[9]采用飛機探 測到在大西洋上空 150 ～ 550m 處存在熱量逆梯度輸送。

大氣的湍流逆溫運動研究背后意義非凡。[10]中國許多城市如鄭州由于四面環山導致空氣污染物積累，無法得到有效的排出。許多科學家研究通過增加城市綠化面積來增加地面反照率，從而增強大氣湍流運動，排出城市中的污染氣體。