如何解释在处理风速时使用压力单位(hPa)来表示高度?

Question

我试图了解盛行风和急流是如何形成的，以及它们在速度和方向上是如何变化的。

当观察不同高度的不同风速时earth.nullschool.net我注意到高度的单位是百帕(10hPa, 70hPa, 250hPa, 1000hPa)，而不是英尺或米。

如何解释选择压力来表示高度而不是另一个长度单位?

Answer 1

有几个原因。从理论的角度来看，利用等压坐标是有益的，因为在运动方程中密度是消失的。在笛卡尔坐标系中，风由压力梯度决定;在等压坐标系中，风由位势梯度决定。位势由$\Phi = gz$．在流体静力关系中$p = \rho g z$我们可以重新踱步$gz = \Phi$因此任何包含$p/\rho = \Phi$．例如地转风关系如下:

压力坐标:美元vec {V_g} = \ \压裂{1}{f} vec {k} \ \ * \微分算符\φ美元

笛卡尔坐标:vec {V_g} = $ \ \压裂{1}{\ρf} vec {k} \ \ * \微分算符p $

注意密度是后一个公式中的一个附加变量。

另一个原因源于历史。大气的垂直结构只能用气球或无线电探空仪来测量，直到大约70年代，卫星成为了一种额外的信息来源。直到今天，无线电探空仪提供了大气垂直切片的最详细的剖面。无线电探空仪不能以米或英尺为单位测量高度，但可以测量压力。GPS也不是最好的选择。虽然与压力测量相比，它在水平位置上相当准确，但在垂直位置上缺乏精度。

编辑:我忘记了一个最重要的方面:观察压力面还可以让我们以更有意义的方式比较高度。我们所经历的天气99%都发生在对流层内。然而，对流层顶的高度从极点(~9km)到赤道(~16km)变化很大。查看压力级别可以让我们确保该级别以上的空气质量在任何地方都大致相同，从而使变量具有可比性。请注意，将海拔12公里的热带地区与海拔12公里的两极地区进行比较根本没有意义，因为在两极，我们已经在处理平流层，而在热带地区，我们仍然远远低于对流层顶。保持压力水平可以确保我们考虑到这些差异。