气压是一柱空气的重量

带一袋封口零食上山，袋子可能鼓起来。袋内空气并没有凭空变多，而是外部气压降低，柔软包装允许内部气体膨胀。气压计记录这种压力；天气图却常把山上与海边的读数重新处理后比较。理解两者差别，要从一柱空气的受力开始。

压力向各个方向作用

气压（air pressure）来自大量气体分子的运动与碰撞。压力是单位面积受到的垂直作用力， $p = F / A$ ： $p$ 用Pa，力 $F$ 用N，面积 $A$ 用m²。空气不是只向下压；分子向各方向运动，因此也向侧面和上方施压。

现在想象一根底面积为1平方米、一直延伸到高空的空气柱。在竖直加速度相对较小、顶部压力近似为零时，柱底的压力约等于上方空气的重量除以面积。这种压力差支撑空气重量的状态叫静力平衡（hydrostatic balance）。它不要求水平风为零，也不意味着每个气块都绝对静止。

空气柱受力、薄层压力差与等温气压曲线

每升高一点，就少一层重量

取厚度为 $Δ z$ 的薄层，上表面气压比下表面小。近似关系为：

Δ p \approx - ρ g Δ z

这里 $Δ$ 读“变化量”， $ρ$ （rho）是密度，单位kg/m³； $g$ 是重力加速度，约9.81 m/s²；高度 $z$ 向上为正，单位m。负号说明气压随高度增加而减小。若近地面密度暂取1.2 kg/m³，上升100米对应约1177 Pa、即11.8 hPa的降低；高度范围扩大后不能一直使用同一个密度。山顶低气压与山脚高气压，首先反映高度差，不是两地之间必有强烈水平风。NOAA：气压

一个能画曲线的近似

将干空气视为理想气体（ideal gas），有 $p = ρ R_{d} T$ ，其中干空气气体常数 $R_{d} \approx 287$ J/(kg·K)， $T$ 必须用K。再假定整柱温度不随高度变化，得到：

p (z) = p_{0} \exp (- z / H), H = R_{d} T / g

$p_{0}$ 是基准高度的气压，与 $p$ 使用相同单位； $H$ 是尺度高度（scale height），单位m。 $e x p (x)$ 是指数函数：上升一个 $H$ 后，气压变成原来的约0.368，而不是减去固定数值。用 $T = 288$ K、 $p_{0} = 1013.25$ hPa手算， $H$ 约8.43 km，1 km处约900 hPa。NASA：理想气体与过程条件

交互实验 · INTERACTIVE MODEL

气压为什么随高度降低

在一个等温、干燥且静止的大气柱里比较温度与高度。

整层温度 T288 K250 K 310 K

地面气压 p₀1013.25 hPa950 hPa 1050 hPa

观察高度 z5 km0 km 10 km

小屏可在图表内横向滑动，查看完整坐标与图例。

等温气压廓线

观察高度 z: 5.0 km
气压 p: 559.9 hPa
密度 ρ: 0.677 kg/m³
标高 H: 8.43 km

试一试 · Observe

固定地面气压和高度，将整层温度由 260 K 提高到 300 K：较暖大气的同高度气压如何变化？

公式、单位与建模假设

p(z) = p₀ exp[−g z / (Rᵈ T)]

H = Rᵈ T / g；ρ = p / (Rᵈ T)

p：气压 pressure，hPa；T：绝对温度 temperature，K；z：高度 height，km；H：标高 scale height，km；ρ：密度 density，kg/m³。g=9.80665 m/s²，Rᵈ=287.05 J/(kg·K)。

干空气、理想气体、静力平衡、整层温度固定；g 固定。此指数廓线不是标准大气，也不是今天的探空。计算先把 km 换成 m、hPa 换成 Pa。

全部计算在浏览器本地进行 · 固定规则可重复 · 无外部数据请求

查看模型源码（进阶选读）

直接读取本实验使用的纯函数模块，包含单位转换、输入范围和合成数据公式。

正在读取源码…

观察同样升高1 km时，气压降幅如何逐渐减小；在相同基准气压下提高整柱温度，比较同一高度的气压。暖柱的尺度高度较大、气压随高度下降较慢。这不表示实际地面一升温，地面气压就一定升高：真实空气还能在水平方向流入或流出。

天气图为何使用海平面气压

站点气压（station pressure）是仪器所在地的压力；海平面气压（sea-level pressure）通过温度等信息，把不同高度的观测估算到共同参考高度。它有助于辨认水平天气系统，但并不是把仪器实际搬到地下测量。高地订正尤其依赖假设。

常见误解： 低压数值本身不保证降雨。降水还需要合适的水汽、抬升和云粒子增长。静力近似也不能解释雷暴中所有强烈竖直加速度。

自检：柱顶切掉一层会怎样

若从空气柱上方移走部分空气，其他条件尚未调整，柱底压力倾向如何变化？等温模型能否原样给出真实10千米高空的温度？

展开答案

上方质量减少，重量减少，柱底压力倾向降低。等温模型预先假定温度处处相同，不能预测真实温度剖面。它用于隔离“重量、密度、温度与气压”的关系，真实计算需要随高度变化的温度和水汽信息。

继续：温度、热量与能量。

气压是一柱空气的重量 ​

压力向各个方向作用 ​

每升高一点，就少一层重量 ​

一个能画曲线的近似 ​