Атмосферное давление, измеряемое барометрами на различных высотах, варьируется в зависимости от абсолютной высоты над уровнем моря. Для того чтобы можно было объективно сравнивать барометрические данные, полученные в разных пунктах с различной высотой, необходимо привести измеренное давление к одному общему уровню — уровню моря. Эта процедура называется приведением давления к уровню моря.
С точки зрения физики, задача заключается в определении значения давления, которое было бы измерено на данной станции, если бы она находилась на уровне моря, при том же вертикальном распределении температуры, что и на самом деле в атмосфере над станцией.
Поскольку атмосферное давление убывает с высотой, это убывание должно быть компенсировано, т. е. нужно прибавить к измеренному давлению некую величину, эквивалентную весу столба воздуха между данной высотой и уровнем моря.
Для проведения такой коррекции необходимо принять модель распределения давления и температуры в слое между уровнем станции и уровнем моря. Как правило, используется одна из форм барометрической формулы.
Для приведённого давления P0 на уровне моря из давления P на высоте z, при условии известной средней температуры слоя атмосферы между этими уровнями, применяется следующее выражение:
$$ P_0 = P \cdot \exp\left(\frac{g z}{R T_{\text{ср}}}\right) $$
где:
Это уравнение предполагает изотермическое распределение температуры между станцией и уровнем моря. В реальности температура может изменяться с высотой, и тогда используется приближённая формула с учётом градиента температуры.
Если в слое между станцией и уровнем моря предполагается линейное изменение температуры с высотой, т. е. температура изменяется с постоянным градиентом Γ, то применяется следующая форма уравнения:
$$ P_0 = P \cdot \left(1 + \frac{\Gamma z}{T}\right)^{\frac{g}{R \Gamma}} $$
где:
Это уравнение лучше отражает реальные условия, особенно в нижней тропосфере, где температурный градиент достаточно стабилен.
Приведение давления к уровню моря используется повсеместно в метеорологической практике при построении синоптических карт. Давление, приведённое к уровню моря, позволяет:
На метеостанциях приведение давления к уровню моря осуществляется автоматически или по специальным алгоритмам. На практике могут применяться различные упрощённые методы, основанные на эмпирических формулах, таблицах или использовании стандартных температур.
В практике наблюдений нередко применяется эмпирическая формула, полученная при определённых допущениях:
P0 = P + C ⋅ H
где:
Эта формула применяется в бытовых барометрах и простых автоматических метеостанциях, когда высокой точности не требуется.
Средняя температура слоя между станцией и уровнем моря — критически важный параметр. Чем ниже температура, тем более плотен воздух, и, следовательно, тем меньше его слой по высоте даст прирост давления. В холодной атмосфере при одной и той же высоте требуется прибавить меньшее значение к измеренному давлению, чем в тёплой.
В синоптической практике часто используется стандартная температура (например, 288,15 К), либо берётся температура на станции, как приближение к средней.
Процедура приведения давления к уровню моря содержит ряд источников ошибок:
Всемирная метеорологическая организация (ВМО) рекомендует использовать приведённое давление к уровню моря в качестве основного параметра для анализа приземных карт. Национальные гидрометеорологические службы могут использовать собственные уточнённые методики, особенно в условиях сложного рельефа или при наличии подробной вертикальной информации о температуре и давлении.
Пусть станция расположена на высоте z = 500 м, температура воздуха на ней T = 285 К, измеренное давление P = 950 гПа. Приведём давление к уровню моря, используя формулу с градиентом температуры:
$$ P_0 = 950 \cdot \left(1 + \frac{0{,}0065 \cdot 500}{285}\right)^{\frac{9{,}81}{287 \cdot 0{,}0065}} \approx 950 \cdot (1{,}0114)^{5{,}26} \approx 950 \cdot 1{,}061 \approx 1008{,}1 \, \text{гПа} $$
Таким образом, приведённое давление на уровне моря составляет около 1008,1 гПа.
Приведение давления к уровню моря — необходимая процедура, обеспечивающая унификацию данных атмосферного давления в метеорологических наблюдениях. Несмотря на наличие различных уровней точности — от простейших эмпирических формул до физических моделей с учётом реального вертикального профиля атмосферы — все методы служат одной цели: корректной интерпретации распределения атмосферного давления в горизонтальной плоскости.