淺談中學(xué)地理教學(xué)中的等壓線與等壓面

中國(guó)地圖出版社（100055） 孫冬冬 王夢(mèng)麥

等壓面與等壓線的知識(shí)在中學(xué)地理中屬于教學(xué)難點(diǎn)，教材上對(duì)于相關(guān)內(nèi)容的介紹較少，容易引起理解上的偏差。如何正確理解等壓面與等壓線的概念及彼此的關(guān)系，特別是作為形象化教材的地圖冊(cè)對(duì)此應(yīng)如何直觀呈現(xiàn)，本文試作探索。

一、對(duì)等壓面與等壓線的理解

等壓面是空間氣壓值相等點(diǎn)組成的面。在氣壓隨高度遞減的情況下，某一等壓面上方各處的氣壓值都小于該等壓面上的氣壓值，其下方各處的氣壓值都大于該等壓面上的氣壓值。實(shí)際大氣中由于下墊面性質(zhì)的差異、水平方向上溫度分布和動(dòng)力條件的不均勻，導(dǎo)致同一高度上各點(diǎn)氣壓值的不等，因而等壓面通常不是和等高面平行的水平面，而像真實(shí)地表一樣，是個(gè)高低起伏的曲面。

等壓線是同一水平面上各氣壓值相等點(diǎn)的連線。在一個(gè)水平面上按一定氣壓間隔繪制出的等壓線組，構(gòu)成了水平氣壓分布圖，又可稱為等壓線圖。等壓線的形狀和疏密程度反映著水平方向上氣壓的分布形勢(shì)。

等壓面是立體空間中的概念，而等壓線是平面上的概念，但是二者有密切的關(guān)系，用某一高度的水平面（等高面）橫截空間的一組等壓面，截面與各等壓面產(chǎn)生的交線便是該水平面上分布的等壓線。

圖1 等高面上的等壓線

二、等高面上的等壓線與等壓面上的等高線的轉(zhuǎn)換

為了了解天氣的變化情況，需要分析天氣圖。在天氣預(yù)報(bào)中經(jīng)常會(huì)提到海平面天氣圖和高空天氣圖，而后者又有500hPa、700hPa、850hPa等不同氣壓值的高空天氣圖。海平面天氣圖是海平面上的等壓線分布圖，即為等高面上的等壓線分布圖，反映的是海平面上的氣壓差異。在等高面上，等壓線的高值區(qū)對(duì)應(yīng)著等壓面向上凸起的部分，而等壓線的低值區(qū)則對(duì)應(yīng)著等壓面向下凹陷的部分。等壓面越陡，對(duì)應(yīng)以一定氣壓值為間隔的等壓線分布越密集，反之，等壓線的分布越稀疏。

而高空天氣圖，即為等壓面上的等高線分布圖，反映的是該等壓面的形勢(shì)（可理解為起伏狀況）。等壓面上的等高線則是空間某個(gè)氣壓值的等壓面與高度間隔相等的若干等高面相截。在此等壓面上，每一條截線上各點(diǎn)的氣壓值相等，將這些截線投影到水平面上，便得出了該等壓面上距海平面高度不等的若干等高線分布狀況圖。見圖2所示，P為等壓面，是一個(gè)三維的凹凸不平的曲面。H1、H2、H3、H4、H5為高度間隔相等的等高面。等壓面上的等高線圖能表示該等壓面的形勢(shì)，被稱為等壓面圖，它是氣象臺(tái)用以分析高空天氣情況的主要方法。氣象學(xué)家認(rèn)為，在高空分析等壓面上的等高線比直接分析等高面上的等壓線更為方便，因此一直以來成為了氣象領(lǐng)域分析高空天氣情況約定俗成的方法。由圖2可以看出，投影平面圖上高度的高值區(qū)對(duì)應(yīng)著等壓面的上凸區(qū)，而高度的低值區(qū)對(duì)應(yīng)著等壓面的下凹區(qū)，這與前面分析的等高面上的等壓線圖的高低值以及疏密對(duì)應(yīng)關(guān)系是一致的。因此，等壓面上等高線的高、低值區(qū)即可分別代表氣壓的高低中心。需要注意的是，此圖中等高線的高度并非一般意義上的幾何高度，而是位勢(shì)高度，其單位是位勢(shì)米。1位勢(shì)米被定義為1kg空氣上升1m時(shí)，克服重力作了9.8J的功，當(dāng)所計(jì)算地點(diǎn)的重力加速度為9.8m/s2時(shí)，位勢(shì)高度和幾何高度在數(shù)值上相等，但物理意義不同，位勢(shì)高度是表示能量的物理量。由于大氣是在地球重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)著，時(shí)刻受到重力的作用，而天氣學(xué)理論主要在流體力學(xué)和熱力學(xué)基礎(chǔ)上建立的，因此，用位勢(shì)高度在理論上和計(jì)算上都更加合理。

圖2 等壓面上的等高線

三、現(xiàn)行中學(xué)地理教材中等壓面與等壓線呈現(xiàn)的問題

目前內(nèi)地高中地理教材主要有人民教育出版社、中國(guó)地圖出版社、湖南教育出版社和山東教育出版社四個(gè)版本，這些版本的教科書中對(duì)此部分的處理方式是基本一致的。以人教版教科書為例，僅在熱力環(huán)流部分的一幅圖（見圖3）中提到了“等壓面”的概念，在課后的“活動(dòng)”欄目出現(xiàn)了海平面等壓線分布圖，其間缺少?gòu)钠拭鎴D、模式圖到等值線地圖過渡的引導(dǎo)，學(xué)生不易建立等壓面與等壓線空間關(guān)系的概念，導(dǎo)致理解起來比較困難。

圖3 熱力環(huán)流的形成

與教科書配套的地理圖冊(cè)中也基本與教科書中采取了大同小異的呈現(xiàn)方式，只有與人教版配套的地理圖冊(cè)中出現(xiàn)了一幅圖（見圖4）。此圖的出發(fā)點(diǎn)是想讓學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)等壓線與等壓面的關(guān)系，在二維平面上以三維手法形象表達(dá)了空間等壓面的起伏狀況，但誤將一組數(shù)值不同的等壓線繪在同一等壓面上，同時(shí)繪出了風(fēng)向箭頭，造成了視覺上的錯(cuò)誤。事實(shí)上，同一等壓面上不存在氣壓梯度，也不應(yīng)有空氣流動(dòng)，而該圖下方等高面的呈現(xiàn)則是正確的。

圖4 空間等壓面模式圖

四、等壓面和等壓線的教學(xué)策略

等壓面上等高線的概念在中學(xué)地理的課堂教學(xué)中不要引入，原因如下：（1）等壓面上的等高線是專業(yè)分析高空天氣情況的基礎(chǔ)和手段，中學(xué)地理課程中不應(yīng)涉及；（2）等壓面上的等高線容易使學(xué)生產(chǎn)生氣壓為何用“高度單位”描述的困惑，且位勢(shì)高度非高度單位，在理解上容易產(chǎn)生偏差；（3）等壓面圖是將等壓曲面截取等高面組后，再次投影到水平面上的結(jié)果，其過程復(fù)雜，不易理解。此處的教學(xué)中，教師應(yīng)該著重幫助學(xué)生尋找空間上的感覺，理解等高面上的等壓線，這一在海平面等壓線分布中用到的概念，是中學(xué)地理中經(jīng)常涉及的內(nèi)容。如果學(xué)生理解困難，也可以通過講述測(cè)量海平面上足夠多個(gè)點(diǎn)的氣壓值，然后把氣壓值相等的點(diǎn)連成曲線，形成海平面上等壓線圖的過程來得到認(rèn)識(shí)，這種解釋簡(jiǎn)明易懂，同時(shí)具有科學(xué)依據(jù)，只是不對(duì)等壓面與等壓線之間聯(lián)系進(jìn)行揭示。

另外值得注意的是，對(duì)網(wǎng)絡(luò)或者教輔類圖書上出現(xiàn)的等壓面上等高線的圖片，教師應(yīng)在正確理解的基礎(chǔ)上引導(dǎo)感興趣的學(xué)生在課外學(xué)習(xí)中得到正確認(rèn)識(shí)。

五、對(duì)中學(xué)地理教材系統(tǒng)編寫的建議

雖然等壓面與等壓線的關(guān)系在三維空間上表現(xiàn)比較復(fù)雜，所涉及到的概念也比較多，教科書上可以不予以呈現(xiàn)，但是作為教科書的補(bǔ)充與拓展的地圖冊(cè)以及教學(xué)參考書上可以嘗試用一些新的手段來表達(dá)，以幫助教師和部分感興趣的學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容獲得完整、準(zhǔn)確的理解。只要編者認(rèn)識(shí)正確，表達(dá)得體，并恰當(dāng)借助高中數(shù)學(xué)立體幾何的相關(guān)知識(shí)，發(fā)揮圖像直觀形象的優(yōu)勢(shì)，則化繁為簡(jiǎn)，深入淺出是可以做到的。