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高空温压湿风的探测 1 主要内容 12 1高空温湿压的综合探测12 2高空风的探测12 3气象应用12 4复习思考题 2 方法 无线电探空飞机探测火箭探测卫星遥感探测 3 12 1高空探空仪 概述 目前气象常规观测中 大量使用的是无线电探空 即采用无线电遥测技术 由充有氢气的探空气球携带无线电探空仪上升 进行温 湿 压的测量 4 高空探空仪 5 系留探空 6 12 1高空探空仪 概述 无线电探空仪是一种遥测仪器 它可以将感应的气象要素值转换为无线电信号 不断地向地面发送 地面上的接收设备同时接收和处理探空信号 即可迅速获得探测结果 7 12 1高空探空仪 GZZ2 1型电码式探空仪 探空仪的测量范围温度 40 75 相对湿度 100 15 气压 1050 10hPa为使所测气象要素值超过测量范围仍能查算数据 因此 仪器的气温外延到 85 相对湿度外延到5 气压校准曲线外延到5hPa 外延部分的误差不作规定 8 GZZ2 07系列探空仪有 1 2两种型号 1999年9月开始大量装备我国高空气象探测网站 9 12 1高空探空仪 GZZ2 1型电码式探空仪 GZZ2 1探空仪的结构感应器编码机构发射装置 10 12 1高空探空仪 GZZ2 1型电码式探空仪 温度感应器由双金属片 指针和支架等组成 将厚度约0 2mm的薄双金属片 卷曲成螺旋形 固装在支架上 并与支架绝热 在螺旋形双金属片中心 焊有一根截面呈三角形 空心 质量很轻的指针 湿度感应器由鼓膜状肠膜 中心连杆 扭力弹簧和湿度指针所组成 气压感应元件是两个波纹形金属扁空盒 空盒的一端焊有尾杆 通过它将空盒紧固在框架上 另一端焊有顶针座 顶针尖端插在顶针座内 顶针的上端固定在双金属片自由端支架上 指针架两端用轴承固定在框架上 感应器 11 12 1高空探空仪 GZZ2 1型电码式探空仪 主要由电码筒 及驱动电码筒转动的微型电机和减速齿轮所组成 探空仪工作时 电码筒以每分钟5 9转的速度转动 它的主要作用是将气象要素的变化转换成电码讯号 通过发射机发向地面接收站 编码机构 12 12 1高空探空仪 GZZ2 1型电码式探空仪 电码筒由电码片 电码筒支架 参与讯号片和尼龙齿轮绝缘接头等组成 电码片是用具有槽纹 长70cm的金属薄片卷曲而成 槽纹上印有莫尔斯电码图案 在电码筒轴一端有扇形的参考讯号片 电码筒每转一周 发出参考讯号 发出参考讯号后 紧接着发温度讯号 然后是气压讯号和湿度讯号 编码机构 13 12 1高空探空仪 GZZ2 1型电码式探空仪 发射装置的作用是将探空仪各感应器所测到的温 湿 压讯号 以无线电波的形式传递到地面 发射机是一个电感三点式振荡器 产生24 5MHz 配用701雷达接收时为400MHz 的高频电磁波 由单端半波天线发射出去 发射装置 14 12 1高空探空仪 GTS1型数字高空探空仪 探空仪的测量范围温度 40 80 t 0 2 相对湿度 95 15 环境温度 25 U 5 环境温度500hPa P 2hPa气压 500hPa P 1hPa 15 12 1高空探空仪 GTS1型数字高空探空仪 探空仪的测量原理 16 17 12 1高空探空仪 GTS1型数字高空探空仪 探空仪的基本结构GTS1型数字探空仪由传感器 智能转换器 发射机三部分构成 温度传感器采用棒状热敏电阻 在测量范围内 90 55 阻值限定在9K 700K 阻体长10mm 直径1mm左右 表面有高反射率涂层 短波反射率优于93 长波吸收率超过90 湿度传感器采用高分子湿敏电阻气压传感器采用硅阻固态压力传感器 18 19 ThisviewisacutawayofaVAISALARS80 Theradiosonde sdimensionsare55X147X90mm anditweighslessthan200g 20 VaisalaRadiosondeRS92 SGP World shighestlevelofPTUmeasurementperformanceCodecorrelatingGPStechnologyforcontinuouswinddataavailabilityStabletransmissioncomplieswithETSIstandardEN302054 21 12 2高空风的探测 气球测风的基本原理单经纬仪定点测风双经纬仪基线测风雷达测风 一次雷达 二次雷达 GPS测风 22 空中各个高度上的风向风速的测定 有助于了解高空大气环流状况 对天气分析预报 航空飞行以及环境污染研究等方面都具有十分重要的意义 实际上各种大气系统都有不同大小的水平和垂直范围 许多主要的天气现象都发生在大气底层 这个底层就包括了从地面到三十公里高度的范围 获得这个范围内不同高度上大气运动及其变化的数据的方法 通称为 高空测风 或 高空风的观测 关于高空风 23 有风 无风 气球就会垂直上升而无水平方向的位移 气球就会做合成运动 产生水平方向的位移 由于气球的质量很小 随气流移动的惯性很小 可以近似地看作是空气的质点 因此它的水平位移具有气流的方向和速率 1气球测风的基本原理 24 作用在气球上的力测风气球充入氢气后 它在空中受到两个作用力 一个是向上的浮力 一个是向下的重力 根据阿基米德定理 气球受到的浮力大小应等于气球所排开的同体积空气的重量 即 式中F为浮力 为单位体积内空气的重量 V为气球的体积 F V 1气球测风的基本原理 25 气球测风的基本原理 由于氢气本身有重量 它要产生一个向下的力 用V 表示 为氢气的重力密度 我们把与气球同体积的空气重量与氢气重量之差 称为总举力 用E表示 即 E V 1气球测风的基本原理 26 另外气球的球皮和附加物也有重量 也要产生一个向下的力 我们设为B 我们把总举力与气球的球皮和附加物产生的重力之差称为净举力 用A表示总举力不能够完全决定气球能否上升 只有净举力才能完全决定 A E B V B 1气球测风的基本原理 27 下面我们就来看一看任意高度上的A与A0的关系 净举力A一般是不随气球上升而改变的 A0 V0 0 0 B 1气球测风的基本原理 28 三个假定 1气球测风的基本原理 根据通常灌球的经验 由于球皮张力而造成的球内外的压力差仅仅只有几个mmHg 而且这个值在爆破之前基本保持常量 即在气球上升时可以认为球内部的气体压力接近于周围的空气压力 还有由于球内气体质量很小 球内温度与外界温度很快地趋于一致 即认为气球在上升时 气球内外的温度是相等的 另外 经验表明氢气的扩散逸出不足以购成对浮力的显著影响 因此 球内氢气的质量在放球观测的时段也可以认为基本不变 29 1气球测风的基本原理 根据气体的状态方程 气体密度 或单位体积内质量 的变化决定于气体的压力和温度 而据上所述 球内外压力和温度呈同步的变化 气球在上升过程中球内氢气密度的变化正比例于外界空气密度的变化 而反比例于气球的体积的变化 30 即V V0 0 常量 Vr V0r0 常量 故而我们可以得到 31 我们再回到上面净举力的公式 就可以得到A A0 常量 即 当然 这一结论的假设条件 等压 等温及不透气的条件 与实际情况会有些出入 但这个出入不大 假定的条件基本满足 所以该结论是可取的 气球在上升过程中 净举力保持恒定 32 气球的上升速度1 气球的升速公式 令 气球的升速公式 33 式中 在球内 外等温等压的假定下 可看作是常量 约等于1 14 空气密度 可由观测当时的气压 气温来确定 阻力系数c虽然可以随球的大小而不同 但一般可以取c 0 4 A B则可以称量出来 气球的升速公式 34 为了使上面的升速公式计算方便 引入一个空气标准密度 0 1 205 m3 0指气温为293K 气压为760mmHg时的密度值 这样 升速公式也可以写成 这就是目前常用的气球升速公式 气球的升速公式 其中 35 A与B影响 升速与净举力A 球皮及附加物重量B重量有关 要使升速增大 必须要增大A或减小B 2 影响气球升速的因子 空气密度 的变化 因为 1 6 即气球的升速是随空气密度的减小而缓慢增大的 也就是说升速随高度的增高而缓慢增大 根据资料 其增加平均为每上升1千米增大2 影响气球升速的因子 36 空气阻力系数c 理论计算中 阻力系数取为常量0 4 实际上 在乱流很强时 空气阻力系数减小 使实际升速比计算值偏高 在低空 尤其在白天 这一因素影响很大 大气中垂直气流对升速的影响很大 尤其是在山区 在山的迎风坡 气流上升运动强 背风坡下降运动强 都直接影响升速 气球的升速公式 37 渗透和扩散的影响 随着高度的增加 渗透会越来越大 使升速逐渐减小 畸形和上升中的翻滚 阻力增大 气球升速变小 气球的升速公式 38 实际升速 在2公里高度以内 实际升速要比计算升速大20 30 而且越靠近地面 误差越大 起作用的主要因子是空气的乱流运动的影响 在2 12公里内 实际升速和计算升速比较接近 其原因主要是空气密度随高度减小使升速加大的影响基本上和球内氢气向外渗透使升速减小的影响基本上互相抵消在12公里以上 实际升速比计算升速小 且越向上越小 这主要是由于随着施放时间的增加 球内氢气渗透量增加从而使升速减小的影响超过了空气的密度的减小而使升速增大的影响 39 2 单经纬仪定点测风 我们在观测点施放一个具有标准升速的气球 某一瞬时 气球在空间的位置对地面有一个垂直投影点 测得在某一个时段内气球投影点的位移 就是气球在这段时间里的水平位移 据此就可以测定这一时段所对应的高度上的风向和风速 单经纬仪定点测风就是使用一台经纬仪 在一个固定的地点 观测气球移动的轨迹来确定高空的风向风速 40 41 在单经纬仪观测中 气球的升速假定是已知的固定值 单位是米 分 因此Hi可根据气球的升速乘以气球上升的时间而得到 水平距离OCi HIctg 为仰角 用所得到的水平距离和气球的方位角 即可确定某一瞬时气球投影点的位置 图中的C1 C2 为气球施放后每分钟的投影点 计算出相应OC1 OC2 各分钟内气球在各层中所移动的距离 并分别用所经过的时间 60秒 去除 就得到每一层高度上单位时间的平均风速 米 秒 2单经纬仪定点测风 各风层的风向 可通过量正北与各线之间的夹角加减180 求得 单经纬仪测风简便易行 但由于实际升速偏离所假定的升速 因而误差较大 42 双经纬仪基线测风 就是用两架经纬仪架设在已知距离的两个测点上 同时观测气球的运动 读出仰角和方位角并通过计算求出气球的高度 然后 与单经纬仪定点测风一样 计算出各高度上的风向 风速 两观测点之间的连线称为基线 由于气球高度是实测的 因而准确度较高 3双经纬仪定点测风 43 3 双经纬仪定点测风 一 基线的选择 二 气球高度的计算 1 投影法计算气球高度 2 矢量法计算气球高度 三 计算风向风速 44 3双经纬仪基线测风 一 基线的选择 一般基线应选择在与当地盛行风向相垂直的方位上 另外再选择与盛行风向相平行的第二条基线 两条基线互相垂直 以保证任何时候都能选择一条与高空风交角较大的基线 基线越长 计算精度越高 但是基线太长会给通讯联络带来不便 也会影响两架经纬仪的相互瞄准一般基线长度选为气球飞升最大高度的五分之一到五分之二左右 45 3双经纬仪基线测风 一 基线的选择 两观测点可以有一定的高度差 但一般情况下 两架经纬仪互望时 其仰角或俯角不应超过1 N A B 46 基线的选择 气球高度的计算 1 投影法计算气球高度水平面投影法铅直面投影法 2 矢量法计算气球高度 3 双经纬仪定点测风 47 水平面投影法 48 铅直面投影法 49 3 双经纬仪定点测风 基线的选择 气球高度的计算 1 投影法计算气球高度 2 矢量法计算气球高度 3双经纬仪定点测风 50 投影法计算时是假定基线两端的两架经纬仪观测空间气球位置的两条视线是相交的 而矢量法计算是假定两架经纬仪观测空间气球的两条视线是不相交的 气球在空中飘移 两经纬仪观测的同时性很难满足 视线不相交于同一点的假定比较符合实际情况 由此 根据观测数据计算出的气球三维坐标值是唯一的 从而提高了计算精度 另外 矢量法能够计算出观测误差的指标 即两条视线之间的 短线 距离 以检验原始观测数据的可靠性 并给出最大误差的允许值 3双经纬仪基线测风 2 矢量法计算气球高度 51 B 矢量法确定气球在空间的位置 52 53 54 55 56 57 58 4 雷达测风 59 4雷达测风 经纬仪测风是借助仰角 方位角和高度进行定位雷达则是借助仰角 方位角和斜距来定位 雷达天线发射出的高频电磁波在空中碰上目标物被反射回来 然后又被雷达天线接收 只要测出从发射高频脉冲 主波 到接收到反射讯号 回波 所经过的时间 则目标至雷达站的斜距 便可用下式计算出来 其中 是电磁波在空间的传播速度 约为3 108米 秒 60 61 雷达测风 利用雷达测定飞升的气球位置 不仅测定气球的角座标 而且能测定气球与雷达的距离 即斜距 由仰角 方位角 斜距计算高空风 61 62 雷达测风法又可分为一次雷达测风法和二次雷达测风法 前者是利用气球上悬挂的金属反射体反射雷达发射的脉冲信号 测定气球角座标和斜距 后者利用气球悬挂的发射回答器 当发射回答器受雷达发射的脉冲激励后产生回答信号 由回答信号测定气球角座标和斜距 62 4雷达测风 雷达的组成及其各部分的作用1 定时器2 发射机3 天线及馈线系统4 接收机5 测距显示器6 测角显示器7 电源 测距原理 测角原理 63 4雷达测风 定时器 是全机工作的控制中心 它产生各种脉冲作为计时的基准去控制其他几个有关的分机 使全机协调一致地工作 64 4雷达测风 发射机 是全机的高频功率源 在定时器送来的正触发脉冲控制下 定时地产生宽度约为 微秒的高压脉冲去调制超高频振荡器 使产生约 微秒宽的强功率超高频发射脉冲 65 4雷达测风 天线及馈线系统 天线是用来定向发射和接收无线电波用的 它由16根引向振子及其反射网组成 每四根振子按菱形排列成一小组天线 分成上 下 左 右四个小组 四个小组天线仍按菱形编组排列 组成总体天线阵 天线阵由天线转动装置控制它作方位360 转动和上下俯 仰90 馈线系统的作用是将发射机产生的超高频发射脉冲有效的送到天线阵的各个引向振子上 并有效地将天线阵接收到的超高频回答脉冲 探空信号 送到接收机 66 4雷达测风 接收机 将接收到的回答脉冲 探空信号 加以变频 放大 检波 把回答脉冲从高频转变为视频脉冲 供给测距和测角显示器 以便进行观测 67 4雷达测风 测距显示器 是用来显示目标回波并测出目标离雷达的斜距 为了提高测距精度 采用两只示波管分别作为距离粗显示和距离精显示 68 4雷达测风 测角显示器 用来测出空中回答器的方位角和仰角的数据 它由显示和读数两部分组成 读数部分为四只同步接收机和被它们带动的刻度盘 两只指示方位角 两只指示仰角 其中各又分为粗读和精读 粗度刻度盘指示 10 整倍的角度数 而精度刻度盘则指示 10 以下的角度数 69 4雷达测风 电源 全机电源为单相220伏50周 可用市电或配发的汽油发电机供电 车厢照明可用交流电或配发蓄电池供