现代大气探测学-第七讲-地面风的测量-夏俊荣.ppt

南京信息工程大学夏俊荣 现代大气探测学 2012年11月1日 致谢 本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授的同类教材基础之上修改完成 此外还得到了其他诸位老师的帮助 在此谨表示衷心感谢 第七讲地面风的观测 知识结构 8 1概述 什么是风 空气处于不停的运动之中 将空气的运动分解成垂直的和水平的两个分量 垂直分量称为空气的垂直运动 如对流运动 水平分量即是风简而言之 风就是指空气的水平运动 风的运动既有速度又有方向 说明了风是一个矢量 因此风的观测包括风向和风速两项 2 风向 风向是指风的来向 用十六方位表示 以拉丁文缩写记录 3 风速 风速是空气质点在单位时间内所移动的水平距离以米 秒为单位 定时观测取整数 自记记录取一位小数 4 如何取得具有代表性的风资料 在观测中为了取得具有一定代表性的风向 风速资料 风的观测一般是取某一时段内的平均风速和最多风向实验表明 取十分钟时段内的平均值即可以达到一定代表性的要求 在大多数风的阵性涨落不大的情况下 取2 3分钟时段内的平均值 也可达到一定代表性的要求气象台站观测中 一般是取两分钟的平均风速和最多风向 自记仪器是取十分钟的平均风速和最多风向 风速风向平均 风速算术平均法计算平均风向时存在的问题 在处理风向平均时需要特别注意风向过北 即风向变化跨0 时导致结果失真的问题四种方法 算术平均法 标量平均法 矢量平均法以及单位矢量法 风矢量示意图 矢量平均法 5 阵风 阵风 风的阵性 是指瞬时风向风速在平均值附近涨落的变化和分布特性 WMO关于 阵风 的定义是 在规定时间间隔 指十分钟 内 风速偏离其平均值的一个正的或负的偏距 其持续时间不超过两分钟者 风的阵性在航空 航海 建筑 大气污染和放射性微尘的扩散等方面都有广泛的应用 另外由于风的阵性变化 包括风向的突变或风速的迅变 常常伴随着其它气象要素的变化 标志着某种天气过程的发生或演变 因此 对风的阵性研究很受重视 不难理解 测定平均风速时 仪器要有优良的积分性能 即自动平均能力 要是测定阵风 仪器应能反映瞬时风速 自动平均能力良好反而不利 选择仪器要根据观测的要求来进行 8 2风的传感器 风向感应器 风速感应器 风的感应器 风向标 风向标是各种测风仪器中用以知识风向的最主要的部件 分为头部 维持平衡也称平衡锤 水平杆与尾翼三部分 整个风向标可绕垂直轴旋转 它的重心正好在转动轴的轴心上 风向感应器 8 2风的传感器 风向标作用原理 风向标作用原理 当风的来向与风向标成某一个交角时 风对风向标产生压力 这个力可分解成平行和垂直于风向标的两个分力 由于风向标头部受风面积较小 尾翼受风面积较大 因而感受的风压不相等 垂直于尾翼的风压产生风压力矩 使风向标绕垂直轴旋转 直至风向标头部正好对着风的来向时 由于翼板两边受力平衡 风向标就稳定在某一位置 灵敏性 稳定性 只有当尾翼所受风压力矩 风向标静摩擦力矩时 即在一定的起动风速V下 风向标才能转动 各种风向标的起动风速都不相同 风向标应满足 在小风速或风向改变不大的情况下 能很快地反映出风向变化来 当风向改变时 由风向标本身惯性作用引起的摆动要小 风向标起动风速一般风向标0 5m s较好的风向标 0 3m s风速资料处理注意要点 常见的风向标 双叶型风向标 菱形风向标 流线型风向标 它们各有什么优缺点呢 8 2风的传感器 风速感应器 目前普遍采用的测定风速的仪器为风杯形风速器 它的感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形固定在架子上的风杯组成 整个架子连同风杯装在一个可以自由转动的轴上 所有的风杯都顺着一面 在风压的作用下 风杯就顺着圆锥 球形 的凸面方向自由旋转 风速感应器 当风从左方吹来时 风杯 1 与风向平行 风对风杯 1 的压力在垂直于风杯轴方向上的分力近似为零 风杯 2 与 3 同风向成60 角相交 对风杯 2 而言 其凹面迎着风 承受的风压最大 风杯 3 其凸面迎风 风的绕流作用使其所受风压比风杯 2 小 由于风杯 2 与风杯 3 在垂直于风杯轴方向上的压力差 而使风杯开始顺时针方向旋转 风速越大 起始的压力差越大 产生的加速度越大 风杯转动越快 但风杯开始转动后 由于杯 2 顺着风的方向转动 受风的压力相对减小 而杯 3 迎着风以同样的速度转动 所受风压相对增大 风压差不断减小 经过一段时间后 风速不变时 作用在三个风杯上的分压差为零时 风杯就变作匀速转动 这样根据风杯的转速 每秒钟转的圈数 就可以确定风速的大小 测风原理 过高效应 1 惯性2 垂直气流3 风向脉动一般的风杯风速表过高效应10 风向和风速的传送 传送和指示风向标所在方位的方法很多 有机械传送 电接式传送 电位计式传送 光电转换即格雷码盘等 其中最常用的是格雷码盘传送和指示风速的方法有机械式 电接式 电机式 磁感式和光电式即多齿光盘等 其中最常用的风速传感器是多齿光盘 格雷码盘格雷码盘将风向标轴的转动角度的度数变换成一个二进制的数字信号格雷码盘由等分的同心圆组成 由内到外分别作21 22 23 24 25等分 相邻两份做透光和不透光处理 通过位于码盘两侧同一半径上的光电耦合器件输出相应的格雷码 8 3EL型电接风向风速计 已淘汰 1 基本组成 1 感应器a 风速部分的组成及各部分的作用b 风向部分的组成及各部分的作用 2 指示器a 瞬时风速指示部分b 瞬时风向指示部分 3 记录器a 瞬时风速记录部分b 瞬时风向记录部分 8 3 1感应器 风向部分由风向标 风向方位块 导电环 接触簧片等组成 风速部分由风杯 交流发电机 蜗轮等组成 8 3EL型电接风向风速计 淘汰 指示器 瞬时风速指示部分 瞬时风向指示部分 记录器 风速记录部分 风向记录部分 EL电接风向风速计记录器 EL电接风向风速计指示器 8 4其他测风仪器 研修 热线风速表声风速表轻便风向风速表EN型系列测风数据处理仪单翼风向风杯风速传感器传感器螺旋桨式风向风速感应器海岛自动测风系统 热线风速表是利用一根被加热的金属丝置于空气中 散热速率与周围空气的流速有关 利用这种特性来测量风速 声风速表是利用声波在空气中的传播速度与风速之间的函数关系测量风速的 8 4其他测风仪器 热线风速表声风速表轻便风向风速表EN型系列测风数据处理仪单翼风向风杯风速传感器传感器螺旋桨式风向风速感应器海岛自动测风系统 轻便风向风速表是测量风向和一分钟内平均风速的仪器 它用于野外考察或气象站仪器损坏时的备份 8 4其他测风仪器 热线风速表声风速表轻便风向风速表EN型系列测风数据处理仪单翼风向风杯风速传感器螺旋桨式风向风速感应器海岛自动测风系统 EN型系列测风数据处理仪与特定感应器配套可以组成EN1型和EN2型两种自动测风仪 主要功能有 定时打印输出二分钟 十分钟平均风向风速 打印输出大风报警及解除警报的风向 风速及其出现时间 发出报警信号 风向感应器为单翼风标 当风标转动时 带动格雷码盘 按照码盘切槽的设计 码盘每转动2 8 光电管组就会产生新的七位并行格雷码输出 该感应器的头部是一组螺旋桨叶片 风向标部分制成飞机机身相似的外形 保持良好的流线型 该系统是专门为测量海岛出现的强风而设计的 其特点是具有较好的测强风能力 8 5测风仪器的安装 测风仪器的安装 根据不同的观测目的 其要求也不同 气象台站观测 主要是提供天气预报和气候资料 一般测风仪器在正确装置的情况下 大多能满足其准确度的要求 但对于像水文气象 农业气象 污染气象等为特殊目的而进行的观测 其精度要求高一些 因此对仪器的安装要求也不同在近地面几十米以内 风向随高度的变化比起风速的变化来要小得多 因此对测定风向仪器的安装没有更高的要求 只要求适当地高 避免地面突出障碍物的影响就可以了 但对测定风速仪器的安装 就需要考虑以下几个问题 根据风速随高度的变化情况以及为了观测和维护的方便 同时不受地形地物的影响 测风仪器的安装高度最好在10 20米之间 测风仪器安装的地点要求尽量开阔空旷 远离障碍物 使之不受气流涡旋的影响 因为建筑物 凹地 山谷等地形作用会使气流产生涡流 辐合 辐散 使风的资料只有小气候方面的意义 而缺少代表性 测风仪器必须垂直安装 安装测风仪器的杆不能太粗 否则会改变气流的自然状况 仪器应安装在杆的顶端 如果需要安装在杆的中间 则应使用一定长度的横臂 以使风速仪器远离杆柱 8 6气象应用 风在天气预报中有着重要的作用 常作为良好的预报指标而广泛应用风是一种自然力 我们可以利用风力发电 飞机选择适当的航线 就可以缩短飞行时间 减少油料消耗 风也可以将湿空气带到干旱地区 以减少旱情 但是 大风也可以吹倒树木 使建筑物倒塌遭到破坏 由于暴风而产生的波浪危及航行中的船舶安全 也可变成怒涛冲击海岸 破坏海岸建筑物 8 6气象应用 1 在天气预报方面气旋与锋面逼近时 风力一般都要加大 反气旋中心移近时 风力就要减弱 气压系统加强或气压梯度加大时风力就要大 而气压系统减弱或气压梯度变小时 风力就会减小大风多具灾害性 对航运 渔业生产及军事活动的影响甚大 所以大风预报是风的预报的重点 大风的预报内容主要包括起风的时间 风向 风力和大风持续时间等 考虑在预报地区范围中今后是否会出现产生大风的气压场形势 如有无锋面过境 有无气旋发生发展 会不会出现南高北低或东高西低的气压形势 或其他可能产生大风的天气系统此外 风对于霜的形成也有影响 有微风的时候 空气缓慢地流过冷物体表面 不断地供应着水汽 有利于霜的形成 但是 风大的时候 由于空气流动得很快 接触冷物体表面的时间太短 同时风大的时候 上下层的空气容易互相混合 不利于温度降低 从而也会妨碍霜的形成 大致说来 当风速达到3级或3级以上时 霜就不容易形成了 8 6气象应用 2 在城市规划方面为了尽可能地减少工厂排放的烟尘 废气对居住区的污染 城市规划尤其要考虑风的影响 各地都可根据该地的风频统计进行布局规划规律一 在常年盛行一种主导风向的地区进行城市规划时 应将向大气排放有害物质的工业企业布局在盛行风的下风向 居住区布局在上风向规律二 在风向随季节变化的地区进行城市规划时 应使向大气排放有害物质的工业企业避开冬夏季对吹的风向 布局在当地最小风频风向的上风向 居住区布局在下风向 8 6气象应用 3 在森林防火方面风力的大小还与森林火灾的发生关系十分密切 风不仅能把植被吹干 有助于燃烧 而且在火灾发生后 还能使火源得到充分的氧气供应 加速燃烧 同时使火花飞溅 影响火灾的形状 延伸火灾的外形 扩大火灾面积 使地面火变为树冠火 及时准确的预报会减免火灾的发生和将损失减到最小4 在军事气象方面风是海洋气象因素之一 它对海军平战时的活动影响很大 风力超过一定限度 还会影响海军兵器的使用 影响海军航空兵各种飞机的起降 甚至使飞机偏离预定航线 在海上防化学作战时 风向 风速也是必须考虑的因素之一 另外 风速对舰艇上无掩蔽人员的战斗力影响也很大 台风的影响就更大了 它使舰艇难以航行 飞机不能起飞 海上一切活动和训练演习都将被迫停止 所以 准确的预报对航行有重大意义 8 6气象应用 5 其它风速风向资料还广泛应用于建筑设计 输电线路设计 大气污染评价 风能资源开发等领域 风能主要被用于发电 电池充电 抽水或加工粮食等用途 大型现代化的风力涡轮可向用电设备供电 而小型的风力涡轮则多用于家庭和偏僻的乡村从而用来解决居民的能源需求 风能与其它能源相比 既有其明显的优点 又有其突出的局限性 风能具有四大优点和三大弱点 四大优点是 蕴含量巨大 可以再生 分布广泛 没有污染 三大弱点是 密度低 不稳定 地区差异大 对于缺水 缺燃料和交通不便的沿海岛屿 草原牧区 山区和高原地带 因地制宜地利用风力发电 非常适合 大有可为总之 风既可以给我们带来福 也能带来灾 因此 在利用风力 防御风灾以及工矿 城市建设 军事活动及大气污染等方面都需要有关风的资料 复习思考题 1 气象站地面风的观测项目有哪些 常用的测风仪器是什么 2 试述风向标测定风向的原理 各种风标各有什么优点 3 从风标响应的观点来说 对风标应有怎样的要求 4 试述杯形风速器的测风原理 它为什么不宜测定瞬时风速 5 为什么现在常见的风杯形风速器均采用三杯圆锥形 6 试述旋转风速表的过高效应 7 风向传感器传送和指示风向的方法有哪些 8 风速传感器传送和指示风速的方法有哪些 9 格雷码盘有何特点 10 试述电接风向风速计的基本构成及各部分的作用 复习思考题 11 电接风向风