现代大气探测学-第十二讲-高空温湿压风的探测-夏俊荣

1、南京信息工程大学南京信息工程大学 夏俊荣夏俊荣 致 谢 本课程多媒体教材是在兰州大学 张文煜教授以及成都信息工程学院 向卫国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。 第十二讲 高空温湿压风的探测 意意 义义 大气中个高度上的温度、湿度、气压以及大气中个高度上的温度、湿度、气压以及 风场资料，是研究大气中各种热力、动力风场资料，是研究大气中各种热力、动力 过程，以及天气分析和预报的最重要的资过程，以及天气分析和预报的最重要的资 料料 当前热点科学问题：对流层当前热点科学问题：对流层-平流层相互平流层相互 影响影响 主要内容主要内容 12.1 高空温湿压

2、的综合探测高空温湿压的综合探测 12.2 高空风的探测高空风的探测 12.3 气象应用气象应用 12.4 复习思考题复习思考题 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 概概 述述 飞机 探测 卫星 遥感 探测 火箭 探测 无线电 探空 雷达 探测 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 概概 述述 目前气象常规观测中， 大量使用的是无线电探空仪， 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 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 概概 述述 无线电探空仪无线电探空仪是一种遥测仪器，是一种遥测仪器， 它可以将感应的气象要素值转换为它可以将感应

3、的气象要素值转换为 无线电信号，不断地向地面发送，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探空信号，即可迅速获得探测结果 高高 空空 探探 空空 仪仪 即将升空的即将升空的 探空仪探空仪 L L波段雷达天线波段雷达天线 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字式高空探空型数字式高空探空 仪（当前主流）仪（当前主流） 需与需与GFE(1)GFE(1)型型( (即即L L波段波段) )二二 次测风雷达配合使用次测风雷达配合使用 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS

4、1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪 探空仪的测量原理探空仪的测量原理 A 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻热敏电阻 湿敏电阻湿敏电阻 压力传感器压力传感器 R/V 电池电池 R/V R/V V/V 多路开关多路开关 模数转换模数转换 微处理器微处理器 发射机发射机 参考电压参考电压 B 探空仪的基本结构探空仪的基本结构 GTS1GTS1型数字探空仪由传感器、智型数字探空仪由传感器、智 能转换器、发射机三部分构成。能转换器、发射机三部分构成。 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪 传感器传感器 温度温度传感器采用棒状传感器采用棒状热

5、敏电阻热敏电阻，在测量范围内，在测量范围内-90-90- 5555，阻值限定在，阻值限定在9K-700K,9K-700K,阻体长阻体长10mm10mm，直径，直径1mm1mm左右，左右， 表面有高反射率涂层，短波反射率优于表面有高反射率涂层，短波反射率优于93%93%，长波吸收率超，长波吸收率超 过过90%90% 湿度湿度传感器采用传感器采用高分子湿敏电阻高分子湿敏电阻，湿敏电阻出厂时都密，湿敏电阻出厂时都密 封在带有干燥剂的玻璃瓶中，一旦打开，要及时使用（一次封在带有干燥剂的玻璃瓶中，一旦打开，要及时使用（一次 性，在空气中暴露时间过长会影响测量精度）性，在空气中暴露时间过长会影响测量精度）

6、 气压气压传感器采用传感器采用硅阻固态压力传感器硅阻固态压力传感器( (简称硅压阻压力简称硅压阻压力 传感器传感器) )，该传感器对温度非常敏感，所以专门用一个热敏，该传感器对温度非常敏感，所以专门用一个热敏 电阻测量该传感器的温度，用于对被测气压的补偿电阻测量该传感器的温度，用于对被测气压的补偿 气压传感器安装在电路板上气压传感器安装在电路板上 （在智能转换器上）（在智能转换器上） 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪 智能转换器作

7、用智能转换器作用 将各传感器的物理量，按一将各传感器的物理量，按一 定格式转换成二进制代码，以二进定格式转换成二进制代码，以二进 制代码制代码“0”控制控制32.7kHz调制波信调制波信 号号 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪 发射机发射机 组成组成由超高频晶体管、微带由超高频晶体管、微带 线、可微调电容、鞭状天线、地网线、可微调电容、鞭状天线、地网 和穿芯电容构成和穿芯电容构成 作用作用接收地面雷达发射的询接收地面雷达发射的询 问信号，发送应答脉冲，发送温湿问信号，发送应答脉冲，发送温湿 压信息压信息 12.1 12.1 高高

8、 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪 工作原理工作原理 探空仪在升空过程中，热敏电阻、硅压探空仪在升空过程中，热敏电阻、硅压 阻压力传感器以及湿敏电阻分别随大气的阻压力传感器以及湿敏电阻分别随大气的 温度、气压、湿度而改变电阻值大小，这温度、气压、湿度而改变电阻值大小，这 些变化值通过智能转换器转变成不同的二些变化值通过智能转换器转变成不同的二 进制数据。智能转换器同时将这些探测到进制数据。智能转换器同时将这些探测到 的气象信息，调制到的气象信息，调制到16

9、75MHz1675MHz发射机上，使发射机上，使 其产生不同的工作状态，向地面其产生不同的工作状态，向地面GFE(1)GFE(1)型型 雷达发射温度、气压、湿度二进制代码和雷达发射温度、气压、湿度二进制代码和 测距应答脉冲，以完成高空温压风湿的综测距应答脉冲，以完成高空温压风湿的综 合探测合探测 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪 探空仪的测量范围探空仪的测量范围 温度：温度：+40- -80 +40- -80 tt0.20.2 相对湿度：相对湿度：95%-15% 95%-15% 环境温度环境温度-25-25，UU5%5% 环境温

10、度环境温度-25500hPa500hPa，PP2hPa2hPa 气压气压500hPa500hPa，PP1hPa1hPa 其他探空仪其他探空仪 RS-80型型芬兰芬兰Vaisala公司生产，业务公司生产，业务 上已经普遍使用，所有元件基本上是变电上已经普遍使用，所有元件基本上是变电 容式的容式的 RS-90型型RS-80型的新型号型的新型号 GPS数字式探空数字式探空 RS-92型型 WMO国际探空比对试验国际探空比对试验 截止截止2010年，一共举办了年，一共举办了8届届 2010年年7月在广东阳江，来自月在广东阳江，来自9个国家个国家16种探空种探空 仪，其中仪，其中15个都属于个都属于GP

11、S探空仪探空仪 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 （已淘汰）（已淘汰） GZZ2-1 GZZ2-1型探型探 空仪（又称空仪（又称 五九型探空五九型探空 仪）仪） 我国常用我国常用 的机械式电的机械式电 码探空仪码探空仪 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 探空仪的测量范围探空仪的测量范围 温度：温度：+40+40 -75 -75 相对湿度：相对湿度：100% 100% 15% 15% 气压：气压：1050 1050 10hPa 10hPa 为使所测气象要素值

12、超过测量范围仍为使所测气象要素值超过测量范围仍 能查算数据，因此，仪器的气温外延到能查算数据，因此，仪器的气温外延到- - 8585，相对湿度外延到，相对湿度外延到5%5%，气压校准曲线外，气压校准曲线外 延到延到5hPa5hPa，外延部分的资料仅供参考使用，外延部分的资料仅供参考使用 探空仪探空仪 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 温度感应器由双金属片、指针和支架等组温度感应器由双金属片、指针和支架等组 成，将厚度约成，

13、将厚度约0.2mm0.2mm的薄双金属片，卷曲成螺旋的薄双金属片，卷曲成螺旋 形，固装在支架上形，固装在支架上 湿度感应器由鼓膜状肠膜、中心连杆、扭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。气压感应元件是两个波纹形金属扁空盒。 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 主要由电码筒及驱动电码筒转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。动的微型电机和减速齿轮所组成。 探空仪工作时，电码筒以每分钟探空仪工作时，电码筒以每分钟5-5- 9 9转

14、的速度转动。它的主要作用是转的速度转动。它的主要作用是 将气象要素的变化转换成电码讯号，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通过发射机发向地面接收站 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 电码筒由电码片、电码筒支架，参考讯号片和尼龙电码筒由电码片、电码筒支架，参考讯号片和尼龙 齿轮绝缘接头等组成。齿轮绝缘接头等组成。 电码片电码片是用具有槽纹、长是用具有槽纹、长70cm70cm的金属薄片卷曲而成。的金属薄片卷曲而成。 槽纹上印有莫尔斯电码图案，在电码片上，白色部分是槽纹上印有莫尔斯电码图案，在电码片上，白色

15、部分是 导电的，棕色部分是绝缘的。当感应器的指针与电码片导电的，棕色部分是绝缘的。当感应器的指针与电码片 的白色部分接触时，电路接通，发出电码讯号；指针与的白色部分接触时，电路接通，发出电码讯号；指针与 棕色部分接触时，电路不通，不发讯号。棕色部分接触时，电路不通，不发讯号。 在电码筒轴一端有扇形的在电码筒轴一端有扇形的参考讯号片参考讯号片。电码筒每转。电码筒每转 一周，参考讯号片与机架上的导电簧片相接，发出一长一周，参考讯号片与机架上的导电簧片相接，发出一长 声声“” 的参考讯号，此时电码片不与任何指针相接。的参考讯号，此时电码片不与任何指针相接。 参考讯号用来区别各气象要素电码顺序。发出参

16、考讯号参考讯号用来区别各气象要素电码顺序。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后，紧接着发温度讯号，然后是气压讯号和湿度讯号 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 电码片上有两排导电花纹。上面一排代表电码电码片上有两排导电花纹。上面一排代表电码 的十位，共的十位，共3535个码；下面一排代表电码的个位数，个码；下面一排代表电码的个位数， 共共350350个电码。每一个十位数电码对应有十个个位个电码。每一个十位数电码对应有十个个位 数电码，即每一个十位数占有十个槽纹的宽度，每数电码，即每一个十位数占有十个槽

17、纹的宽度，每 一个个位数只占一个槽纹宽度。一个个位数只占一个槽纹宽度。 探空仪工作时，感应器的指针首先与十位数电探空仪工作时，感应器的指针首先与十位数电 码部分接触，然后与个位数电码部分接触。因此，码部分接触，然后与个位数电码部分接触。因此， 气象要素电码都是由两个电码组成。气象要素电码都是由两个电码组成。 由于电码筒是连续运转的，因此发讯工作不间由于电码筒是连续运转的，因此发讯工作不间 断地进行，电码讯号拍发次序为：参考讯号断地进行，电码讯号拍发次序为：参考讯号温度温度 讯号讯号气压讯号气压讯号湿度讯号湿度讯号，依次循环往复，依次循环往复 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 G

18、ZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 发射装置的作用是将探空仪各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。无线电波的形式传递到地面。 发射机产生发射机产生24.5MHz24.5MHz（配用（配用701701 雷达接收时为雷达接收时为400MHz400MHz）的高频电磁波，）的高频电磁波， 由单端半波天线发射出去。由单端半波天线发射出去。 五九型转筒式电码探空仪的性能五九型转筒式电码探空仪的性能 测量温度的误差测量温度的误差 主要是滞后误差主要是滞后误差(双金属片的热滞双金属片的热滞 系数系数)和辐射误差

19、和辐射误差(太阳辐射加热太阳辐射加热) 还有因元件沾湿和气球的热空气还有因元件沾湿和气球的热空气 尾流引起的误差尾流引起的误差 五九型转筒式电码探空仪的性能五九型转筒式电码探空仪的性能 测量气压的误差测量气压的误差 使用测压膜盒，因金属的弹性随温度使用测压膜盒，因金属的弹性随温度 和时间有变化，使测压有误差。由锡、和时间有变化，使测压有误差。由锡、 磷、青铜制成的膜盒温度系数较大磷、青铜制成的膜盒温度系数较大 经检测对比，五九型转筒式电码探空经检测对比，五九型转筒式电码探空 仪在低压测量精度较差仪在低压测量精度较差 五九型转筒式电码探空仪的性能五九型转筒式电码探空仪的性能 测量湿度的误差测量湿

20、度的误差 各种湿度元件不同程度存在多种误差各种湿度元件不同程度存在多种误差 五九型的测湿元件五九型的测湿元件肠膜，因其性能不稳肠膜，因其性能不稳 定，不同时间的检定曲线不能重合，相对湿定，不同时间的检定曲线不能重合，相对湿 度平均偏差可达度平均偏差可达4 （检定曲线检定曲线表示探空仪信号与气象要素表示探空仪信号与气象要素 值关系的曲线。每个探空仪都应该有温度、值关系的曲线。每个探空仪都应该有温度、 气压、湿度三条检定曲线）气压、湿度三条检定曲线） 由于肠膜的滞后系数随温度降低而加大，在由于肠膜的滞后系数随温度降低而加大，在 低温时的测湿误差较大，在低温时的测湿误差较大，在-30摄氏度以下几摄氏

21、度以下几 乎无法使用乎无法使用 关于无线电探空仪关于无线电探空仪 无线电探空仪：无线电探空仪： 资料具有较高的精度和分辨率资料具有较高的精度和分辨率 长期以来形成了较严密的全球探测长期以来形成了较严密的全球探测 网，资料有一定的可比性网，资料有一定的可比性 费用较低费用较低 全球高空探测网分布示意图全球高空探测网分布示意图 截止截止2001年年10月上半月月上半月 全球高空探测网分布示意图 无线电探空仪的优势：无线电探空仪的优势： 精度较高（但不如最新研制的探空仪）精度较高（但不如最新研制的探空仪） 实时性强实时性强 操作方便操作方便 几乎不受天气条件限制几乎不受天气条件限制 如配合适当的设备

22、如配合适当的设备(无线电经纬仪或测无线电经纬仪或测 风雷达风雷达)，可以同时获得高空风场的资，可以同时获得高空风场的资 料料 探空仪还可以装配各种类型的探空仪还可以装配各种类型的 特种探空仪，例如：特种探空仪，例如： 测量臭氧测量臭氧 大气电场大气电场 云内含水量云内含水量 各种辐射通量各种辐射通量 按其使用的方式，探空仪有三种装配方式：按其使用的方式，探空仪有三种装配方式： (1)常规探空仪常规探空仪 由上升气球携带，升空由上升气球携带，升空3040km 最长工作时间最长工作时间2h 信号传播距离信号传播距离200km 气球可携带重量气球可携带重量0.52kg 升速：升速：400mmin 探

23、测项目：温、湿、压和风（使用探测项目：温、湿、压和风（使用“回答回答 器器”，与，与701二次雷达配合测风）。二次雷达配合测风）。 探空仪即将施放探空仪即将施放 701雷达待命工作雷达待命工作 (2)定高气球探空仪定高气球探空仪 由定高气球携带，沿等密度线飞行探测，由定高气球携带，沿等密度线飞行探测， 可绕地球某个纬度带进行可绕地球某个纬度带进行 工作时间工作时间 数天数天 为节电，常间隔数小时定时发报，地面接为节电，常间隔数小时定时发报，地面接 收站可设数个，采取接力方式接收收站可设数个，采取接力方式接收 探测项目：温、湿、压，一些专门项目。探测项目：温、湿、压，一些专门项目。 (3)下投式

24、和火箭探空仪（下投式和火箭探空仪（12大探）大探） 多使用飞机、火箭或定高气球将仪器带到多使用飞机、火箭或定高气球将仪器带到 一定高度，然后将仪器弹射至携带舱外，一定高度，然后将仪器弹射至携带舱外， 由气球或降落伞携带下落由气球或降落伞携带下落 工作距离工作距离 300km 工作时间工作时间 几个小时几个小时 可由地面站或飞机接收信号可由地面站或飞机接收信号 探测项目：温、湿、压等。探测项目：温、湿、压等。 探空仪使用的探测元件：探空仪使用的探测元件： 注意要满足高空探测方面的基本精度要注意要满足高空探测方面的基本精度要 求求 探测仪为一次性使用产品：探测仪为一次性使用产品： 力求结构简单、体

25、积小、重量轻，且较力求结构简单、体积小、重量轻，且较 坚固坚固 具有一定的防辐射、防云雨沾湿，以及具有一定的防辐射、防云雨沾湿，以及 耐高空低温的能力耐高空低温的能力 高空探测的特点：高空探测的特点： 从地面到从地面到3040km的高空，大气中各要的高空，大气中各要 素的值远大于地面站的年变化范围素的值远大于地面站的年变化范围 气压：从气压：从1000hPa到到10hPa以下以下 温度：从温度：从+40到到-60以下以下 相对湿度：相对湿度：0到到100 可见，要满足在全量程范围内的低相对误可见，要满足在全量程范围内的低相对误 差和绝对误差是较难办到的。差和绝对误差是较难办到的。 在较短时间在

26、较短时间(1小时小时)，较高升空，较高升空(从地面到高从地面到高 空空3040km)的条件下，探测元件必须的条件下，探测元件必须快快 速响应速响应飞升各高度的上的气象要素变化飞升各高度的上的气象要素变化 要求探测元件应具有足够小的滞后系数，要求探测元件应具有足够小的滞后系数， 包括在高层低密度流量的条件下。包括在高层低密度流量的条件下。 探空仪信号解调之后，需利用检定曲探空仪信号解调之后，需利用检定曲 线换算成对应的气象要素变量线换算成对应的气象要素变量 检定结果由厂家进行。检定结果由厂家进行。 探空资料的整理及其软件设计探空资料的整理及其软件设计 资料整理的内容：资料整理的内容： (1)连续

27、要素的时间曲线连续要素的时间曲线 (2)求各规定等压面的温度、湿度（露点温度）求各规定等压面的温度、湿度（露点温度） (3)求各规定等压面的海拔高度，给出气球上求各规定等压面的海拔高度，给出气球上 升的时间高度曲线升的时间高度曲线 (4)选择特性层：指该层的温度或湿度梯度与选择特性层：指该层的温度或湿度梯度与 相邻的上、下层的温度或湿度梯度具有明相邻的上、下层的温度或湿度梯度具有明 显的差异。显的差异。 探空资料的整理及其软件设计探空资料的整理及其软件设计 (5)选择对流层顶选择对流层顶 (6)选择选择0层层 (7)漏测层漏测层 (8)最终探测高度最终探测高度 (9)编写天气电码编写天气电码

28、探空资料的整理及其软件设计探空资料的整理及其软件设计 由于探空仪的类型不同，在进行上述过程处理由于探空仪的类型不同，在进行上述过程处理 前还得根据不同的情况进行原始资料的预处理：前还得根据不同的情况进行原始资料的预处理： 进行多点的滑动平均，以判断和剔除一些明显错误进行多点的滑动平均，以判断和剔除一些明显错误 的读数。的读数。 对于温度测量值还必须进行辐射误差订正。对于温度测量值还必须进行辐射误差订正。 探空仪的观测误差以及探空仪的探空仪的观测误差以及探空仪的 对比工作对比工作 探空仪的测量误差是各种因素导致的误差总和。探空仪的测量误差是各种因素导致的误差总和。 空盒气压表高空探测的精度空盒气

29、压表高空探测的精度 测温元件的辐射误差测温元件的辐射误差 湿度元件的沾湿以及低湿条件下的瘫痪效应湿度元件的沾湿以及低湿条件下的瘫痪效应 探空仪的观测误差以及探空仪的探空仪的观测误差以及探空仪的 对比工作对比工作 探空仪的对比方式：探空仪的对比方式： 不同类型的业务探空仪对比不同类型的业务探空仪对比 业务探空仪与各国自己的标准探空仪对比业务探空仪与各国自己的标准探空仪对比 各国标准探空仪之间的对比各国标准探空仪之间的对比 WMO国际探空比对试验国际探空比对试验 截止截止2010年，一共举办了年，一共举办了8届届 2010年年7月在广东阳江，来自月在广东阳江，来自9个国家个国家16种探空仪，其种探

30、空仪，其 中中15个都属于个都属于GPS探空仪探空仪 典型探空结果典型探空结果 1.气球测风的基本原理气球测风的基本原理 2.单经纬仪定点测风单经纬仪定点测风 3.双经纬仪基线测风双经纬仪基线测风 4.雷达测风雷达测风 12.2 高空风的探测高空风的探测 空中各个高度上的风向风速的测定，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。获得从地面到面都具有十分重要的意义。获得从地面到 三十公里高度范围内不同高度上大气运动三十公里高度范围内不

31、同高度上大气运动 及其变化的数据的方法，通称为及其变化的数据的方法，通称为“高空测高空测 风风”或或“高空风的观测高空风的观测” 观测 意义？ 气球就会气球就会 垂直上升垂直上升 而无水平方向的位移而无水平方向的位移 气球就会做合成运动，气球就会做合成运动， 产生水平方向的位移，产生水平方向的位移， 无风无风 有风有风 作用在气球上的力作用在气球上的力 根据阿基米德定理根据阿基米德定理,气球受到的气球受到的浮力浮力为为: 式中式中F为浮力为浮力, 为单位体积内空气为单位体积内空气 的质量的质量,V为气球的体积为气球的体积 F= gV 1 气球测风的基本原理 气球测风的基本原理 气球测风的基本原

32、理气球测风的基本原理 与气球同体积的空气重力与氢气重力之与气球同体积的空气重力与氢气重力之 差，称为差，称为总举力总举力。用。用E表示，即：表示，即： E=V（-)g 1 气球测风的基本原理 气球测风的基本原理 总举力与气球的球皮和附加物总举力与气球的球皮和附加物 产生的重力之差称为产生的重力之差称为净举力净举力。用。用A 表示表示 总举力不能够完全决定气球能总举力不能够完全决定气球能 否上升，只有否上升，只有净举力净举力才能完全决定才能完全决定 A=E-B=V（-)g-B 1 气球测风的基本原理 气球测风的基本原理 任意任意 高度上的高度上的A与与A0的关系的关系 A0=V0（ 0-0)g-

33、B 1 气球测风的基本原理 气球测风的基本原理 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。 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。 经验表明氢气的扩散逸出不足以构 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 1 气球测风的基本原理 气球测风的基本原理 气球在上升过程中球内气球在上升过程中球内 氢气密度的变化氢气密度的变化 正比例于外界空气密度的变化，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而反比例于气球的体积的变化 1 气球测风的基本原理 气球测风的基本原理

34、即即V= V00=常量，常量，Vr=V0r0=常量常量 V V0 00 A=A0=常量常量 这一结论的假设条件（等压、等温及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，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但这个出入不大，假定的条件基本满足 A0=V0（ 0-0)g-B A=E-B=V（-)g-B 气球的上升速度气球的上升速度(12气科气科) 1、气球的升速公式、气球的升速公式 32 3 6 c g4 1 b 3 6 1 32 3 BA A 6 c g4 .1 3 6 1 BA A b 2 d MARRcs dtg R-空气阻力，空气

35、阻力，s-气球的大圆面积，气球的大圆面积， 式中式中/在球内、外等温等压的假定下，在球内、外等温等压的假定下， 可看作是常量，约等于可看作是常量，约等于1/14，空气密度，空气密度 可由观测当时的气压、气温来确定，阻力可由观测当时的气压、气温来确定，阻力 系数系数c虽然可以随球的大小而不同，但一虽然可以随球的大小而不同，但一 般可以取般可以取c=0.4，A、B则可以称量出来则可以称量出来 3 6 1 32 3 BA A 6 c g4 .1 引入空气标准密度引入空气标准密度 0=1.205/ m3 （ 0 指指 气温为气温为293K，气压为，气压为 760mmHg时的密度值），时的密度值）， 升

36、速公式可以写成升速公式可以写成 目前常用目前常用 的气球升的气球升 速公式速公式 其中其中6 1 01 bb 3 6 1 0 1 BA A )(b A与与B影响：升速与净举力影响：升速与净举力A，球，球 皮及附加物重量皮及附加物重量B重量有关，要使升重量有关，要使升 速增大，必须要增大速增大，必须要增大A或减小或减小B 2.影响气球升速的因子影响气球升速的因子 空气密度空气密度的变化：因为的变化：因为 - 1/6， ， 即气球的升速是随空气密度的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，根据资随高度的增高而缓慢增大，根据资

37、 料，其增加平均为每上升料，其增加平均为每上升1千米增大千米增大 2 空气阻力系数空气阻力系数c：理论计算中，阻：理论计算中，阻 力系数取为常量力系数取为常量0.4。实际上，在乱流。实际上，在乱流 很强时，空气阻力系数减小，使计算很强时，空气阻力系数减小，使计算 值偏低，在低空，尤其在白天，这一值偏低，在低空，尤其在白天，这一 因素影响很大因素影响很大 大气中垂直气流对升速的影响很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，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，气流上升运动强，背风坡下降运动强， 都直接影响升速都直接影响升速 渗透和扩散的影响渗透

38、和扩散的影响;随着高随着高 度的增加，渗透会越来越大，度的增加，渗透会越来越大， 使升速逐渐减小使升速逐渐减小 畸形和上升中的翻滚，阻力畸形和上升中的翻滚，阻力 增大，气球升速变小增大，气球升速变小 2、单经纬仪定点测风、单经纬仪定点测风 我们在观测点施放一个具有标准升速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间里的水平位移，据此就可以测定这一

39、 时段所对应的高度上的风向和风速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动的轨迹来确定高空的风向风速 2单经纬仪定点测风 设测风气球的升速设测风气球的升速w=100米米/分，分， 第第2分钟的仰角分钟的仰角2= 45，方位角，方位角2= 30， 第第4分钟的仰角分钟的仰角4= 30，方位角，方位角4=45， 求求24分钟的平均风速分钟的平均风速v及风向？及风向？ O O P4 P2 C2 C4 已知：测风气球的升速已知：测风气球的升速w=100

40、米米/分分 第第2分钟的仰角分钟的仰角2= 45，方位角，方位角2= 30 第第4分钟的仰角分钟的仰角4= 30，方位角，方位角4=45 求第求第2-4分钟平均风速和风向分钟平均风速和风向 200m 200m 400m 692.82m3400 C2 P4 P2 C4 24 C502.32 V4.2/ (42) 60120 C m s O N 236 11225 45180G 692.82m 529.16m 已知：测风气球的升速已知：测风气球的升速w=100米米/分分 第第2分钟的仰角分钟的仰角2= 30，方位角，方位角2=45 第第4分钟的仰角分钟的仰角4= 45，方位角，方位角4= 30 求

41、第求第2-4分钟平均风速和风向分钟平均风速和风向 O OP4 P2 C2 C4 200m 400m 400m m41.4633200 C2 P4 P2 C4 24 C200 V1.7/ (42) 60120 C m s O N G? 346.41m 200m 已知：风气球的升速已知：风气球的升速w=100米米/分分 第第2分钟的仰角分钟的仰角2= 30，方位角，方位角2=45 第第4分钟的仰角分钟的仰角4= 76，方位角，方位角4= 30 求第求第2-4分钟平均风速和风向分钟平均风速和风向 O O P2 P4 C4 C2 800m 200m 400m 692.82m3400 C4 P2 P4

42、C2 sm C /4 . 4 120 16.529 60)24( C V 21 O N 56 1145 45G 692.82m 529.16m 200m 双经纬仪基线测风，双经纬仪基线测风， 就是用两架经纬仪架设就是用两架经纬仪架设 在已知距离的两个测点在已知距离的两个测点 上，同时观测气球的运上，同时观测气球的运 动，读出仰角和方位角动，读出仰角和方位角 并通过计算求出气球的并通过计算求出气球的 高度高度 然后，与单经纬仪然后，与单经纬仪 定点测风一样，计算出定点测风一样，计算出 各高度上的风向、风速各高度上的风向、风速 两观测点之间的两观测点之间的 连线称为基线。连线称为基线。 由于气球高

43、度是由于气球高度是 实测的，因而准确实测的，因而准确 度较高。这种方法度较高。这种方法 也可用来测定云高也可用来测定云高 或云中个体或云中个体 3 双经纬仪定点测风双经纬仪定点测风 3. 双经纬仪定点测风双经纬仪定点测风 （一）基线的选择（一）基线的选择 （二）气球高度的计算（二）气球高度的计算 （1）投影法计算气球高度）投影法计算气球高度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度 （三）计算风向风速（三）计算风向风速 （一）基线的选择（一）基线的选择 基线的长度和方位对测风精度有直接影响。一般基基线的长度和方位对测风精度有直接影响。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

44、择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，因此，应络带来不便，也会影响两架经纬仪的相互瞄准，因此，应 该在保证测量精度的前提下，选择合适的基线长度该在保证测量精度的前提下，选择合适的基线长度 一般基线长度选为气球飞升最大高度的五分之一到五一般基线长度选为气

45、球飞升最大高度的五分之一到五 分之二左右分之二左右。 （一）基线的选择（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，两观测点可以有一定的高度差，但一般情况下，两两 架经纬仪互望时，其仰角或俯角不应超过架经纬仪互望时，其仰角或俯角不应超过 1 1 N A B 1 3. 双经纬仪定点测风双经纬仪定点测风 基线的选择基线的选择 气球高度的计算气球高度的计算 （1）投影法计算气球高度）投影法计算气球高度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度 水平面水平面 投影法投影法 3. 双经纬仪定点测风双经纬仪定点测风 基线的选择基线的选择 气球高度的计算气球高度的计算 （1）投影法计算气球

46、高度）投影法计算气球高度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度 铅直面铅直面 投影法投影法 3. 双经纬仪定点测风双经纬仪定点测风 基线的选择基线的选择 气球高度的计算气球高度的计算 （1）投影法计算气球高度）投影法计算气球高度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度 投影法计算时是假定基线两端的两架经纬仪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，两经纬仪观测线是不相交的。气球在空中

47、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。比较符合实际情况。 提高了计算精度提高了计算精度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度 h R2 B C M R3D R1 A B 矢量法确定气球在空间的位置矢量法确定气球在空间的位置 h R 2 B C M R 3 D R 1 A h R 2 B C M R 3 D R 1 A h R 2 B C M R 3 D R 1 A 3. 双经纬仪定点测风 （一）基线的选择（一）基线的选择 （二）气球高度的计算（二）气球高度的计算 （1）投影法计算气球高度）投影法计算气

48、球高度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度 （三）计算风向风速（三）计算风向风速 4.4.雷达测风雷达测风 tcS 2 1 雷达被广泛用来测定高空风向和风速雷达被广泛用来测定高空风向和风速 要对空间一点进行定位，须知道它的三个座标。经纬仪测要对空间一点进行定位，须知道它的三个座标。经纬仪测 风是借助风是借助仰角、方位角和高度仰角、方位角和高度进行定位的，而雷达则是借助进行定位的，而雷达则是借助仰仰 角、方位角和斜距角、方位角和斜距来定位的来定位的 对于普通的一次雷达，当雷达天线发射出的高频电磁波在对于普通的一次雷达，当雷达天线发射出的高频电磁波在 空中行进时，碰上目标物被反射回来，然

49、后又被雷达天线接收。空中行进时，碰上目标物被反射回来，然后又被雷达天线接收。 因此，只要测出从发射高频脉冲（主波）到接收到反射讯号因此，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（回波）所经过的时间，则目标至雷达站的斜距便可用下式便可用下式 计算出来计算出来 tcS 2 1 4 雷达测风雷达测风 一次雷达的缺点一次雷达的缺点 要求雷达发射机有较大的发射功率。电力要求雷达发射机有较大的发射功率。电力 消耗大，不经济消耗大，不经济 探测高度低，平均高度约探测高度低，平均高度约10 km，斜距最大，斜距最大 约约60 km 当高度较高、距离较远时，回波

50、讯号太弱当高度较高、距离较远时，回波讯号太弱 不能同时进行高空气压、温度、湿度等气不能同时进行高空气压、温度、湿度等气 象要素的探测象要素的探测 二次雷达二次雷达(12大探大探) 定义：所跟踪的目标物是有源的定义：所跟踪的目标物是有源的 该有源目标物就是具有发射能力的该有源目标物就是具有发射能力的“无线无线 电电回答器回答器”。回答器受雷达发射的。回答器受雷达发射的“询问询问” 脉冲所触发，同时它以和雷达相同的工作脉冲所触发，同时它以和雷达相同的工作 频率，从空中发回频率，从空中发回“回答回答”脉冲（探空信脉冲（探空信 号）。这种一问一答的工作状态就构成了号）。这种一问一答的工作状态就构成了

51、二次雷达的基本特点二次雷达的基本特点 常用二次测风雷达常用二次测风雷达 701二次测风雷达二次测风雷达 工作波长工作波长 75cm 测角精度测角精度0.15-0.2 探测高度探测高度 30km 测距精度测距精度 80m CFE（L）1型二次测风雷达（型二次测风雷达（L波段）波段） 发射机频率发射机频率 远程远程 1675MHz；近程；近程 1687MHz 雷达波段划分雷达波段划分 大多数雷达工作在超短波及微波波段，其频率大多数雷达工作在超短波及微波波段，其频率 范围在范围在30300000兆赫，相应波长为兆赫，相应波长为10米至米至1 毫米，包括甚高频毫米，包括甚高频(VHF)、特高频、特高频

52、(UHF)、超、超 高频高频(SHF)、极高频、极高频(EHF)4个波段个波段 2301000兆赫称为兆赫称为P波段波段、10002000兆赫兆赫 称为称为L波段波段、20004000兆赫称为兆赫称为S波段波段、 40008000兆赫称为兆赫称为C波段波段、800012500兆兆 赫称为赫称为x波段波段、12.518千兆赫称千兆赫称Ku波段波段、 1826.5千兆赫称千兆赫称K波段波段、26.540千兆赫千兆赫 称称 Ka波段波段 4 雷达测风雷达测风 雷达的组成及其各部分的作用雷达的组成及其各部分的作用 1.定时器定时器 2.发射机发射机 3.天线及馈线系统天线及馈线系统 4.接收机接收机

53、5.测距显示器测距显示器 6.测角显示器测角显示器 7.电源电源 测距原理 测角原理 4 雷达测风雷达测风 定时器定时器：是全机工作的是全机工作的 控制中心，它产生各种控制中心，它产生各种 脉冲作为计时的基准去脉冲作为计时的基准去 控制其他几个有关的分控制其他几个有关的分 机，使全机协调一致地机，使全机协调一致地 工作工作 4 雷达测风雷达测风 发射机发射机：是全机的高频功率是全机的高频功率 源。在定时器送来的正触发脉源。在定时器送来的正触发脉 冲控制下，定时地产生宽度约冲控制下，定时地产生宽度约 为为微秒的高压脉冲去调制超微秒的高压脉冲去调制超 高频振荡器，使产生约微秒高频振荡器，使产生约微

54、秒 宽的强功率超高频发射脉冲宽的强功率超高频发射脉冲 4 雷达测风雷达测风 天线及馈线系统天线及馈线系统：天线是用来定向发射天线是用来定向发射 和接收无线电波用的。（它由和接收无线电波用的。（它由1616根引向振根引向振 子及其反射网组成。每四根振子按菱形排子及其反射网组成。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，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组成总体天线阵。天线阵由天线转动装置 控制它作方位控制它作方位360360转动和上下俯、仰转动和上下俯、仰 9090

55、）。馈线系统的作用是将发射机产生）。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）送到接收的超高频回答脉冲（探空信号）送到接收 机机 4 雷达测风雷达测风 接收机接收机：将接收到的回答脉将接收到的回答脉 冲（探空信号）加以变频、冲（探空信号）加以变频、 放大、检波，把回答脉冲从放大、检波，把回答脉冲从 高频转变为视频脉冲，供给高频转变为视频脉冲，供给 测距和测角显示器，以便进测距和测角显示器，以便进 行观测行观测 4 雷达测风雷达测风

56、测距显示器测距显示器：是用来显示是用来显示 目标回波并测出目标离雷达的目标回波并测出目标离雷达的 斜距，为了提高测距精度，采斜距，为了提高测距精度，采 用两只示波管分别作为距离粗用两只示波管分别作为距离粗 显示和距离精显示显示和距离精显示 4 雷达测风雷达测风 测角显示器：测角显示器：用来测出空中回答器的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，其中各又分为粗位角，两只指示仰角，其中各又

57、分为粗 读和精读。粗度刻度盘指示读和精读。粗度刻度盘指示“1010”整整 倍的角度数，而精度刻度盘则指示倍的角度数，而精度刻度盘则指示 “1010”以下的角度数以下的角度数 4 雷达测风雷达测风 电源：电源：全机电源为单相全机电源为单相220220伏伏 5050周，可用市电或配发的汽油周，可用市电或配发的汽油 发电机供电。车厢照明可用交发电机供电。车厢照明可用交 流电或配发蓄电池供给流电或配发蓄电池供给 701701测风雷达主机测风雷达主机 701701测风雷达天线测风雷达天线 L L波段雷达天线波段雷达天线 L L波段雷达天线波段雷达天线 L L波段雷达天线波段雷达天线 L L波段雷达天线波段雷达天线 L L波段雷达天线波段雷达天线 L L波段雷达天线波段雷达天线 4 雷达测风雷达测风 测距原理测距原理 雷达测距雷达测距实际上是将距离的测量转换为时间实际上是将距离的测量转换为时间 的测量，由定时器输出一个触发脉冲控制测距显的测量，由定时器输出一个触发脉冲控制测距显 示器，使时间基线开始扫描；同时这一触发脉冲示器，使时间基线开始扫描；同时这一触发脉冲 经过经过2km2km延迟后去控制发射机工作，产生超高频延迟后去控制发射机工作，产生超高频 发射脉冲。所以在测距显示器扫描基线起始端可发射脉冲。所以在测距显示器扫描基线起始端可 看到主波脉冲，待天线接收到回