高空风的测量

1、高空风的测量一、概述一、概述为什么测量高空风? 了解大气层的运动状况,如区域和全球大气环流,包括海陆风、湖陆风、山谷风、城市热岛环流等;是研究全球及区域气候变化、准确预报天气现象的重要手段。二、高空风的观测方法二、高空风的观测方法n水平气流n根据气流对测量仪器的动力作用n轨迹法n平移气球n气球以一定的垂直速度上升n气球以一定的速度降落n垂直气流气球轨迹法定位参量n仰角n方位角n球高n斜距n水平距离三、气象气球三、气象气球n分类n作为各种大气探测仪器升空运载工具的探空球n作为气流运动轨迹示踪物的测风气球n测定云层高度的云幕气球气球的一般性质气球的一般性质n膨胀型气球n非膨胀型气球 参考表9.2

2、用于测风的10号、20号球皮，有红、白、黑等不同颜色 用氢气充灌气球 单经纬仪测风时，要根据气球的升速计算球单经纬仪测风时，要根据气球的升速计算球高；云幕球要由气球升速及入云时间计算云高；高；云幕球要由气球升速及入云时间计算云高；所以，控制及准确确定气球的升速是极为重要的。所以，控制及准确确定气球的升速是极为重要的。 下面将推导计算气球升速的公式，及讲述如何下面将推导计算气球升速的公式，及讲述如何使气球具有规定的升速的问题。使气球具有规定的升速的问题。气球的上升速度气球的上升速度计算气球的上升速度n作用于气球的力n重力、浮力、阻力n根据气球的受力情况，确定气球的上升速度 1、作用在气球上的力、

3、作用在气球上的力1 1、整个气球所受的向下的重力为：、整个气球所受的向下的重力为： g g h hv v +B=mg,m+B=mg,m为气球的总质量。为气球的总质量。2 2、气球在大气中受到向上的浮力、气球在大气中受到向上的浮力F=F=VgVg，其其中：中：为大气密度为大气密度。设球体内外的压强和温度在上升过程中保持设球体内外的压强和温度在上升过程中保持相等，由气体状态方程：相等，由气体状态方程：,HanR TPVPR THaRFgVngR作用在气球上的力作用在气球上的力n为球内气体克分子数。可见气球受的浮力与球内气体质量为球内气体克分子数。可见气球受的浮力与球内气体质量成正比。如果成正比。如

4、果n、g为常数，上升中气球所受浮力保持常数。为常数，上升中气球所受浮力保持常数。定义净举力定义净举力A为气球所受浮力与重力之差：为气球所受浮力与重力之差：()HA F mgVg B AE B式中式中E称为总举力称为总举力,是气球排开空气的重量与球内气体是气球排开空气的重量与球内气体重量之差重量之差.hEVg净举力净举力A为常数为常数,E也为常数也为常数.式中式中r为为气球半径气球半径;CD为比为比阻系数阻系数2212DRCr气球在上升时气球在上升时,周围空气阻力周围空气阻力R：根据实验根据实验,在在2m/sw100m/s的条件下的条件下,有有2、气球升速公式、气球升速公式212dwmFmgRd

5、tdwdw dzdwdtdz dtdz而 222122Dm dwACrwdz22220DCrdwAwdzmm气球的运动方程为气球的运动方程为：如果取一薄层大气，CD , r , R ,取为常数，取初条件z=0时，w=022221exp()DDCrAwzCrm21/2121 exp()DDCrAwzrCm12,DAzwrC 有：实际上，在气球上升过程中很快w将趋近于w应用上式计算气球的升速很不方便，因为在上升过程中气球不断膨胀，r是变化的。24()3HArgB1/33()4()HrABg 1,(1) ,aHHaHHRRRR 由球内外温度压力相等:取氢气 =0.90-0.93代入(9.40)得:1

6、 / 31 / 33()41(9.41)()rABgr由式 可 见 ,上 升 中变 小 ,r增 大 .111/221/6611/331/31/2()42()()3DAAwbbABEgbC 式中因此，我们控制球重及净举力，就可改变球的升速。因此，我们控制球重及净举力，就可改变球的升速。在净举力及球重不变时，空气密度越小，升速越大，在净举力及球重不变时，空气密度越小，升速越大，因而，气球的升速随高度会稍有增大。因而，气球的升速随高度会稍有增大。确定气球位置的仪器设备n光学经纬仪n雷达n二次雷达n无线电经纬仪nGPS卫星导航定位技术单经纬仪测风原理单经纬仪测风原理等速上升气球的生速为等速上升气球的生

7、速为 ; ;：方位角：方位角：仰角：仰角在在t t时刻气球上升的高度为：时刻气球上升的高度为：H=H=t t气球在水平方向上的投影距离气球在水平方向上的投影距离为：为：L=L=HctgHctg水平风速为：水平风速为：v=v=dL/tdL/t双经纬仪测风双经纬仪测风水平面投影法水平面投影法 气球位置气球位置P在在A点所在水点所在水平面上的投影为平面上的投影为PA，在，在B点所在水平面上的投影点点所在水平面上的投影点为为PB，设，设PPA=H ，PPB=H ， H ， H 分别为分别为气球相对于气球相对于A点及点及B点的高点的高度，因度，因A、B两点间的高度两点间的高度差为差为h，所以有：所以有： H =H -h 、 和和 、 可由可由A、B两点的经纬仪仰角和两点的经纬仪仰角和方位角观测得出。方位角观测得出。 在平面三角形在平面三角形 A BPB中，设中，设 A PBB= ，则有则有 + + =180， =180（ + ），根），根据正弦定理：据正弦定理： sinsinsinABLLb同理同理sinsinAbLsinsi