风的测量-气象仪器1

1、气象仪器第七章 风的测量2022/9/2527.1 概述7.2 风向的测量7.3 风速的测量7.4 EL型风向风速计7.5 风廓线雷达7.6 测风仪器的安装与检定7.1 概述风的定义2022/9/253 空气的运动可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）。风就是空气的水平运动，它是一个矢量，风的运动既有速度又有方向。因此风的观测包括风向和风速两项。 。 风的测量值应包括瞬时值和平均值两部分。 “平均值”是指在一定时段内的平均； “瞬时值”可认为在一个相当短的取样时段内的平均，或称为“光滑值”。7.1 概述风的定义2022/9/254 空气的运动可分解成垂直的和水

2、平的两个分量。垂直分量称为空气的垂直运动（如对流运动）。风就是空气的水平运动，它是一个矢量，风的运动既有速度又有方向。因此风的观测包括风向和风速两项。 。“平均值”是指在一定时段内的平均“瞬时值”可认为在一个相当短的取样时段内的平均，或称为“光滑值”风的测量值应包括平均值和瞬时值两部分。7.1 概述风的定义 2022/9/255 风向指风的来向指在规定时间段内出现频率最多的风向 最多风向指在规定时间段内风向的平均值 平均风向 风速指空气质点在单位时间内所移动的水平距离 最大风速指在某个时段内出现的平均风速中的最大值。 瞬时风速空气微团的瞬时水平移动速度。在自动气象站中，瞬时风速是指3s的平均风

3、速 极大风速指某个时段内出现的瞬时风速的最大值。 平均风速指某个时段内风速的平均值。地面气象观测中，从给定时间段内选取任意10min的平均风速最大值作为该时间的最大风速7.1 概述风的定义2022/9/256 风是所有气象要素中随时间变化最剧烈的一个要素。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间内的平均风速和最多风向。 实验表明：取10min时间段内的平均值即可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12min时间端内的平均值，也可达到一定代表性的要求。气象台站观测中，一般是取2min的平均风速和最多风向，自记仪器是取10min的平均风速和最多

4、风向。如何取得具有代表性的风资料？7.1 概述风的定义 2022/9/257 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征。 阵风的定义是：在规定时间间隔内（10min）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2min者。 风的阵性在航空、航海、大气污染和放射性微尘的扩散等方面都有广泛的应用。 阵风的观测主要有两个变量：风速和风向的标准偏差、阵风风峰值。7.1 概述单位 2022/9/258 风速的常用单位是m/s 1m/s = 3.6 km/h 记录风速取一位小数 风向以10作为一个单位，用电码01、02、36来表示，以正北为基准，顺时针方向旋转。当风向

5、仪器精度较低时，一般用16个方位表示，用英文缩写符号记录。7.1 概述单位2022/9/2597.1 概述单位2022/9/25107.1 概述单位2022/9/2511 零级烟柱直冲天，一级青烟随风偏；二级轻风吹脸面，三级叶动红旗展；四级枝摇飞纸片，五级带叶小树摇；六级举伞步行艰，七级迎风走不便；八级风吹树枝断，九级屋顶飞瓦片；十级拔树又倒屋，十一二级陆上很少见。风级歌7.1 概述2022/9/2512当没有测定风向风速的仪器，或仪器出现故障时，可目测风向风力估计风力 根据风对地面或海面物体的影响而引起的现象，按风力等级表估计，并记录相应风速的中数值目测风向 根据炊烟、旌旗、布条展开方向及人

6、的感觉，按八个方位估计。目测风向风力时，观测者应站在空旷处，多选几个物体认真观察，以尽量减少估计误差7.1 概述风的测量方法2022/9/2513测量风向风向标测量风速风杯式风速计、风车风速计、螺旋桨式风速计、热线风速表、超声波风速表同时测量风向和风速 EL型电接风向风速计等测量高空风向和风速风廓线雷达7.2 风向的测量风向标 2022/9/2514尾 翼感受风力的部件，在风力的作用下产生旋转力矩，使指向杆不断调整取向，与风向保持一致指向杆指示风的来向平衡锤装在指向杆上，以使整个风向标对支点（旋转主轴）保持重力矩平衡转动轴风向标的转动中心，并通过它带动一些传感元件使风向标指示的度数传送到室内的

7、指示仪表上风向标外形可分为尾翼、平衡锤、指向杆、转动轴四部分7.2 风向的测量 风向标 2022/9/2515 当风的来向与风向标成某一交角时，风对风向标产生压力，这个力可以分解成平行和垂直于风向标的两个风力。由于风向标头部受风面积比较小，尾翼受风面积比较大，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风的来向时，由于翼板两边受力平衡，风向标就稳定在某一方位。7.2 风向的测量 风向标 2022/9/2516风向标的设计要求1.在小风时能反应风向的变动，即有良好的启动性能；2.具有良好的动态特性，即能迅速准确地跟踪外界的风向变化7.2 风向的测

8、量 风向标 2022/9/2517为了使风向标灵敏，可以在重量一定的前提下，加大尾翼的面积，加大其压力中心到垂直轴的距离（力臂），减小轴部摩擦等。为了使风向标稳定，则需要适当减小风向标的重量，减小转动半径和增大受风面积，也可以改进风标的形状。可见这两个要求有时是互相矛盾的，需要设计成哪种形式，要根据测量任务来决定。7.2 风向的测量 风向标 2022/9/2518 双叶型（双尾型）：尾部两翼有20度的张角，增大了垂直方向上的风压，灵敏性较好，同时由于张角的存在，风向标作惯性转动时，受到摆回平衡位置的力也要大些，因此稳定性高。缺陷：尾翼对气流的破坏严重。 菱形风向标体积、重量小灵敏度好；尾翼透空

9、，气流从尾翼通过，形成强气流，使尾翼不易摆动，并能将尾部的涡流带走，使得气流稳定，-稳定性好7.2 风向的测量 风向标 2022/9/2519 流线型（翼剖面型）：具有菱形风向标的优点，但是：制造上比较困难，容易变形（达因式风速计就是采用这种风标） 单叶型（单尾型）：灵敏性、稳定性不够理想实测中应用较少7.2 风向的测量风向标的动态特性2022/9/2520对于风向标，当风向变化时，它将经过一个阻尼简谐振动产生过量指示而逐渐趋于稳定。仪器的响应取决于环境量、仪器的响应速度和加速度。7.2 风向的测量风向信号的传送和指示2022/9/2521 风向标感应的风向必须传递到地面的指示仪表上，以触点式

10、最为简单，风向标带动触点，接通代表风向的灯泡或记录笔电磁铁，作出风向的指示或记录，但它的分辨只能做到一个方位22.5。7.2 风向的测量风向信号的传送和指示格雷码式2022/9/25227.2 风向的测量风向信号的传送和指示格雷码式2022/9/2523格雷码盘由等分的同心圆组成，由内到外分别做0、20、21、22、23、24、25、26、27等份，相邻两份做透光和不透光处理，（图中涂黑的表示不透明，未涂黑的处表示透明）通过位于码盘两侧同一半径上的光电耦合器件对输出相应的格雷码。当光通过码盘的透明部分时，光电耦合器件接收到的信号为“1”；当光通过码盘的不透明部分时，接收到的信号为“0”。常用7

11、位，分辨率为2.8度7.2 风向的测量风向信号的传送和指示格雷码式2022/9/2524 格雷码最大的优点是每进一位只有其中的一位数发生0与1之间的变化，因为即使发生误读也只能产生一位码的误差，这对保证测量风向的精度是大有好处的。格雷码盘固定在风向标的轴上。当码盘随着风向标转动时，通过光电转换线路，把光电信号转换为电信号，输入到指示、记录系统，实现格雷码与风向标角度的转换。7.3 风速的测量旋转式风速计 旋转式风速计的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组件。常见的有风杯式风速计、螺旋桨 式风速计。2022/9/25257.3 风速的测量风杯式风速计 目前普遍采用的测定风速的仪器是风杯式风速计

12、，它的感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成。空心杯壳固定在互成120的三叉星形支架上或互成90的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。2022/9/25267.3 风速的测量风杯式风速计2022/9/2527 当风从左方吹来时，风杯1与风向平行，风对风杯1的压力在最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度角相交，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，

13、风杯转动越快。 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。7.3 风速的测量风杯式风速计2022/9/2528 当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘或磁棒转动，通过电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。7.3 风速的测量风杯式风速计2022/9/2529目前新型转杯风速表均是采用三杯的，并且锥形杯的性能比半球形的好实验认为三杯

14、优于四杯一是三杯的旋转力矩在整个回旋过程中分布比较均匀，转动比较稳定二是同样的材料和结构，单位质量所得到旋转力矩是三杯大于四杯，因此比较灵敏7.3 风速的测量风杯式风速计2022/9/2530当风速增加时转杯能迅速增加转速，以适应气流速度风速减小时，由于惯性影响，转速却不能立即下降旋转式风速表在阵性风里指示的风速一般是偏高的成为过高效应（产生的平均误差约为10%）过高效应还会受到垂直气流和风向脉动的影响7.3 风速的测量螺旋桨式风速计 2022/9/2531 电扇由电动机带动风扇叶片旋转，在叶片前后产生一个压力差，推动气流流动。螺旋浆式风速计的工作原理恰好与此相反，对准气流的叶片系统受到风压的

15、作用，产生一定的扭力矩使叶片系统旋转。这种能量如果加以利用就是风力发电。 螺旋桨式风速计是由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一铅直面内。7.3 风速的测量螺旋桨式风速计 2022/9/2532 螺旋桨式风速计的叶片旋转平面应始终对准风的来向，因此它的感应部分需要与风向结合在一起。风向标部分则制成与风机机身相似的外形，保持良好的流线型。 在以下假设情况下，经过计算可知螺旋桨式风速计的转速与外界风速成正比。 叶片是一个扁平薄板，当气流的方向与叶片的基线一致时，叶片上不受力的作用不考虑机械摩擦和空气对叶片的阻力叶片系统旋转时，没有带起旋转气流叶片系统正前方的气流速度等于远处的风速7.3 风速的测量

16、2022/9/2533 三轴风速计：利用三个风车风速计测量风速 x，y 和 z 分量的仪器7.3 风速的测量热线风速表 2022/9/2534 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的特性来测量风速。被加热的金属丝，它所产生的热量为 式中I为流过热线的电流，Rt为热线电阻。与此同时，在速度为v的气流中，一根垂直于气流的金属丝，它散失到空气中的热量为式中系数A代表分子的散热作用， 代表气流的作用。对于某一热线风速表，A、B均为常系数， t-为热线与气温的温差。7.3 风速的测量热线风速表 2022/9/2535 当v足够大时，则可忽略分子散热。当热量交换达到平

17、衡时，Q1=Q2。 从上式可知，若固定加热电流I，即可确定v与t-的关系；若固定热线与空气的温差t-，则可确定出v与I的关系。前者称为恒流式，后者为恒温式。7.3 风速的测量声风速表 2022/9/25367.3 风速的测量声风速表 2022/9/2537 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。静止空气中的声音速度为：其中为质量热容比，Tsv为有声绝对温度，与气温绝对温度T的关系为气温20时，干空气中的声音传播速度是343.5m/s。7.3 风速的测量声风速表 2022/9/2538 假设气流速度V的三个分量为Vx、Vy 、Vz ，声波的某一相位面从坐标原点到达(

18、x, y ,z)所需要的时间t时 设y与z为零，等相位从(0,0,0)到达点(d,0,0)和点(-d,0,0)的时间分别为t1和t27.3 风速的测量声风速表 2022/9/2539如果把两个超声波发射元件G1和G2、两个接收元件R1和R2安置成如右图所示。R1接收G1发射的声波，R2接收G2发射的声波，同时测出时间t1和t2，通过适当的电子线路得t1+ t2到和t1- t2的数值，通过公式就可计算出风速V在x方向的分量。同理，沿y轴和z轴各装两对发射与接收装置，测定风速V在y和z方向的分量。7.3 风速的测量声风速表 2022/9/2540 阴影效应：由于绕流的作用，迎风面的探头，在其背后会

19、产生一定的尾流区域，这种现象将导致声波传播路径偏长，而使计算风速值偏低，这种效应称之为“阴影效应”。 阴影效应的大小取决于探头的外形以及风矢量与超声探头轴线之间的夹角。夹角为90度时，效应为0。7.3 风速的测量激光风速仪 2022/9/2541 激光风速仪是建立在激光技术和多普勒频移原理的基础上，通过频率测量来测定风速的。 激光通过大气层时，大气层中的气溶胶粒子对入射光有散射效应，而运行的气溶胶粒子将使散射光的频率产生多普勒频移效应。在接收器内比较发射光的参考光和散射光的频差，就可确定运载气溶胶粒子的气流速度。 激光风速仪测得的风速并不是真正的大气流动速度，而是悬浮于气流中的散射粒子的运动速

20、度。因为粒子与流体的密度有显著差异，粒子不可能完全跟随流体运动，其速度总会有差异，这就造成了激光测量的误差。7.3 风速的测量轻便风向风速仪 2022/9/2542 轻便风向风速仪是测量风向和一分钟内平均风速的仪器，它用于野外考查和仪器损坏时的备份仪器。 7.3 风速的测量海岛自动测风系统 2022/9/2543 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。 系统由两个部分组成：一个是自动采集部分，另一个是接收部分。采集部分由风向风速传感器、数据处理器、调制解调器、无线电收发讯机、太阳能板和蓄电池组成。接收部分由计算机、调制解调器、无线电收发讯机和打印机组成。采集部

21、分对风向风速传感器采样，然后计算出风向风速的平均值。通过无线通讯实现采集数据到接收部分的传输。有日照时，采集部分用太阳能电池对蓄电池充电。 7.3 风速的测量风速的传送和指示2022/9/2544 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。其中最常用的是多齿光盘。 多齿光盘固定在风杯轴上，盘上有等距的孔，光盘上面装有发光二极管，下面装有光敏三极管。当风杯带着光盘转动时，由于孔的不连续性，光敏三极管时而导通时而截止，形成光脉冲信号，每一个脉冲信号代表一定的风程。这样就能得到与风杯转速成正比的频率信号。由计数器计数，经转换即可得到实际的风速。7.4 EL型电接风向风

22、速计 电接风向风速计是由感应器、指示器、记录器组成的有线遥测仪器感应器风速部分风向部分指示器瞬时风速指示部分瞬时风向指示部分记录器瞬时风速记录部分瞬时风向记录部分风向部分由风向标、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 7.4 EL型电接风向风速计7.4 EL型电接风向风速计固定在底座防水罩内的方位盘，有内外两环，外环是导电环，内环分成八块，互相绝缘，称方位块；装在风标座防水罩内的叫风向电接簧片，簧片上有三个电接点。随着风标的转动，外面的一个电接点在导电环上滑动，靠里的两个电接点在方位块上滑动，这两个电接点的距离等于半个方位块的宽度。随着风向的不同，三个电接点

23、就停在不同的位置上，里面的两个电接点可能停在一个方位块上，也可能停在相邻的两个方位块上。这样，当风标带动电接簧片在方位块上转动时，就可指示出16个方位。7.4 EL型电接风向风速计 当风杯转动时，带动蜗轮，并通过拨钩推凸轮一起转动。风速电接簧片的一端在凸轮表面滑动，当凸轮不断地转动时，上面一个簧片先从凸轮最高点跌下来，与下面一个簧片接触，紧接着下面一个簧片也从凸轮最高点跌下来，于是上下簧片断开，完成一次电接。风速愈大，风杯转得愈快，单位时间内电接的次数也就愈多。由于每吹过200米风程（风杯转过80圈），接点就接触一次，记录器风速笔尖就在自记纸风速坐标上向上或向下移动1/3格(三次移动一格)。根

24、据笔尖10分钟内在自记纸上移动的格数就可以求出当时的平均风速 。风杯轴同时还带动磁钢在定子线圈中转动，线圈上就产生交流电动势，其数值基本上与风速成正比例。7.4 EL型电接风向风速计风向指示器上有一个八灯盘，用来观测瞬时风向。风向标上的八个方位块通过电缆分别与指示器内八个小灯泡相连接，根据风向标所在的位置，有一个或相邻两个小灯泡经过感应器的方位块接通负极。所以，这个或相邻的两个灯泡就点亮了，指示出相应的风向。7.5 风廓线雷达风廓线雷达 2022/9/2550 风廓线雷达是一种遥感高空风向、风速分布的仪器。当向大气层发射一束无线电波时，由于温度和湿度的湍流脉动，大气折射指数产生相应的涨落，雷达

25、波束的电磁波信号将被散射，其中的后向散射部分将产生一定功率的回波信号。这种回波信号与大气中的云雨质点回波散射有所不同，称之为晴空散射。由于散射气团随风漂移，沿雷达波束径向的风速分量的大小将导致回波信号产生一定量的多普勒频移，测定回波信号的频移值可以直接计算出某一层大气沿雷达波束径向的风速分量值。7.5 风廓线雷达风廓线雷达 2022/9/2551 风廓线雷达是近20多年来发展起来的新型测风遥感设备。它以晴空大气作为探测对象，利用大气对电磁波的散射进行风场的测量。风廓线雷达发射的电磁波在大气的传播过程中，因大气折射率的不均匀分布而产生散射，其中，后向散射能量被风廓线雷达所接收，根据多普勒效应，当

26、目标物相对雷达波束方向存在径向运动时，接收信号的频率和发射信号的频率产生偏差，称为Doppler频移，根据Doppler频移，再经过一定的信号与数据处理可以得到大气的风场信息。另外，为了进行距离的测量，雷达发射的是脉冲波，根据回波信号返回的时间来确定回波的位置。通过Doppler测速和无线电测距原理的结合，风廓线雷达得到不同高度上的风场信息，从而获取大气风廓线资料。 7.5 风廓线雷达风廓线雷达 2022/9/2552风廓线雷达探测具有3个突出的特点:(1)获取资料的时间和空间分辨率高，风廓线雷达的测量具有很高的时间和空间分辨率。测量数据输出的时间间隔可以短到几分钟，数据的空间分辨率一般在几十

27、米的量级，可以给出较密的廓线资料。从此意义上讲风廓线雷达的测量具有连续和实时的特点。 (2)获取资料的种类多，风廓线雷达能够提供多种气象信息。风廓线及其随时间的演变是风廓线雷达提供的基本气象资料，包括水平风廓和垂直风廓线等。在获取风场资料的同时，从连续的观测数据序列中，可以分析出切变线、大气重力波动和大气稳定度等信息。通过多波束的测量可以估算水平散度和变形量等更多的气象信息。从Doppler谱宽可以获取湍流信息，从雷达反射率可以得到反映湍流强度的湍流结构常数。总之，风廓线雷达在提供详细的风场结构及其随时间演变的同时，还能够提供大量的可以用于大气科学研究和天气预报的有用信息。特别是，常规探测手段

28、很难获取这些资料。 (3)遥感方式，风廓线雷达属于遥感设备，特别适合需要无球探测的场合，如机场的测风应用。 7.5 风廓线雷达风廓线雷达 2022/9/2553(2)获取资料的种类多，风廓线雷达能够提供多种气象信息。风廓线及其随时间的演变是风廓线雷达提供的基本气象资料，包括水平风廓和垂直风廓线等。在获取风场资料的同时，从连续的观测数据序列中，可以分析出切变线、大气重力波动和大气稳定度等信息。通过多波束的测量可以估算水平散度和变形量等更多的气象信息。从Doppler谱宽可以获取湍流信息，从雷达反射率可以得到反映湍流强度的湍流结构常数。总之，风廓线雷达在提供详细的风场结构及其随时间演变的同时，还能

29、够提供大量的可以用于大气科学研究和天气预报的有用信息。特别是，常规探测手段很难获取这些资料。 7.5 风廓线雷达风廓线雷达 2022/9/2554 (3)遥感方式，风廓线雷达属于遥感设备，特别适合需要无球探测的场合，如机场的测风应用。 风廓线雷达在火箭发射保障、飞机起降，军事射弹风修正、空气污染潜势预报和空气质量预报以及城市环境气象应用服务等许多方面都有着广泛的应用前景。7.5 风廓线雷达风廓线雷达 2022/9/2555风廓线雷达探测具有3个突出的特点:(1)获取资料的时间和空间分辨率高，风廓线雷达的测量具有很高的时间和空间分辨率。测量数据输出的时间间隔可以短到几分钟，数据的空间分辨率一般在几十米的量级，可以给出较密的廓线资料。从此意义上讲风廓线雷达的测量具有连续和实时的特