地面风的测量

第七讲地面风的观测

知识结构EL型电接风向风速计3测风仪器的安装5概述1风的传感器2其他测风仪器4气象应用6§7.1概述１.什么是风风-空气的水平运动，矢量风向风速5气流场=大尺度的规则气流+随时间和空间随机涨落的（中）小尺度湍流气流测量包括：瞬时量、平均量两部分“平均值”：指在一定时段内的平均“瞬时值”：在一个相当短的时段内的平均6瞬时量、平均量都可以认为是“光滑值”，光滑时段的长短，取决于仪器和实际需要风速的单位：m/s天气报告中风速：2min的平均风速风向：10°为一个单位，用电码01，02，……，36表示，以正北为基准，顺时针方向旋转。7风向是指风的来向。风向的英文缩写符号纪录如下图北：North东：East南：South西：West当风速低于0.25m/s时称为静风。风级也是一种表达风力的常用单位2.风向

风向-风的来向十六方位3.风速风速-空气质点在单位时间内所移动的水平距离单位-米/秒记录-定时观测取整数，自记记录取一位小数111805年英国人F·蒲福根据风对地面（或海面）物体的影响，提出风力等级表，几经修改后得出蒲福风力等级表。目测风时，根据风力等级表中各级风的特征，即可估计出相应的风速。地面风指离地平面10-12米高的风。等级

名称陆上地物征象相当风速范围(m/s)中数0静风静，烟直上0.0～0.201软风烟能表示风向，树叶略有摇动0.3～1.512轻风人面感觉有风，树叶有微响，风向标能转动，旗飘动1.6～3.323微风树叶及小枝摇动不息，旗展开，高的草摇动不息3.4～5.444和风能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇。高的草呈波浪起伏5.5～7.975劲风有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波。高的草波浪起伏明显8.0～10.796强风大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难。高的草不时倾伏于地10.8～13.8127疾风全树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不便13.9～17.1168大风可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大17.2～20.7199烈风草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断20.8～24.42310狂风树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏24.5～28.42611暴风大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏28.5～32.63112飓风陆上少见，其摧毁力极大>32.6>334.如何取得具有代表性的风资料？

风的观测一般是取某一时段内的平均风速和最多风向

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0º）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

βVVxVy0风矢量示意图

矢量平均法5.阵风

阵风（风的阵性）-瞬时风向风速在平均值附近涨落的变化和分布特性。WMO定义-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。测平均风速时，仪器要有优良的积分性能（即自动平均能力）；测阵风，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！！§7.2风的传感器风向感应器风速感应器风的感应器风向标头部（平衡锤）水平杆尾翼风向感应器§7.2风的传感器风向标作用原理？在风的作用下，尾翼产生旋转力矩使风向标转动，并不断调整指向杆指示风向。风向标作用原理？灵敏性稳定性

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？24它们各有什么优缺点呢？242525262627World'slargestweathervaneinJerez,Spain2728风向标的设计要求在小风时能反应风向的变动，即有良好的启动性能；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；可以自由旋转。28295.1.3传递和指示风向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°。精确的方法有自整角机和光电码盘。实际风向角——二进制码——格雷码2930用光电转换方法把风向角度转换成二进制的角度编码使用格雷码，其最大的优点是每一个角度状态的变化只有一位二进数发生0/1的变化。30315.1.4风向标动态参数的选择优良风向标：准确的反应不断变化的风向统一风向标的特性指标，使各地气象站上的风向资料具有可比性。31325.1.4风向标动态参数的选择世界气象组织作了指导性的规定：在风速2.58m/s时，风向标在1s内使风向偏差衰减到初始值的1/e，（e=2.71828)

0.3<ζ<1.0(阻尼比)风速范围为0.5~60m/s线性度和分辨率为±2°~±5°32335.2旋转式风速计感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组件。常见的有三种型式：半球形的空心杯壳组螺旋桨叶片组平板叶片组33345.2.1风杯风速计的感应原理风杯由三个（或四个）半球形或抛物形空杯，都顺一面均匀分布在一水平支架上，支架与转轴相连。在风力作用下，风杯绕转轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录。34355.2.1风杯风速计的感应原理（续）在稳定的风力作用下，风杯受到扭力矩作用而开始旋转，它的转速与风速成一定的关系。推导风杯的转速和风速的关系，用Ramachandran的结果。35365.2.1风杯风速计的感应原理（续）两点推论：当风杯处于小风速时，必须考虑两种摩擦力矩（动摩擦力矩、静摩擦力矩）的影响。风速越大，摩擦力矩所占的比例越低。36375.2.2风杯风速计的惯性风杯达到匀速转动的时间要比风速的变化来得慢（滞后性）。这种现象在风速由大变小时较为严重，如当风速较大，很快地变为0时，因为惯性作用，风杯将继续转动，不可能很快停下来。这样，风速计所记录的风速要比实际风速为大。37385.2.2风杯风速计的惯性（续）过高效应：风杯风速计指示的平均风速将高于实际平均风速。过高效应还会受到其它两种影响：垂直风速的影响风向脉动的影响38395.2.2风杯风速计的惯性（续）风速在0—20m/s时，利用风杯测定风速比较准确。同时这种滞后性消除了许多风速脉动现象，因而，用风杯作感应器的风速表，测定平均风速比较好，而测瞬时风速则准确度较差。试验证明：三杯比四杯好，圆锥形比半球形好。39风向和风速的传送风向标：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风速：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40EL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41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。4243电接风向风速计记录器电接风向风速计指示器44455.2.3风车风速计和旋桨式风速计桨叶式风速表是由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一铅直面内，能逆风绕水平轴转动，其转速正比于风速。桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种。最常见的是由三叶式四叶螺旋桨，装在形似飞机机身的流线形风向标前部，风向标使叶片旋转平面始络对准风的来向。45465.2.3风车风速计和旋桨式风速计（续）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。4647风速信号的转换方法•电机式——风杯带动测速发电机，输出与转速（风速）成正比的电压讯号•电接式——风杯经变速机构输出代表一定风程的脉冲信号，计量规定间隔时间内脉冲信号的个数，得到该时段的平均风速等于该时段风程数/间隔时间47485.3散热式风速计基本原理：一个被加热物体的散热速率与周围空气的流速有关。热线风速仪（HotwireAnemometer）是被电流加热的细金属丝或微型球体电阻，放置在气流中，其散热率与风速的平方根成线性关系。TypicalHot-WireAnemometer4849热线风速仪原理电阻发热对流热交换I

输入电流,Rw

热线电阻,Tw

和Tf

分别为热线和气流温度,Aw

热线表面积,h

热线的热交换系数.4950电阻随温度的变化热交换系数随温度的变化a，b，c由仪器定标得到，通常c≈0.55051合并以上三式，消去h，可得进一步解得5152恒温式恒流式加热电流不变是，测出被加热物体的温度，就能推算出风速5253热线测量的主要误差气温变化造成的误差测风热线方向与气流方向不垂直造成的误差（要求夹角10度）空气密度的改变造成的误差5354通常在使加热电流不变时，测出被加热物体的温度，就能推算出风速。热线长度一般在0.5～2毫米范围，直径在1～10微米范围，材料为铂、钨或铂铑合金等。5455优点：感应速度快，时间常数只有百分之几秒，在小风速时灵敏度较高，探头体积小，对流场干扰小，响应快，能测量非定常流速；宜应用于室内和野外的大气湍流实验。缺点：金属丝过细，易断；对工作环境要求较高，灰尘不易过多。5556Hotwireanemometerprobe5657Theheadofacombinedairvelocityandairtemperaturesensor,typeCAFS-220.57585.4声学风速计利用声波在大气中的传播速度与空气的温度和风速关系，测定风速。静止空气中的声速气温在20℃时，干空气的声速等于343.5m/s。5859605.4声学风速计（续）现行的超声风速计的发射头和接收头是共用的，这样可以简化整个探头架的结构，减小对流场的干扰。沿y轴和z轴各装两对发射和接收装置，测定V在y和z方向的分量。60615.4声学风速计（续）阴影效应：由于绕流的作用，迎风面的探头，在其背后会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”。6162补充：声风速仪/温度计（续）

现有的探头款型:“K”style“A”style“Sx”style

"K"型传感器设计主要用于大气边界层研究也适合多种风速风向的研究工作"Sx"型传感器适合环境监测应用测量水平风速"A"型传感器非正交的设计，用于多种用途6263

"Vx"型传感器用于植物与森林冠层的通量研究（风速很低，风向变化很快）

"V"型传感器，专门用于紊流研究（涡相关研究）“Vx”style“V”style6364一、概述：激光风速仪（LaserDopplerAnemometerLDA;LaserDopplerVelocimeterLDV)是建立在激光技术和多普勒频移原理基础上，通过频率测量来测定风速的（FV）。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的参考光和散射光的频差，就可确定运载气溶胶粒子（Aerosolparticle)的气流速度。

5.5激光风速仪6465激光风速仪（LDA）优点：

1、可远距离遥测，响应速度快；

2、完全不干扰自然流场。激光风速仪的机构：

1、激光器；2、入射光学单元；3、收集光学单元；4、多普勒信号处理单元、5、数据处理系统。激光测速仪存在的问题：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65665.6风速检定设备旋转臂