风的观测课件

风的观测风向风速仪风速表和风向标微气象观测系统风杯风速计和风向标风杯风速计螺旋浆式风速风向计三分量风速仪大气探测观测站16M风温湿梯度塔全自动资料采集系统太阳辐射计温、湿、风、辐射观测超声湍流观测系统温湿度、地温观测系统近地层大气多层风、温、湿与通量观测超声风速仪＆8.1概述一、基本知识

1.风：大气相对地面运动的水平分量叫作风。

2.风速：单位时间气流运动距离叫做风速。

3.风向：风的来向，共计16个方位。二、为什么测风？三、测风仪器

1.台站：EL电接风向风速计、手持风向风速计、雷达测风、气球测风；

2.研究：超声风速计、三轴风速计、激光雷达、热线风速仪、气球测风；1、风向的测量16个方位风向用16方位表示与方位角度的对应关系风速与风力等级风的测量中存在的问题测风仪器安装：开阔、平坦距地面10米高度仪器磨损：定期检定风的脉动：时间概念，峰值和统计量风的平均：过高效应；

0和360之间的切换风向和风速测量的匹配自动站风测量规范1分钟和2分钟平均风（3秒钟为步长的滑动平均）10分钟平均风（1分钟为步长的滑动平均）1小时内最大风和出现时间（正点时从每分钟的10分钟平均风速中选取最早出现的最大风速和相应的风向）1小时内极大风和出现时间（正点时从3秒钟平均风速中选取最早出现的极大风速和相应的风向）＆8.2风向的测量原理§8.2.1.风向标及风向测量风向标由指向杆、平衡重锤、旋转轴和尾翼组成。增加灵敏度：减少轴摩擦、加大尾翼、加长后杆。

对风向标的结构和造型主要考虑：

1.灵敏性：有良好的起动性能。

2.稳定性：有良好的动态性能，迅速跟踪风向变化。§8.2.2风向标的动态特征当风向变动时，风向标必须迅速作出反应。假设风向标偏离风向的角度为

，风尾板上受到一个力为，力作用中心距旋转轴的力臂为，则单位角度风向所产生的扭力矩为：在风力作用下，风向标转动角速度为：风标在线速度方向相对于空气运动的速度为：

为平均风速在线速度方向上的投影分量；产生的线速度（）。作用于风标上风矢量的迎角为，而理论上应为（8.2）应用了当β很小时，sinβ=tgβ=β，cosβ=1的假设。（8.1）（8.2）为在角速度得风向标的运动方程：上式右边第一项是气流对风标施加的扭力矩，第二项是空气对运动风标的阻尼力矩。如果N,D为常数，得风向标运动的二阶微分方程：式中（8.3）（8.4）其中：β0为t0时，风向标的偏离角；为风向标的阻尼谐振周期：(8.4)式的解为：振幅衰减项谐振运动项（8.6）（8.5）(8.6)式是一个典型的周期衰减振动。如下图所示。有关风向标动态特征的几个重要参数：

（8.7）3.阻尼比：风标阻尼D与临界阻尼D0的比值推导：ξ=1，D=D0，临界阻尼，迅速达到平衡；ξ>1，D>D0，过阻尼，缓慢达到平衡；ξ<1，D<D0，欠阻尼，在平衡处振动。由:（8.9）（8.8）P.102(5.8)在实际工作中，应用谐振周期td，无阻尼谐振周期t0不方便，定义一个时间尺度tL,认为风向标经过tL时间后,风向标偏离风向的角度由原先t=0时的当：时由不考虑振动项则:（8.10）P.102（5.9）根据实验结果，扭力矩N的表达式为：式中:为空气密度;S为风尾板有效面积;

为扭力矩系数(),为空气动力系数;

为流体的动压;1、风程t0为无阻尼风标的固有周期;Ut0为单位时间t，风标振动一次，气流所走距离(风程).由(8.7)式和(8.11)式得,t=0时的风程:（8.11）（8.12）P.102（5.11）2、阻尼比（8.13）P.102（5.12）3、（8.14）P.102（5.13）§8.2.3风向标平衡重锤对风向标动态特性的影响由于平衡锤的运动方向与其空气动力矩相反，则有由于指向杆和平衡锤的受风面积很小，相对于风尾板所受的扭力矩NW的作用可忽略不计。但是它的转动惯量必须考虑。风标系统对主轴的支点重力矩是平衡的，即从描述风向标动态特性的三个重要参数的（8.12)、(8.13)和(8.14)式中可看出都有转动惯量J。因而，风向标的平衡锤必然影响风向标的动态特性。假设平衡锤在气流中也要受到一个扭力矩NW，整个风标系统受到的总扭力矩为NT=N-NW（因平衡锤纽力矩方向与风标扭力矩方向相反）那么，整个平衡系统的转动惯量则可写作

设：为风尾单位面积的重量。并令下述因子为风向标质量因子：（8.15）P.103（5.14）因而，（8.15）式可写为（8.16）（8.17）P.103（5.15）P.103（5.16）

将(8.17)代入(8.12)、(8.13)和(8.14)式，风向标的几个主要动态特性参数改写为：t=t0时的风程：阻尼比：t=tL时的风程：（8.18）P.103（5.17）P.103（5.18）P.103（5.19）（8.19）（8.20）希望风标系统动态跟踪风向变动的性能要好，即的值较小，关键在于有数值较大的质量因子，从式（8.16）可分析得到：1、值较大，即气流动压能有效作用到风尾板上；2、值较小，单位面积风尾板的质量小。意味着在制造风尾板时，必须选用强度高、比重小的材料；3、<

因此，平衡锤离风标转动主轴的距离尽量缩小。

§8.2.4风向连续变动环境的风向标动态响应或：式中ω0=2π/t0为风向标的无阻尼谐振频率；外力函数。在方程中，如果我们把，即无外力，该方程将有三种特解，具体形式由它是过阻尼ξ>1，临界阻尼ξ=1，欠阻尼ξ<1决定。实验证明，ξ=0.6时响应最佳。实际上大气环境中的风向是在持续不断地变动。考虑一个最简单的情况，假设风向维持一个振幅为A，角频率为

的周期性振动，公式（8.3）变为：（8.21）（8.22）（8.21,8.22）假定边界条件是：t=0时，β=β0，dβ/dt=0当ξ>1时：当ξ=1时：当ξ<1时：（8.23）（8.24）（8.25）ω为观测的角频率，实际频率的2π倍，代入(5.25)式,则有：（5.27）（8.28）因为方程）描述的是一个以为周期的振动运动，所以，相邻两个最大值之比可表示为：（8.28）（8.29）（5.26）它的解可以表示为通解与特解之和,即：其中：当二阶微分方程有一个外力函数作用其上时,即：（8.30）（8.31）（8.32）当ξ<1时，第一二项可以忽略，得：其中：是放大率当：G>1时，风向标指示振幅大于实际振幅;G<1时，风向标指示振幅小于实际振幅.（8.33）（8.34）当ω=ω0，阻尼比ξ很小时，易于发生共振.G与风标特性参数的关系见P105页图5.6所示,由图表明

1.在ω/ω0=1，ξ<0.4，G=1/(2)>1时，风向标发生共振;2.在ω/ω0<0.8，ξ=0.6，G=1时，与实际风向标振幅接近,最佳响应;3.在ω/ω0>1，ξ>1，G<1时，风向标振幅小于实际风向振幅.§8.2.5风向标动态参数的选择一个性能良好的风向标应能准确地反应连续变化的风向.另外,为了使风向资料具有可比较性,世界气象组织原则上作了如下规定:在风速为2.58米/秒时,风向标应在1s内使风向偏差衰减到1/e,即由8.20式质量因子取2.阻尼比取:0.3<ξ<1.0;3.风速工作范围取：0.5~~60.0m/s;4.线性度和灵敏度取:±2~~±5.

在更精确的测量中,对上述指标要求更高,例如Kv>1.75.＆8.3旋转风速计原理2004/11/22§8.3.1测风速仪器原理概述1.蜗杆风速表(齿轮转速∝风速的关系);2.电感式(电感、电压∝风速的关系）;3.光电式（光电频率∝风速的关系）;4.悬浮式（光电频率∝风速的关系）;5.超声风速仪（接收声波时间∝与风速的关系）＆8.3旋转风速计原理§8.3.2旋转风杯风速计的感应原理旋转风杯风速计是风速测量的最常用的仪器.它的感应部分是一个固定在旋转轴上的感应部件.一般由三个半球型的空心杯壳组成,杯壳固定在互成120度的支架上,杯的凹面顺着一个方向排列,支架固定在垂直的旋转轴上。在稳定的风力作用下,风杯受到扭力矩而开始旋转,它的转速与风速成一定关系。设：风速为u，第i个风杯与空气相对运动速度urin：风杯每秒转数;R：旋转半径θi：气流与杯内法线夹角.单位时间气流对风杯作用的有效质量：

A：风杯横切面积Cn(θi)：风杯为θi的压力系数作用于互成120°三个风杯上的风压力为：（8.35）其中风杯的压力系数;为风杯的阻力系数;

为空气密度.在风杯旋转时,它所受到的风压随风杯所处的角度而变化,但每转过120°则恢复到0°时的状态.如果取0°－120°范围内风压的平均值,(8.35)式就可以简化为;取am,bm为和在变化120°时均值。在风压下，组件受到的扭力矩：（8.36）（8.37）当风速恒定时,风杯组件的转速应为某个固定数值。此时,组件所受合力为零,即扭力矩M正好与它的机械系统的动摩擦力矩B1n以及静摩擦B0相抵消。（8.38）（8.39）当摩擦阻力矩很小可忽略不计时,上式可简化为：当(8.39)式中n=0时，(非u=0)，则：umin为风杯风速计的启动风速（风杯风速仪的检定曲线）。从(8.41)式可看出,起动风速取决于静摩擦力矩B0和扭力矩N。所以,高灵敏度低启动风速的风杯风速计,一般采用低静摩擦的悬浮式。虽然增大扭力矩也能减小umin

但增大N,势必增大风杯的横臂长度和质量。（8.40）对某一风杯风速计,扭力矩N和空气动力阻尼D一定,风杯的转速与风速成正比关系。（8.41）§8.3.3风杯风速计的惯性响应过程中风杯风速计的转动方程为：其中：n1：实际转速;n(t)：环境实际风速计转速。T为风速计的时间常数;L为尺度常数;时间常数越小越好,即风速越能及时反应实际环境风速.(8.43)式与温度计的散热方程很相似。转动扭力矩动摩擦力矩静摩擦力矩扭力矩空气阻尼力矩整理后的:（8.42）（8.43）＆8.4散热式风速计原理一、旁热式热线风速计（结构图示）其中：Rt为加热后金属丝阻值；t为金属丝温度；

Rθ为金属丝在环境温度下阻值；θ：环境温度。

被加热的金属丝在气流中散热，它的散热率与风速的大小有密切的关系，利用这一特性可制成测量风速的仪器。

假若以一定电功率的电流连续加热金属丝，热丝的温度与气温存在一定的差值，差值的大小随风速的大小而异，利用热丝的温差电动势可测定风速，利用这种原理制成的风速仪称作热线风速仪。热线风速仪有旁热式和直热式之分。焦尔热使具有电阻值的通电流金属丝温度升高，与此同时，金属丝将通过它的表面向四周空气散热。电流提供的热功率为：（8.44）在风速v的气流中，一根垂直于气流的金属丝的散热率为：其中：A：分子散热作用，Bv1/2：气流作用，t-θ：热线与气温的差。当v较大时，可忽略分子散热作用项A，且热交换达到平衡时，则：由空气动力学原理，热线在气流中散热率为：（8.45）（8.45）其中：其中：h为散热系数；D为热线直径；l为热线长度；C和n为实验确定的系数（P.115，表5.2);

为空气动力学粘性系数。（8.46）当dQ1=dQ2时：由于测温热电偶的电动势正比于冷热端温差，则，上式写为：对上式两边取对数：（8.47）（8.48）（8.49）（8.50）在双对数坐标纸上，纵轴为风速取对数lgv，横轴为电动势取对数lgεv即可得到热线风速仪的风速与输出电动势的线性关系。在1-2米/秒的风速处出现折线，是因为雷诺数Re在40左右不连续。旁热式热线风速计检定曲线图示旁热式热线风速计检定应用时应注意两点：

1.检定时和测量时的空气密度校正（使用前进行检定）

ρv=ρ0vrv=vrρ0/ρ2.方向校正，热线感应的风速u和环境实际风速v的关系为：热线越长A值越小。（8.50）（8.51）二.直热式热线微风仪：结构示意图

直热式热线风速仪的感应部分是一根直径约为5-10m的铂金属丝，紧绷在支架上长度约几个至20mm。由于较大的电流流经铂丝，它的温度要比环境空气温度高200-500℃。直热式热线风速仪的铂金属丝，一丝两用，它既用来感应风速，又以它的电阻值确定热线的温度，它的感应方程为：（8.52）（8.53）（8.54）（8.55）超声风速仪＆8.5

声学风速仪原理超声风速仪：sonicanemometer声波在大气中传播速度与空气的温度、风速有关。静止空气中的声速为Tsv：声学绝对虚温式中e为水汽压；P为大气压力；气温20℃时，干空气中声速343.5m/s.

设d为超声风速仪的路经长度;v为风速;t1为第一个发声源到达接收端所需的时间;t2为第二个发声源到达接收端的时间.只要求出t1和t2即可求出风速。

（8.56）（8.57）由左图，当逆风发射时，T1发射，R1接收：假设气流速度为v的三个分量为vx、vy、vz，声波从坐标原点到达某一位相面（x,y,z)所需的时间为t时，则有：设y和z等于零，等位相面到达点(d1,0,0)和点(d2,0,0)的时间为t1和t2.当顺风发射时，T2发射，R2接收：（8.58）（8.59）由（8.58和(8.59)式可见，当风速为零时，声波到达两个方向相反，距离相等的接收器所需时间相等。即而有风时，v0,vd0,t1t2.于是就利用这一原理，测量相对方向上声波脉冲的传播时间之差，以测得风速，即：

（8.60）同理,y方向的风速分量vy的计算式为:（8.61）同理,z方向的风速分量vz的计算式为:（8.62）

由(8.60)可得结论:声波沿声程方向顺风传播和逆风传播的时间差与沿声程方向的风速成正比.由此可知,声学风速仪的测速技术就归之于测量声波传播的时间差.用适当的电子线路和装置实现此项时间差的测量,便可测得所需风速及其分量.下面是一实用原理图:

通常超声风速仪有三组测风探头,以测量x,y,z三个风速分量。超声风速仪响应速度很快,可每秒测量20次,测量范围可从0.01-30米/秒。

＆8.6激光风速仪原理一、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。激光风速仪（LDA）有两大优点：

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。差动式频移LDV系统示意图1.激光器：

He-Ne,λ=632.8nmAr,λ=488nm(blue),λ=514.5nm(green)2.入射光学单元：多普勒频移频率3.光学接收单元接收运动流体中粒子的散射光，得到多普勒频移频率fD4.多普勒信号处理器频率跟踪器，计数式处理器，光子相关器5.数据处理系统模拟量、数字量转换成风速二.激光测速原理

设照射光的频率为f0，粒子P的运动速度为u，fs为粒子多勒效应频率,e0为粒子入射光单位向量，es为粒子散射光单位向量，c为介质中的光速。根据相对论变换公式，经多普勒效应后，粒子接收到的光波频率为：当ue0《c时，可得(8.63)式的近似式粒子作为运动的光源，以此频率向四周发射散射光。当静止的观测者（光检测器）从某一方向上观测粒子的散射光时，由于它们之间存在相对运动，接收器接收到的散射光频率又会与粒子所接收到的不同，其频率为：（8.63）这就是在静止的光源和运动的粒子条件下，经过一次多普勒效应后的频率关系式。（8.64）（8.65）es为粒子散射光单位向量，c为介质中的光速。取正是因为选择es向量由粒子朝向光检测器。将(8.64)代入(8.65)式，当u《c时，忽略高次项，可得经两次多普勒效应后的频率关系式为（8.66）（8.67）最后可得它与光源频率之差（多普勒频移），即

因此，可设计一种光路，能使得接收器同时接收到两种频率的光，由光电接收器检测出差频来。如下图所示，由两束频率相同的入射光，照射到运动的粒子P 上。由前面多普勒频移原理：对第一束入射光，接收器接收到的散射光的频率为：对第二束光，接收器接收到的散射光的频率为：这两部分散射光在接收器上混频后，可测得差频为：接收器（8.68）当es1=es2，多普勒频移fD是两部分光波频率之差。由两束入射光的单位矢量ei1,ei2与风速u的点乘积关系：

是两束入射光的夹角，将（8.69）代入（8.68）得：（8.69）（8.70）由（8.70）可见，当

和

一定时，粒子运动速度与多普勒频移fD成正比。就是说，可以通过测量多普勒频移fD而得到风速u，这就是激光测量风速的原理。三、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，这就造成了激光测量的误差。

一、旋臂机图示

旋臂旋转时，与空气产生相对运动（空气假定静止），其相对运动速度为：

式中n为旋臂转动圈数；R为旋臂的半径；t为旋臂转动n圈时的时间。

同时记录风速仪的输出，如热线风速仪的输出电动势 做出V——

的关系图或回归方程。

＆8.7风速仪的检定

优点：转速稳定可调；可检定低风速，例如0.2m/s;

缺点：低风速时保证室内静风（门窗不能漏风，人不能走动）；高风速时要保证旋臂卷起的风要消除（旋臂周围树立栅栏）以消除大转速时，室内气流造成的检定误差。做出纵坐标为V（m/s)与横坐标为输出电动势（mv)的检定曲线，并作出回归方程。

检定曲线图示二、风洞实验装置环境学院大气边界层风洞，宽3m，高2m，长32m1、风洞的结构收缩段、工作段、马达、电力部分

风洞风速的大小，由电动机的转速决定，风扇驱动电机有两个绕组，一组绕在旋转铁心上，成为转子；另一组绕在外围铁壳上，称为定子；当定子被一个恒定电压供电，改变与转子间的磁场，即可改变马达的转速，达到调节风洞风速的目的。

风洞中风速的测量是借助风洞收缩段两个静压口的压力差来测量。

设收缩段静压为P1，动压为；工作段静压为P2，动压为；得：

（1）

微压计的结构如图所示：

由（1）和（2）式即可计算出风洞工作段的风速V2，若在风洞工作段中放入风速仪，即可对风速进行标定，即：

（2）

做出纵坐标为V（m/s)与横坐标为输出电动势（mv)的检定曲线或者是风速仪转动圈数/秒，并作出回归方程。

检定曲线图示＆

8.8气象铁塔探测系统气象铁塔的架设和仪器配置梯度测量温度测量湿度测量风速测量风向测量气象塔架设的基本要求建于平坦、开阔的地面上周围任何障碍物与塔体的距离至少为障碍物本身高度的十倍以上塔与观测机房之间应有一电缆沟相连，以便铺设电源电缆和信号传输总线塔体安装后应坚固、可靠，保证十年以上的正常使用塔体要能承受当地最恶劣气象条件，如大风、沙尘暴、暴雨等塔体要符合避雷安全要求气象铁塔的架设和仪器配置塔结构：三角形结构，空心，主要指标：塔高和边长层次设计：对数或指数分布仪器架设臂长：与直径成比例(3倍)钢制底座和混凝土地基，钢丝拉线加固便于工作人员拆卸、维修仪器设备气象观测塔观测系统硬件部分各主要单元结构

配套地面观测系统硬件部分各主要单元结构塔上仪器配置每层架设风向标、风杯风速计、铂金属温度计、湿度计，进行慢响应平均场梯度测量，每20秒记录一组数据。在需要的高度上架设超声风速温度仪，进行湍流场测量，每秒采集10次或20次，得到三维风速和温度脉动数据。根据需要架设各种仪器设备。梯度测量

在不同高度上进行：温度测量：铂电阻温度计湿度测量：湿敏电容湿度计风速测量：旋转式风速计风向测量：风向标温度、湿度传感器和防辐射罩大气湍流测量1、三维湍流脉动风速测量超声风速计

2、温度脉动测量超声风速计测温度脉动铂金属温度脉动仪

3、湿度脉动测量紫外湿度计红外湿度计

超声风速仪超声风速仪性能参数声程：15cm（或20）（X、Y、Z三轴向）量程：风速：0.01-30m/s（或60）风向：0-360

温度：-30-50采样速率：最大每秒20次(20Hz)传输速率：400kb/s传输距离：400m超声风速仪的安装底座保持水平，防止水平风对垂直方向测量的影响阴影效应和减少塔体影响取决于探头轴线与风向夹角和风速塔体迎风时会产生较大影响方向性和角度修正磁罗盘法或北极星法定方位超声风速仪的资料采集记录数据：U、V、W、T（T(Pt））生成数据：三维平均风速平均风向温度三维均方差平均动量通量、热量通量三分量风速仪湿度脉动测量紫外湿度计

利用水汽拉曼-阿尔法吸收线（波长0.1216微米），测量辐射通过水汽时的衰减，计算水汽密度。红外湿度计

工作波长为2.5微米水汽弱吸收区和2.59微米强吸收区两个波段，测量两个通道辐射衰减的差别，计算水汽密度。湿度脉动测量仪器红外湿度脉动仪

超声风速温度仪＆

8.9低空气球探测小球测风

低空探空系留气球主要技术特点：

1、三维定位方式：双经纬仪跟踪

2、较高时空分辨率

3、较高的探测精度系留气球探测系留气球探测系统系统组成：飞艇式气球，悬挂式探空仪，地面信息接收处理系统，电动绞车和缆绳性能：温度(珠状热敏电阻)0.1度（0.2）湿度(干湿球方法)1%(2%)

气压(陶瓷片基金