气象仪器课件：第七章 风的测量

LOGO仪器科学与技术系气象仪器第七章第七章 风的测量风的测量2022-6-147.1 概述概述7.2 风向的测量风向的测量7.3 风速的测量风速的测量7.5 风廓线雷达风廓线雷达7.6 测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的定义2022-6-14 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”。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的定义2022-6-14 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。 。风的测量值应包括平均值和瞬时值两部分。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的定义 2022-6-14 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LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的定义2022-6-14 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的平均风速和最多风向。如何取得具有代表性的风资料？LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的定义 2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v单位 2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v单位2022-6-14LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v单位2022-6-14LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v单位2022-6-14 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LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述2022-6-14v 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l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l目测风向 根据炊烟、旌旗、布条展开方向及人的感觉，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LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1 概述概述v风的测量方法2022-6-14LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v风向标 2022-6-14风向标外形可分为尾翼、平衡锤、指向杆、转动轴四部分LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2022-6-141.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LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2022-6-14LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2022-6-14LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v 风向标 2022-6-14LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v风向标的动态特性2022-6-14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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示l格雷码式2022-6-14LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示l格雷码式2022-6-14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位，分辨率为2.8度LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2 风向的测量风向的测量v风向信号的传送和指示l格雷码式2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v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。2022-6-14LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v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，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。2022-6-14LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计2022-6-14 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，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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计2022-6-14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LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v风杯式风速计2022-6-14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LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v螺旋桨式风速计 2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v螺旋桨式风速计 2022-6-14 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。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量2022-6-14 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LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v热线风速表 2022-6-14 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210.24tQI R 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2()()QABvt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。B vLOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v热线风速表 2022-6-14 当v足够大时，则可忽略分子散热。当热量交换达到平衡时，Q1=Q2。20.24()()tI RAB vt 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v声风速表 2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v激光风速仪 2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v轻便风向风速仪 2022-6-14 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。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v海岛自动测风系统 2022-6-14 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。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3 风速的测量风速的测量v风速的传送和指示2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达 2022-6-14 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。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达 2022-6-14 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。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达 2022-6-14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，具有很高的时间和空间分辨率。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。 (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。 (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。 LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.5 风廓线雷达风廓线雷达v风廓线雷达 2022-6-14 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。LOGO 测风仪器的安装，根据不同观测目的，其要求也不同。气象台站观测，主要是提供天气预报和气候资料，一般测风仪器在正确装置的情况下，大多能满足其准确度的要求。但对于像水文气象、农业气象、污染气象等为特殊目的而进行的观测，其精度要求高一些，因此对仪器的安装要求也不同。 在近地面几十米以内，风向随高度的变化比起风速的变化来要小得多，因此对测定风向仪器的安装没有更高的要求，只要求适当地高，避免地面突出障碍物的影响就可以了，但对测定风速仪器的安装，就需要考虑以下几个问题 ：7.6 7.6 测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定LOGO根据风速随高度的变化情况以及为了观测和维护的方便，同时不受地形地物的影响，测风仪器的安装高度最好在1020米之间。 7.6 7.6 测风仪器的安装测风仪器的安装LOGO测风仪器安装的地点要求尽量开阔空旷，远离障碍物，使之不受气流涡旋的影响。因为建筑物、凹地、山谷等地形作用会使气流产生涡流、辐合、辐散，使风的资料只有小气候方面的意义，而缺少代表性。 7.6 7.6 测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定LOGO测风仪器必须垂直安装；安装测风仪器的杆不能太粗，否则会改变气流的自然状况；仪器应安装在杆的顶端，如果需要安装在杆的中间，则应使用一定长度的横臂，以使风速仪器远离杆柱。7.6 7.6 测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.6测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定v旋臂机 旋臂机主要部件是一根水平旋转臂，固定在一根垂直于水平面的旋转主轴上，杆的前端的仪器支架可安装待检定的风速计，垂直轴可由马达带动旋转，使仪器在XY平面内作等速圆周运动，其前端的线速度就相当于仪器不动时气流的速度。2022-6-14LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.6测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定v旋臂机 2022-6-14优点：l可以标定相当低的风速l通过旋转臂转速很容易确定风速l旋转臂的转速可以靠控制电动机或变速箱来改变缺点：l当旋转臂转速加大后，会带动室内空气，失去相对静止状态，造成检定误差。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.6测风仪器的安装与检定测风仪器的安装与检定v风洞 风向标和各种风速表一般都是通过风洞进行全面有效的校准。风洞是一种进行流体力学、航空模型实验以及环境问题实验的大型设备。在这种管道系统里，动力风扇造成空气流动，并在它的实验空间造成一个稳定、均匀的流场。工作段的流速可以调整。专门进行风速计检定的风洞，风速范围大致在0.560m/s。2022-6-14Company LogoCompany LogoThank you