第七章-風的測量

1、氣象儀器,第七章 風的測量,2024/3/19,2,,,7.1 概述,風的定義,2024/3/19,3,,,空氣的運動可分解成垂直的和水平的兩個分量。垂直分量稱為空氣的垂直運動（如對流運動）。風就是空氣的水平運動，它是一個矢量，風的運動既有速度又有方向。因此風的觀測包括風向和風速兩項。 。,風的測量值應包括平均值和瞬時值兩部分。,7.1 概述,2024/3/19,4,,7.1 概述,風的定義,2024/3/19,5,,地面氣象觀測中，從

2、給定時間段內(nèi)選取任意10min的平均風速最大值作為該時間的最大風速,7.1 概述,風的定義,2024/3/19,6,,風是所有氣象要素中隨時間變化最劇烈的一個要素。在觀測中為了取得具有一定代表性的風向、風速資料、風的觀測一般是取某一時間內(nèi)的平均風速和最多風向。 實驗表明：取10min時間段內(nèi)的平均值即可達到一定代表性的要求。在大多數(shù)風的陣性漲落不大的情況下，取1~2min時間端內(nèi)的平均值，也可達到一定代表性的要求。氣象臺

3、站觀測中，一般是取2min的平均風速和最多風向，自記儀器是取10min的平均風速和最多風向。,如何取得具有代表性的風資料？,7.1 概述,風的定義,2024/3/19,7,,陣風（風的陣性）是指瞬時風向風速在平均值附近漲落的變化和分布特征。 陣風的定義是：在規(guī)定時間間隔內(nèi)（10min）內(nèi)，風速偏離其平均值的一個正的或負的偏距，其持續(xù)時間不超過2min者。 風的陣性在航空、航海、大氣污染和放射性微塵的擴散等

4、方面都有廣泛的應用。 陣風的觀測主要有三個變量：風速和風向的標準偏差、陣風風峰值、陣風持續(xù)時間。,7.1 概述,單位,2024/3/19,8,,風速的常用單位是m/s 1m/s = 3.6 km/h 記錄風速取一位小數(shù) 風向以10°作為一個單位，用電碼01、02、…36來表示，以正北為基準，順時針方向旋轉。當風向儀器精度較低時，一般用16個方位表示，用英文縮寫

5、符號記錄。,7.1 概述,單位,2024/3/19,9,,7.1 概述,單位,2024/3/19,10,,7.1 概述,單位,2024/3/19,11,,零級煙柱直沖天，一級青煙隨風偏；　　二級輕風吹臉面，三級葉動紅旗展；　　四級枝搖飛紙片，五級帶葉小樹搖；　　六級舉傘步行艱，七級迎風走不便；　　八級風吹樹枝斷，九級屋頂飛瓦片；　　十級拔樹又倒屋，十一二級陸上很少見。,風級歌,7.1 概述,2024/3/19,12,,當沒有測

6、定風向風速的儀器，或儀器出現(xiàn)故障時，可目測風向風力估計風力 根據(jù)風對地面或海面物體的影響而引起的現(xiàn)象，按風力等級表估計，并記錄相應風速的中數(shù)值目測風向 根據(jù)炊煙、旌旗、布條展開方向及人的感覺，按八個方位估計。目測風向風力時，觀測者應站在空曠處，多選幾個物體認真觀察，以盡量減少估計誤差,7.1 概述,風的測量方法,2024/3/19,13,,7.2 風向的測量,風向標,2024/3/19,14,風向標外形可分為尾

7、翼、平衡錘、指向桿、轉動軸四部分,7.2 風向的測量,風向標,2024/3/19,15,當風的來向與風向標成某一交角時，風對風向標產(chǎn)生壓力，這個力可以分解成平行和垂直于風向標的兩個風力。由于風向標頭部受風面積比較小，尾翼受風面積比較大，因而感受的風壓不相等，垂直于尾翼的風壓產(chǎn)生風壓力矩，使風向標繞垂直軸旋轉，直至風向標頭部正好對風的來向時，由于翼板兩邊受力平衡，風向標就穩(wěn)定在某一方位。,7.2 風向的測量,風向標,2024/3/19,1

8、6,,,,風向標的設計要求,1.在小風時能反應風向的變動，即有良好的啟動性能；（一般風向標 0.5 m/s，較好的風向標 <0.3m/s）2.具有良好的動態(tài)特性，即能迅速準確地跟蹤外界的風向變化,7.2 風向的測量,風向標,2024/3/19,17,7.2 風向的測量,風向標,2024/3/19,18,7.2 風向的測量,風向標,2024/3/19,19,7.2 風向的測量,風向標,2024/3/19,20,7.2 風向的測量

9、,風向標的動態(tài)特性,2024/3/19,21,對于風向標，當風向變化時，它將經(jīng)過一個阻尼簡諧振動產(chǎn)生過量指示而逐漸趨于穩(wěn)定。儀器的響應取決于環(huán)境量、儀器的響應速度和加速度。,7.2 風向的測量,風向標的測量誤差,2024/3/19,22,啟動誤差動態(tài)偏角慣性誤差轉換誤差零位誤差,7.2 風向的測量,2024/3/19,23,,風向信號的傳送和指示電接式,導電環(huán)用電纜與電源負極相連。另一環(huán)上有八個互相絕緣的方位塊。風向指示器上有

10、一個八燈盤，分別對應東、南、西、北、東南、東北、西北、西南八個方位，用來觀測瞬時風向。風向標上的八個方位塊通過電纜分別與指示器內(nèi)八個小燈泡相連接，中間各串接著一個起隔離作用的半導體二極管。當扳鍵開關扳向上方時，電源正極通過扳鍵開關與各個小燈泡的公共端接通。,7.2 風向的測量,2024/3/19,24,,風向信號的傳送和指示電接式,風向電接簧片由風標帶動，滑動片上有三個電接點，一個與導電環(huán)接觸，另外兩個與方位塊接觸，有時兩個接點只能接

11、觸到一個方位塊，有時可同時接觸到兩個方位塊，這樣只要打開指示器的電源開關，根據(jù)風向標所在位置，有一個或相鄰兩個小燈泡經(jīng)過感應器的方位塊接通負極，從而顯示出方向。當兩個燈泡被點亮時，就指示出兩方位的中間方位。這樣，八個方位塊實現(xiàn)了十六個方位的分辨力。當扳鍵開關處于中間或下方位置時，電源正極被斷開，電路不通，燈泡不亮。,7.2 風向的測量,2024/3/19,25,,風向信號的傳送和指示電位計式,封閉的環(huán)形繞線電阻，每隔120°

12、有一個插頭，每個插頭之間的電阻值相同并且是固定的。在風向發(fā)送器上有兩個活動接觸器，每個接觸器上都有兩個相同的滑動接觸簧片，其中一個在內(nèi)導線環(huán)或外導線環(huán)上滑動，另一個在電位計上滑動。風標帶動接觸器上兩個接觸簧片在環(huán)形電阻上滑動。當風向固定在某一方位時，接觸簧片在環(huán)形電阻上的位置確定，使環(huán)形電阻上三個插頭有不同的電位。,7.2 風向的測量,2024/3/19,26,,風向信號的傳送和指示電位計式,風向指示器主要由線圈組、磁鐵、方位度盤和指

13、針組成。線圈組有六個線圈，每兩個為一組，位置各相差180°。每組線圈接成串聯(lián)，然后各抽出一個頭接在儀器，組成Y型連接。每組線圈的另一個抽頭通過電纜與阻力圈上的三個接線頭一一對應相接，形成閉合回路。 當電路通路時，指示器上三個繞組便有方向和大小不同的電流通過，鐵心被磁化形成磁場，磁場的方向按各繞組的電流方向，用右手螺旋法則確定。三個繞組形成的三個磁場方向合成為一個磁場方向，使得由永久磁鐵做成的轉子與風向變化同步，沿

14、著合成磁場方向旋轉，指示出風向。合成磁場的方向與接觸簧片在環(huán)形電阻上的位置有關。這是電位計式進行方向信號轉換和指示的原理。,7.2 風向的測量,風向信號的傳送和指示光電碼盤式,2024/3/19,27,格雷碼盤由等分的同心圓組成，由內(nèi)到外分別做0、20、21、22、23、24、25、26、27……等份，相鄰兩份做透光和不透光處理，（圖中涂黑的表示不透明，未涂黑的處表示透明）通過位于碼盤兩側同一半徑上的光電耦合器件對輸出相應的格雷碼。當

15、光通過碼盤的透明部分時，光電耦合器件接收到的信號為“1”；當光通過碼盤的不透明部分時，接收到的信號為“0”。,常用7位，分辨率為2.8度,7.2 風向的測量,風向信號的傳送和指示光電碼盤式,2024/3/19,28,7.2 風向的測量,風向信號的傳送和指示格雷碼式,2024/3/19,29,格雷碼最大的優(yōu)點是每進一位只有其中的一位數(shù)發(fā)生0與1之間的變化，因為即使發(fā)生誤讀也只能產(chǎn)生一位碼的誤差，這對保證測量風向的精度是大有好處的。格雷

16、碼盤固定在風向標的軸上。當碼盤隨著風向標轉動時，通過光電轉換線路，把光電信號轉換為電信號，輸入到指示、記錄系統(tǒng)，實現(xiàn)格雷碼與風向標角度的轉換。,7.3 風速的測量,旋轉式風速計 旋轉式風速計的感應部分是一個固定在轉軸上的感應風的組件。常見的有風杯式風速計、螺旋槳 式風速計。,2024/3/19,30,7.3 風速的測量,風杯式風速計 目前普遍采用的測定風速的儀器是風杯式風速計，它的感應部分是由三

17、個或四個圓錐形或半球形的空杯組成?？招谋瓪す潭ㄔ诨コ?20°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面順著一個方向排列，整個橫臂架則固定在一根垂直的旋轉軸上。,2024/3/19,31,7.3 風速的測量,風杯式風速計,2024/3/19,32,當風從左方吹來時，風杯1與風向平行，風對風杯1的壓力在最直于風杯軸方向上的分力近似為零。風杯2與3同風向成60度角相交，對風杯2而言，其凹面迎著風，承受的風壓最大;

18、風杯3其凸面迎風，風的繞流作用使其所受風壓比風杯2小，由于風杯2與風杯3在垂直于風杯軸方向上的壓力差，而使風杯開始順時針方向旋轉，風速越大，起始的壓力差越大，產(chǎn)生的加速度越大，風杯轉動越快。 風杯開始轉動后，由于杯2順著風的方向轉動，受風的壓力相對減小，而杯3迎著風以同樣的速度轉動，所受風壓相對增大，風壓差不斷減小，經(jīng)過一段時間后（風速不變時），作用在三個風杯上的分壓差為零時，風杯就變作勻速轉動。這樣根據(jù)風杯的轉速（每秒鐘轉

19、的圈數(shù)）就可以確定風速的大小。,7.3 風速的測量,風杯式風速計,2024/3/19,33,當風杯轉動時，帶動同軸的多齒截光盤或磁棒轉動，通過電路得到與風杯轉速成正比的脈沖信號，該脈沖信號由計數(shù)器計數(shù)，經(jīng)換算后就能得出實際風速值。,7.3 風速的測量,風杯式風速計,2024/3/19,34,目前新型轉杯風速表均是采用三杯的，并且錐形杯的性能比半球形的好,7.3 風速的測量,風杯式風速計,2024/3/19,35,,,當風速增加時轉杯能迅

20、速增加轉速，以適應氣流速度,風速減小時，由于慣性影響，轉速卻不能立即下降,,旋轉式風速表在陣性風里指示的風速一般是偏高的成為過高效應（產(chǎn)生的平均誤差約為10%）,過高效應還會受到垂直氣流和風向脈動的影響,7.3 風速的測量,螺旋槳式風速計,2024/3/19,36,電扇由電動機帶動風扇葉片旋轉，在葉片前后產(chǎn)生一個壓力差，推動氣流流動。螺旋漿式風速計的工作原理恰好與此相反，對準氣流的葉片系統(tǒng)受到風壓的作用，產(chǎn)生一定的扭力矩使葉片系統(tǒng)旋轉。

21、這種能量如果加以利用就是風力發(fā)電。 螺旋槳式風速計是由若干片槳葉按一定角度等間隔地裝置在一鉛直面內(nèi)。,7.3 風速的測量,螺旋槳式風速計,2024/3/19,37,螺旋槳式風速計的葉片旋轉平面應始終對準風的來向，因此它的感應部分需要與風向結合在一起。風向標部分則制成與風機機身相似的外形，保持良好的流線型。 在以下假設情況下，經(jīng)過計算可知螺旋槳式風速計的轉速與外界風速成正比。,葉片是一個扁平薄板，當氣流的方向

22、與葉片的基線一致時，葉片上不受力的作用不考慮機械摩擦和空氣對葉片的阻力葉片系統(tǒng)旋轉時，沒有帶起旋轉氣流葉片系統(tǒng)正前方的氣流速度等于遠處的風速,7.3 風速的測量,2024/3/19,38,三軸風速計：利用三個風車風速計測量風速 x，y 和 z 分量的儀器,7.3 風速的測量,旋轉式風速計風速信號的轉換方式,2024/3/19,39,電機式,風杯的轉動直接帶動一個小型發(fā)電機的多極磁鋼轉動，發(fā)電機的輸出電壓與風杯的轉速成正比，整流后通

23、過直流電流表進行顯示。 右圖是電接式風向風速儀風速轉換電機內(nèi)部的結構。這是一個小型交流發(fā)電機，轉子是一個八極磁鋼，安裝在風杯軸的下端，并隨風杯轉動而轉動。定子是由上下兩個圓型帶齒的導磁環(huán)片和一組繞在膠木圈上的線圈組成。當風杯帶動八極磁鋼不斷轉動時，使定子線圈內(nèi)的磁通按正弦規(guī)律不斷變化。根據(jù)法拉第電磁感應定律，定子線圈上將產(chǎn)生交流感應電動勢，其有效值與風杯轉速成正比。通過整流濾波，直接在電流表上顯示風速值。,7.3 風速的測

24、量,旋轉式風速計風速信號的轉換方式,2024/3/19,40,電機式光（磁）電式磁感應式機械式電接式,7.3 風速的測量,熱線風速表,2024/3/19,41,熱線風速表是利用一根被加熱的金屬絲置于空氣中，散熱速率與周圍空氣的流速有關的特性來測量風速。,被加熱的金屬絲，它所產(chǎn)生的熱量為,,式中I為流過熱線的電流，Rt為熱線電阻。與此同時，在速度為v的氣流中，一根垂直于氣流的金屬絲，它散失到空氣中的熱量為,,式中系數(shù)A代表分子的散

25、熱作用， 代表氣流的作用。對于某一熱線風速表，A、B均為常系數(shù)， t-θ為熱線與氣溫的溫差。,7.3 風速的測量,熱線風速表,2024/3/19,42,,,當v足夠大時，則可忽略分子散熱。當熱量交換達到平衡時，Q1=Q2。,,從上式可知，若固定加熱電流I，即可確定v與t-θ的關系；若固定熱線與空氣的溫差t-θ，則可確定出v與I的關系。前者稱為恒流式，后者為恒溫式。,7.3 風速的測量,聲風速表,2024/3/19,43,,,

26、,,7.3 風速的測量,超聲風速表,2024/3/19,44,超聲風速表是利用聲波在空氣中的傳播速度與風速之間的函數(shù)關系測量風速的。,靜止空氣中的聲音速度為：,,其中γ為質量熱容比，Tsv為有聲絕對溫度，與氣溫絕對溫度T的關系為,,,氣溫20℃時，干空氣中的聲音傳播速度是343.5m/s。,7.3 風速的測量,聲風速表,2024/3/19,45,假設氣流速度V的三個分量為Vx、Vy 、Vz ，聲波的某一相位面從坐標原點到達(x, y ,

27、z)所需要的時間t時,,,,,設y與z為零，等相位從(0,0,0)到達點(d,0,0)和點(-d,0,0)的時間分別為t1和t2,7.3 風速的測量,聲風速表,2024/3/19,46,,,,,如果把兩個超聲波發(fā)射元件G1和G2、兩個接收元件R1和R2安置成如右圖所示。R1接收G1發(fā)射的聲波，R2接收G2發(fā)射的聲波，同時測出時間t1和t2，通過適當?shù)碾娮泳€路得t1+ t2到和t1- t2的數(shù)值，通過公式就可計算出風速V在x方向的分量。同

28、理，沿y軸和z軸各裝兩對發(fā)射與接收裝置，測定風速V在y和z方向的分量。,7.3 風速的測量,聲風速表,2024/3/19,47,,,,,陰影效應：由于繞流的作用，迎風面的探頭，在其背后會產(chǎn)生一定的尾流區(qū)域，這種現(xiàn)象將導致聲波傳播路徑偏長，而使計算風速值偏低，這種效應稱之為“陰影效應”。 陰影效應的大小取決于探頭的外形以及風矢量與超聲探頭軸線之間的夾角。夾角為90度時，效應為0。,7.3 風速的測量,輕便風向風速儀,202

29、4/3/19,48,,,,,輕便風向風速儀是測量風向和一分鐘內(nèi)平均風速的儀器，它用于野外考查和儀器損壞時的備份儀器。,7.3 風速的測量,海島自動測風系統(tǒng),2024/3/19,49,,,,,該系統(tǒng)是專門為測量海島出現(xiàn)的強風而設計的，其特點是具有較好的測強風能力。 系統(tǒng)由兩個部分組成：一個是自動采集部分，另一個是接收部分。采集部分由風向風速傳感器、數(shù)據(jù)處理器、調(diào)制解調(diào)器、無線電收發(fā)訊機、太陽能板和蓄電池組成。接收部分由計算

30、機、調(diào)制解調(diào)器、無線電收發(fā)訊機和打印機組成。采集部分對風向風速傳感器采樣，然后計算出風向風速的平均值。通過無線通訊實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)到接收部分的傳輸。有日照時，采集部分用太陽能電池對蓄電池充電。,測風儀器的安裝，根據(jù)不同觀測目的，其要求也不同。氣象臺站觀測，主要是提供天氣預報和氣候資料，一般測風儀器在正確裝置的情況下，大多能滿足其準確度的要求。但對于像水文氣象、農(nóng)業(yè)氣象、污染氣象等為特殊目的而進行的觀測，其精度要求高一些，因此對儀器的安裝要求

31、也不同。 在近地面幾十米以內(nèi)，風向隨高度的變化比起風速的變化來要小得多，因此對測定風向儀器的安裝沒有更高的要求，只要求適當?shù)馗撸苊獾孛嫱怀稣系K物的影響就可以了，但對測定風速儀器的安裝，就需要考慮以下幾個問題 ：,7.4 測風儀器的安裝與檢定,１.安裝高度,,根據(jù)風速隨高度的變化情況以及為了觀測和維護的方便，同時不受地形地物的影響，測風儀器的安裝高度最好在10～20米之間。,7.4 測風儀器的安裝,１.安裝高度,２.安裝地

32、點,,測風儀器安裝的地點要求盡量開闊空曠，遠離障礙物，使之不受氣流渦旋的影響。因為建筑物、凹地、山谷等地形作用會使氣流產(chǎn)生渦流、輻合、輻散，使風的資料只有小氣候方面的意義，而缺少代表性。,7.4 測風儀器的安裝與檢定,１.安裝高度,２.安裝地點,３.安裝要求,,測風儀器必須垂直安裝；安裝測風儀器的桿不能太粗，否則會改變氣流的自然狀況；儀器應安裝在桿的頂端，如果需要安裝在桿的中間，則應使用一定長度的橫臂，以使風速儀器遠離桿柱。,7.4 測

33、風儀器的安裝與檢定,7.4測風儀器的安裝與檢定,旋臂機 旋臂機主要部件是一根水平旋轉臂，固定在一根垂直于水平面的旋轉主軸上，桿的前端的儀器支架可安裝待檢定的風速計，垂直軸可由馬達帶動旋轉，使儀器在XY平面內(nèi)作等速圓周運動，其前端的線速度就相當于儀器不動時氣流的速度。,2024/3/19,54,7.4測風儀器的安裝與檢定,旋臂機,2024/3/19,55,優(yōu)點：可以標定相當?shù)偷娘L速通過旋轉臂轉速很容易確定風速旋

34、轉臂的轉速可以靠控制電動機或變速箱來改變?nèi)秉c：當旋轉臂轉速加大后，會帶動室內(nèi)空氣，失去相對靜止狀態(tài)，造成檢定誤差。,7.4測風儀器的安裝與檢定,風洞 風向標和各種風速表一般都是通過風洞進行全面有效的校準。風洞是一種進行流體力學、航空模型實驗以及環(huán)境問題實驗的大型設備。在這種管道系統(tǒng)里，動力風扇造成空氣流動，并在它的實驗空間造成一個穩(wěn)定、均勻的流場。工作段的流速可以調(diào)整。專門進行風速計檢定的風洞，風速范圍大致在0

35、.5~60m/s。,2024/3/19,56,7.5 風廓線雷達,風廓線雷達分類,2024/3/19,57,,,,,根據(jù)天線制式的不同，風廓線雷達可分為兩大類：一類是采用相控陣天線的風廓線雷達；另一類是采用拋物面天線的風廓線雷達。相控陣風廓線雷達體制適用于各種高度的探測，成為目前普遍采用的技術體制。因為風廓線雷達在進行氣流速度測量的同時，還要對氣流進行空間定位，所以需要發(fā)射脈沖電 磁波并具有多普勒測速功能，因此可將風廓線雷達歸類于脈沖

36、多普勒雷達。風廓線雷達的探測對象主要是晴空大氣，所以風廓線雷達也成為晴空雷達。,7.5 風廓線雷達,風廓線雷達分類,2024/3/19,58,,,,,根據(jù)探測高度的不同，可將風廓線雷達分為邊界層風廓線雷達、對流層風廓線雷達及中間層-平流層-對流層風廓線雷達（MST）。邊界層風廓線雷達的探測高度一般在3km左右，對流層風廓線雷達的探測高度一般在12-16km，其中探測高度在8km以下的稱為低對流層風廓線雷達，MST雷達的探測高度可達到中

37、間層。,7.5 風廓線雷達,風廓線雷達分類,2024/3/19,59,,,,,根據(jù)雷達工作頻率的不同，可將風廓線雷達分為甚高頻（VHF）、超高頻（UHF） 和L波段三類。一般情況下，邊界層風廓線雷達選用L波段，對流層風廓線雷達選用UHF （P波段），探測高度在平流層以上的風廓線雷達大致選用VHF。,7.5 風廓線雷達,風廓線雷達探測原理,2024/3/19,60,,,,,風廓線雷達主要以晴空大氣作為探測對象，利用大氣湍流對電磁波的散

38、射作用進行大氣風場等要素的探測。風廓線雷達發(fā)射的電磁波在大氣傳播過程中，因為大氣湍流造成的折射率分布不均勻而產(chǎn) 生散射，其中后向散射能量被風廓線雷達所接收。一方面，根據(jù)多普勒效應確定氣流沿雷達波束方向的速度分量；另一方面，根據(jù)回波信號往返時間確定回波位置。由此看來，風廓線雷達是無線電測距和多普勒測速的結合。,7.5 風廓線雷達,風廓線雷達大氣湍流散射,2024/3/19,61,,,,,隨著探測高度的不同，風廓線雷達的回波機制有所不同。

39、在100km的高度范圍內(nèi)，風廓線雷達回波信號的產(chǎn)生機制主要有三種，分別是湍流散射、鏡面反射和熱散射。晴空大氣對電磁波的散射主要是湍流散射，其主要主要在對流層，是因為大氣湍流運動造成折射率不均勻分布而產(chǎn)生的散射。,7.5 風廓線雷達,風廓線雷達大氣湍流散射,2024/3/19,62,,,,,風廓線雷達所用發(fā)射頻率與探測高度的關系,7.5 風廓線雷達,風廓線雷達天線工作方式,2024/3/19,63,,,,,7.5 風廓線雷達,風廓線雷