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1、LOGO儀器科學與技術系氣象儀器第七章第七章 風的測量風的測量2022-6-147.1 概述概述7.2 風向的測量風向的測量7.3 風速的測量風速的測量7.5 風廓線雷達風廓線雷達7.6 測風儀器的安裝與檢定測風儀器的安裝與檢定LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述v風的定義2022-6-14 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。 。 風的測量值應包括瞬時值和平均值兩部分。 “平均值”是指在一定時段內的平均； “瞬時值”可認為在一個相當短的取樣
2、時段內的平均，或稱為“光滑值”。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述v風的定義2022-6-14 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。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述v風的定義 2022-6-14 風向指風的來向指在規(guī)定時間段內出現頻率最多的風向 最多風向指在規(guī)定時間段內風向的平均值 平均風向 風速指空氣質點在單位時間內所移動的水平距離 最大風速指在某個時段內出現的平均風速中的最大值。
3、 瞬時風速空氣微團的瞬時水平移動速度。在自動氣象站中，瞬時風速是指3s的平均風速 極大風速指某個時段內出現的瞬時風速的最大值。 平均風速指某個時段內風速的平均值。地面氣象觀測中，從給定時間段內選取任意10min的平均風速最大值作為該時間的最大風速LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述v風的定義2022-6-14 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的平均風速和最多風向。 實驗表明：取10min時間段內的平均值即可達到一定代表性的要求。在大多數風的陣性漲落不大的情況下，取12min時間端內的平均值，也可
4、達到一定代表性的要求。氣象臺站觀測中，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？LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述v風的定義 2022-6-14 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（10min）內，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方面都有廣泛的應用。 陣風的觀測主要有兩個變量：風速和風向的標準偏差、陣風風峰值。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述v單位
5、2022-6-14 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 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，用英文縮寫符號記錄。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述v單位2022-6-14LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述v單位2022-6-14LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述v單位2022-6-14 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
6、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LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述2022-6-14v 當沒有測定風向風速的儀器，或儀器出現故障時，可目測風向風力l估計風力 根據風對地面或海面物體的影響而引起的現象，按風力等級表估計，并記錄相應風速的中數值l目測風向 根據炊煙、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LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.1 概述概述v風的測量方法2022-6-14LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v風向標 2022-6-14風
7、向標外形可分為尾翼、平衡錘、指向桿、轉動軸四部分LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v 風向標 2022-6-14 當風的來向與風向標成某一交角時，風對風向標產生壓力，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。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v 風向標 2022-6-141.在小風時能反應風向的變動，即有良好的啟動性能；2.具有良好的動態(tài)特
8、性，即能迅速準確地跟蹤外界的風向變化LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v 風向標 2022-6-14LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v 風向標 2022-6-14LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v 風向標 2022-6-14LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v風向標的動態(tài)特性2022-6-14對于風向標，當風向變化時，它將經過一個阻尼簡諧振動產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。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v風向信號的
9、傳送和指示2022-6-14 風向標感應的風向必須傳遞到地面的指示儀表上，以觸點式最為簡單，風向標帶動觸點，接通代表風向的燈泡或記錄筆電磁鐵，作出風向的指示或記錄，但它的分辨只能做到一個方位22.5。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v風向信號的傳送和指示l格雷碼式2022-6-14LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v風向信號的傳送和指示l格雷碼式2022-6-14格雷碼盤由等分的同心圓組成，由內到外分別做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
10、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LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.2 風向的測量風向的測量v風向信號的傳送和指示l格雷碼式2022-6-14 格雷碼最大的優(yōu)點是每進一位只有其中的一位數發(fā)生0與1之間的變化，因為即使發(fā)生誤讀也只能產生一位碼的誤差，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，實現格雷碼與風向標角度的轉換。LOGO儀器科學
11、與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v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。2022-6-14LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v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。2022-6-14LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v風杯式風速計2022-6-14 當風從左方吹來
12、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;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。這樣根據風杯的轉速（每秒鐘轉的圈數）就可以確定風速
13、的大小。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v風杯式風速計2022-6-14 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，該脈沖信號由計數器計數，經換算后就能得出實際風速值。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v風杯式風速計2022-6-14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LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v風杯式風速計2022-6-14當風速增加時轉杯能迅速增加轉速，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
14、示的風速一般是偏高的成為過高效應（產生的平均誤差約為10%）過高效應還會受到垂直氣流和風向脈動的影響LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v螺旋槳式風速計 2022-6-14 電扇由電動機帶動風扇葉片旋轉，在葉片前后產生一個壓力差，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受到風壓的作用，產生一定的扭力矩使葉片系統旋轉。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。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v螺旋槳式風速計 2022-6-14 螺旋槳式風速計的葉片旋轉平面應
15、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，經過計算可知螺旋槳式風速計的轉速與外界風速成正比。 LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量2022-6-14 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LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v熱線風速表 2022-6-14 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，它所產生的熱量為210.24tQI R 式中I為流過熱線的電流，Rt
16、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2()()QABvt式中系數A代表分子的散熱作用， 代表氣流的作用。對于某一熱線風速表，A、B均為常系數， t-為熱線與氣溫的溫差。B vLOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v熱線風速表 2022-6-14 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。20.24()()tI RAB vt 從上式可知，若固定加熱電流I，即可確定v與t-的關系；若固定熱線與空氣的溫差t-，則可確定出v與I的關系。前者稱為恒流式，后者為恒溫式。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3
17、風速的測量風速的測量v聲風速表 2022-6-14 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關系測量風速的。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v激光風速儀 2022-6-14 激光風速儀是建立在激光技術和多普勒頻移原理的基礎上，通過頻率測量來測定風速的。 激光通過大氣層時，大氣層中的氣溶膠粒子對入射光有散射效應，而運行的氣溶膠粒子將使散射光的頻率產生多普勒頻移效應。在接收器內比較發(fā)射光的參考光和散射光的頻差，就可確定運載氣溶膠粒子的氣流速度。 激光風速儀測得的風速并不是真正的大氣流動速度，而是懸浮于氣流中的散射粒子的運動速度。因為粒子與流體的密度有顯著差異
18、，粒子不可能完全跟隨流體運動，其速度總會有差異，這就造成了激光測量的誤差。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v輕便風向風速儀 2022-6-14 輕便風向風速儀是測量風向和一分鐘內平均風速的儀器，它用于野外考查和儀器損壞時的備份儀器。 LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v海島自動測風系統 2022-6-14 該系統是專門為測量海島出現的強風而設計的，其特點是具有較好的測強風能力。 系統由兩個部分組成：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、數據處理器、調制解調器、無線電收發(fā)訊機、太陽能板和蓄電池組成。接收部分由計算機、
19、調制解調器、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。通過無線通訊實現采集數據到接收部分的傳輸。有日照時，采集部分用太陽能電池對蓄電池充電。 LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.3 風速的測量風速的測量v風速的傳送和指示2022-6-14 傳送和指示風速的方法有機械式、電接式、電機式、磁感式和光電式即多齒光盤等。其中最常用的是多齒光盤。 多齒光盤固定在風杯軸上，盤上有等距的孔，光盤上面裝有發(fā)光二極管，下面裝有光敏三極管。當風杯帶著光盤轉動時，由于孔的不連續(xù)性，光敏三極管時而導通時而截止，形成光脈沖信號，每一個脈沖信號代表一定的風程。這樣就能得到與風杯
20、轉速成正比的頻率信號。由計數器計數，經轉換即可得到實際的風速。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.5 風廓線雷達風廓線雷達v風廓線雷達 2022-6-14 風廓線雷達是一種遙感高空風向、風速分布的儀器。當向大氣層發(fā)射一束無線電波時，由于溫度和濕度的湍流脈動，大氣折射指數產生相應的漲落，雷達波束的電磁波信號將被散射，其中的后向散射部分將產生一定功率的回波信號。這種回波信號與大氣中的云雨質點回波散射有所不同，稱之為晴空散射。由于散射氣團隨風漂移，沿雷達波束徑向的風速分量的大小將導致回波信號產生一定量的多普勒頻移，測定回波信號的頻移值可以直接計算出某一層大氣沿雷達波束徑向的風速分量值。LOGO儀器科
21、學與技術系氣象儀器7.5 風廓線雷達風廓線雷達v風廓線雷達 2022-6-14 風廓線雷達是近20多年來發(fā)展起來的新型測風遙感設備。它以晴空大氣作為探測對象，利用大氣對電磁波的散射進行風場的測量。風廓線雷達發(fā)射的電磁波在大氣的傳播過程中，因大氣折射率的不均勻分布而產生散射，其中，后向散射能量被風廓線雷達所接收，根據多普勒效應，當目標物相對雷達波束方向存在徑向運動時，接收信號的頻率和發(fā)射信號的頻率產生偏差，稱為Doppler頻移，根據Doppler頻移，再經過一定的信號與數據處理可以得到大氣的風場信息。另外，為了進行距離的測量，雷達發(fā)射的是脈沖波，根據回波信號返回的時間來確定回波的位置。通過Do
22、ppler測速和無線電測距原理的結合，風廓線雷達得到不同高度上的風場信息，從而獲取大氣風廓線資料。 LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.5 風廓線雷達風廓線雷達v風廓線雷達 2022-6-14風廓線雷達探測具有3個突出的特點:(1)獲取資料的時間和空間分辨率高，具有很高的時間和空間分辨率。時間間隔可以短到幾分鐘，數據的空間分辨率一般在幾十米的量級，可以給出較密的廓線資料。 (2)獲取資料的種類多，風廓線雷達能夠提供多種氣象信息。風廓線及其隨時間的演變是風廓線雷達提供的基本氣象資料，包括水平風廓和垂直風廓線等。 (3)遙感方式，風廓線雷達屬于遙感設備，特別適合需要無球探測的場合，如機場的測風應用
23、。 LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.5 風廓線雷達風廓線雷達v風廓線雷達 2022-6-14 風廓線雷達在火箭發(fā)射保障、飛機起降，軍事射彈風修正、空氣污染潛勢預報和空氣質量預報以及城市環(huán)境氣象應用服務等許多方面都有著廣泛的應用前景。LOGO 測風儀器的安裝，根據不同觀測目的，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也不同。 在近地面幾十米以內，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
24、的要求，只要求適當地高，避免地面突出障礙物的影響就可以了，但對測定風速儀器的安裝，就需要考慮以下幾個問題 ：7.6 7.6 測風儀器的安裝與檢定測風儀器的安裝與檢定LOGO根據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1020米之間。 7.6 7.6 測風儀器的安裝測風儀器的安裝LOGO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。 7.6 7.6 測風儀器的安裝與檢定測風儀器的安裝與檢定LOGO測風儀器必須垂
25、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。7.6 7.6 測風儀器的安裝與檢定測風儀器的安裝與檢定LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.6測風儀器的安裝與檢定測風儀器的安裝與檢定v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。2022-6-14LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.6測風儀器的安裝與檢定測風儀器的安裝與檢
26、定v旋臂機 2022-6-14優(yōu)點：l可以標定相當低的風速l通過旋轉臂轉速很容易確定風速l旋轉臂的轉速可以靠控制電動機或變速箱來改變缺點：l當旋轉臂轉速加大后，會帶動室內空氣，失去相對靜止狀態(tài)，造成檢定誤差。LOGO儀器科學與技術系氣象儀器7.6測風儀器的安裝與檢定測風儀器的安裝與檢定v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整。專門進行風速計檢定的風洞，風速范圍大致在0.560m/s。2022-6-14Company LogoCompany LogoThank you
氣象儀器課件：第七章 風的測量
