第九章高空风的测量
大气层中的风向和风速测量方法
1.引言大气层中的风向和风速测量对于许多领域都非常重要，例如气象、航空、海洋、环境保护等。
因此，研究和发展具有高精度和高可靠性的风向和风速测量方法具有重要意义。
2.风向测量方法2.1.风向标法风向标法是最简单和最直观的风向测量方法。
它通过观察风向标上的指针或其他标志物的方向来确定风向。
这种方法适用于低空风向测量和风向变化缓慢的情况。
2.2.风袋法风袋法是一种基于气体动力学原理的风向测量方法。
它利用风袋在风中的变形来测量风向。
风袋通常由两个或更多的薄膜构成，它们之间充满了气体。
当风吹过风袋时，其中一个膜会向风口方向凸起，另一个则凹陷。
这种变形可以通过测量两个膜的形态来确定风向。
2.3.旋转杆法旋转杆法是一种基于摩擦力原理的风向测量方法。
它利用一个固定在地面上的杆，杆顶安装有一个旋转的指针或标志物。
当风吹过杆时，风力会使得指针或标志物旋转，其方向指向风的来向，从而确定风向。
3.风速测量方法3.1.热线法热线法是一种基于热传导原理的风速测量方法。
它利用一个细丝电阻作为热线，将其加热到一定温度。
当气体通过热线时，它会带走部分热量，从而降低热线温度。
通过测量热线的电阻变化来计算气体的流速，进而确定风速。
3.2.声波法声波法是一种基于声学原理的风速测量方法。
它利用声波在气体中的传播速度和方向与气体运动速度和方向之间的关系来计算风速。
这种方法需要使用专门的声速计来测量声波的传播速度，因此适用于高精度的风速测量。
3.3.激光多普勒测速法激光多普勒测速法是一种基于激光多普勒效应的风速测量方法。
它利用激光束对气体中的微粒进行散射，并通过测量散射光的频率变化来计算气体的速度，从而确定风速。
这种方法具有高精度和非接触性，适用于远距离和高速风速测量。
4.结论风向和风速是大气层中最基本的气象要素之一，对于许多领域都具有重要意义。
本文介绍了几种常见的风向和风速测量方法，包括风向标法、风袋法、旋转杆法、热线法、声波法和激光多普勒测速法。
《高空风的测量》课件
处理和分析。
面临的挑战
高空环境的复杂性
高空中的气流不稳定、风速变化大，对测量设备的稳定性和可靠 性提出了更高的要求。
测量设备的维护与更新
高空风测量设备需要定期维护和更新，以确保数据的准确性和可靠 性。
数据处理的挑战
高空风数据量大、复杂度高，需要高效、精准的数据处理和分析方 法，对技术和算法提出了更高的要求。
接收到的回波信号经过处理后， 可以提取出目标的距离、方位、 高度等信息。
雷达的应用
用于探测降水、风场、气流等气 象信息，为气象预报和灾害预警 提供数据支持。
气象雷达
用于飞机导航和着陆，探测空中 的气象信息，保障飞行安全。
航空雷达
用于探测敌方目标，引导武器攻 击，保障军事行动的顺利实施。
军事雷达
飞 机 测 量
飞机飞行时，机翼与空气之间存在 相对运动，导致机翼上下的空气压 力不同，从而产生升力。
飞机的动力装置通常包括发动机和 螺旋桨，它们通过旋转产生推力， 使飞机前进。
飞机的应用
飞机在交通运输领域中应用广泛，如 商业航班、私人飞机和军用运输等。 在战争中，飞机可以用于侦察、轰炸 和战斗等任务。 在科学研究中，飞机可以用于气象观 测、地理测绘和环保监测等任务。
飞机介绍
飞机是一种由动力装置产生前进动 力，由固定机翼产生升力的航空器。 按照用途可以分为军用机和民用机， 其中军用机又可以分为战斗机、轰 炸机、侦察机等，民用机则可以分 为运输机、客机和直升机等。 飞机的发明极大地改变了交通运输、 战争和日常生活等方面。
飞机的工作原理
飞机的控制系统包括飞行操纵面、 起落架和推进系统等，用于控制飞 机的姿态、速度和高度等参数。
气象气球的工作原理
充气与升空
风声测量方法
风声测量方法
- 风向测量：使用风向标，其风向箭头指向哪个方向，就是表示当时刮的是什么方向的风。
当风向标与气流路径成一定夹角时，气流将对风向标尾翼造成一个压力。
其大小正比风向标几何外形在气流方向垂直面之上的投影。
风向标头部迎风面积小，尾翼迎风面积大。
该压力差造成的风压使风向标绕垂直轴转动，直至风向标与气流平行。
从风向标和固定主方位指示杆之间相对位置就可以很容易观测出风向。
- 风速测量：使用测量风速的风速仪，其外接了可伸缩的六轮风叶设计，感应更加灵敏，机械式测量方法通常用作测量井巷的风。
首先需估算风速，然后采用风向标和秒表将风表指针和秒表的归零，然后使风表朝向风流并与风流方向垂直。
风表空转30秒之后，同时开启风速表和秒表开关，开始测量。
同一断面的测风次数不低于3次，测风过程中要平稳进行。
风的测量
风的测量
来源：作者：佚名发布时间： 2008-8-27 13:15:29
测风系统
在风电场选址时，一般气象台、站仅能提供较大区域内的风能资源情况，而且其采用的测量设备精度也不一定能满足风电场微观选址的需要。
因此，风电场选址需使用高精度的自动测风系统进行测量。
风的测量包括风向测量和风速测量。
风向测量是指测量风的来向，风速测量是测量单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。
自动测风系统主要由六部分组成。
包括传感器、主机、数据存储装置、电源、安全与保护装置。
传感器分风速传感器、风向传感器、温度传感器（即温度计）、气压传感器。
输出信号为频率（数字）或模拟信号。
风向测量
1、风向标
风向标是测量风向的最通用的装置，有单翼型、双翼型和流线型等。
风向标一般是由尾翼、指向杆、平衡锤及旋转主轴4部分组成的首尾不对称的平衡装置。
其重心在支撑轴的轴心上，整个风向标可以绕垂直轴自由摆动。
在风的动压力作用下取得指向风的来向的一个平衡位置，即为风向的指示。
传送和指示风向标所在方位的方法很多，有电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘4种类型，其中最常用的是码盘。
风向杆的安装方位指向正南。
风速仪（风速和风向）一般安装在离地10m的高度上。
图。
第九章 高空风的测量
向气球内充灌氢气时，可以用浮力天平或平衡器 控制其净举力。
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9.2.3 气球的上升速度
气球实际升速与计算值的偏差：
2Km以下，接近地面时偏差最大； 2~12Km高度范围内偏差不大。
建议将气球在施放头5分钟内的计算升速值加 以订正：
施放后的第1分钟将升速增加20% 施放后的第2、3分钟将升速增加10% 施放后的第4、5分钟将升速增加5%
气球升速是根据当时空气密度、球皮等附加物重量 计算出气球净带力，按照净举力灌充氢气来确定。 但由于大气湍流和空气密度随高度变化，以及氢气 泄漏等因素的影响，气球升速不均匀导致高度误差 大，测风精度低。 在配合探空仪观测时，气象站用探空仪测得的温度， 气压、湿度资料计算出气球高度。
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9.4 高空风的测量
共有两组天线
一组监测探空仪信号的仰角 另一组监测探空仪信号的方位角。
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9.4 高空风的测量
气球轨迹法
因追踪设备不同，分为：
单经纬仪测风 双经纬仪测风 二次雷达测风 GPS导航测风
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9.4 高空风的测量
单经纬仪测风只能测出气球的仰角和方位角， 气球高度由升速和施放时间推算。
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9.4 高空风的测量
显然，在相同的发射功率下，二次雷达 比一次雷达探测距离更远，可测更高的 高空风。 但随着技术的发展，发射功率已不是大 的技术障碍时，着眼于提高测风精度和 经济效应等方面，一次雷达测风也有其 独特优势。
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探空仪即将拖放 701雷达待命工作
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9.5 风廓线雷达
高空风的计算分解
Zi X cos Yi sin Z 0
' i '
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计算层的划分
0 -20 min
20-40min
1分钟作为一个计算层
2分钟作为一个计算层
40- min
3分钟作为一个计算层
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根据误差传递公式
V 2 V 2 V 2 H H
1）直接计算求取各规定层次风的数据。首先计算出标准等 压面或规定高度层等位置的时间，再根据此时间分辨率的 要求，以高度的时间为中心，直接计算求取各规定层次的 风向、风速值。此方法得出的规定层次风数据相对精确， 但在风的特性层选取等方面不能被应用.
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内插法定风向原理
量得风层间的风要素内插的假设前提是相关数据之间的变化是线性的， 而实际上两个量得风层间由于种种原因，在自然系统中的实际变化， 1 分钟之间的风向并不是线性化的
其中，
：测站纬度
：测站经度
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站心转化为地心：
X i X i' cos sin Yi ' sin Zi' cos cos X 0 Yi X sin sin Yi cos Z cos sin Y0
' i ' ' i
δ：气球的仰角 Ψ:气球的方位角
转化为直角坐标系：
X i' Ri cos i cos i Yi ' Ri cos i sin i Z i' Ri sin i
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站心坐标系计算层风
第九章高空风的测量
方向和大小)来测定各高度上的风向、风 速。
这类方法广泛用于测定地面风 测高空风时，就需要使用升空装置(系留气
球、飞机等)将测风仪(风杯、风标、风压管 等)带到各个高度上，但在观测高度、观测 时间上受到限制。
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9.1 高空风的观测方法
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9.4 高空风的测量
雷达测风法又可分为一次雷达测风法和 二次雷达测风法。
前者是利用气球上悬挂的金属反射体反射雷 达发射的脉冲信号，测定气球角座标和斜距；
后者利用气球悬挂的发射回答器，当发射回 答器受雷达发射的脉冲激励后产生回答信号， 由回答信号测定气球角座标和斜距。
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9.4 高空风的测量
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9.2.5 其他用途气球
2. 洛宾（ROBIN）气球
下投式垂直探空气球，非膨胀型。
3. 棘面气球（Jimsphere）
用于雷达测风的气球，直径2米。
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9.3 球定气球位置的仪器设备
光学测风经纬仪、雷达、二次雷达、无 线电经纬仪，以及GPS卫星导航定位技 术。
小球测风——光学测风经纬仪，角坐标测量 精度高，受天气条件限制
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9.1 高空风的观测方法
高空风测量中使用的示踪物一般是灌满 氢气的气球，即测风气球。
此外，天空中云团、人工施放的烟团和铝箔 也可作为示踪物。
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9.1 高空风的观测方法
我们可以使气球以三种方式在空中飘浮：
①气球只飘浮在某一高度(等密度面)上，一 般称为平移气球
②气球以一定的垂直速度上升． ③气球以一定的速度降落．279.3.3 无线电经纬仪
与测风雷达相比，具有低能耗，设备重 量轻的优点。
测量风速的方法
测量风速的方法内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）测量风速的方法张曦计算机科学与技术10级1班高空风观测测量近地面直至30公里高空的风向风速。
通常将飞升气球作为随气流移动的质点，用地面设备（经纬仪或雷达）跟踪气球的飞升轨迹，读取其时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置的坐标值，可求出气球所经过高度上的平均风向风速。
高空风的测量一般指从地面到空中30km各高度上的风向、风速的测定。
其测量方法有：？一．利用示踪物随气球漂浮，观测示踪物位移来确定空中的风向和风速；?常用测风气球作为气流示踪物，使用地点跟踪设备观测其运动轨迹，测定其在空间各个时刻的位置，再用图解法、解析法或矢量法确定相应大气层中的平均风向、风速。
气球空间位置的确定需要测定三个参数：仰角δ、方位角α和球高H。
测风经纬仪是一种跟踪观测和测定空中测风气球仰角、方位角的光学仪器。
在实际测量中，可以采用单经纬仪测风，也可采用双经纬仪测风（基线测风法）。
其中后者准确度较高，可用来鉴定其它测风方法的准确性，但这种方法的观测和计算较复杂。
用双经纬仪测风计算高度时，可采用投影法（包括水平面投影法、铅直面投影法和矢量投影法）。
二．利用大气中的质点或湍流团块与无线电波、声波、光波的相互作用，由多普勒效应引起的频率变化推算空中的风向、风速；在我国，目前主要采用59型探空仪和701型二次测风雷达组成59—701高空探测系统，进行高空温、压、湿、风的综合测量。
三．利用系留气球、风筝、飞机、气象塔等观测平台，使测风仪器安置在不同高度上，根据气流对测风仪器的动力作用来测量空中的风向、风速。
导航测风就是借助导航台信号，由气球携带的探空仪自身确定其位置，并将位置信号、气象资料信号一起发回基站，然后在基站进行处理，计算高空风的方法。
近地面层以上大气风场的探测。
通常用气球法测风。
高空风探测也是气象飞机探测、、的内容之一。
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2Km以下，接近地面时偏差最大； 2~12Km高度范围内偏差不大。
建议将气球在施放头5分钟内的计算升速值加 以订正：
施放后的第1分钟将升速增加20% 施放后的第2、3分钟将升速增加10% 施放后的第4、5分钟将升速增加5%
9.2.4 平移气球
就是设法使气球在某一选定的高度上达 到净举力为零，或者在相当厚的某一层 中气球净举力为零，则气球可在某高度 或某气层上随气流水平移动，使用追踪 定位设备测定气球在各个时刻的位置， 就可计算出在选定高度上，气球位于不 同xy坐标点上的位移，即风向和风速。
无线电探空仪——二次雷达，测角精度低于 光学测风经纬仪。
9.3.1 光学测风经纬仪
主要观测气球仰角和方位角。
2. 洛宾（ROBIN）气球
下投式垂直探空气球，非膨胀型。
3. 棘面气球（Jimsphere）
用于雷达测风的气球，直径2米。
9.3 球定气球位置的仪器设备
光学测风经纬仪、雷达、二次雷达、无 线电经纬仪，以及GPS卫星导航定位技 术。
小球测风——光学测风经纬仪，角坐标测量 精度高，受天气条件限制
球皮由伸缩性较大的橡皮制成
充气后，球内外压力差很小，可随大气压的降低 而自由膨胀，直到破裂为止
一般用于大气的垂直探测，如探空仪
非膨胀型
球皮由聚乙烯塑料薄膜、聚酯薄膜制成
一般在超压状态下工作，球皮几乎无伸缩性
用于水平探测，制作定高气球、系留气球等
9.2.3 气球的上升速度
对于上升类气球，控制其上升速度极为 重要。
9.1 高空风的观测方法
测量近地面直至30公里高空的风向风速。 通常将飞升气球作为随气流移动的质点，
用地面设备（经纬仪或雷达）跟踪气球 的飞升轨迹，读取其时间间隔的仰角、 方位角、斜距，确定其空间位置的座标 值，可求出气球所经过高度上的平均风 向风速。
9.1 高空风的观测方法
垂直气流对于很多大气过程(例如云的形 成和发展、天气系统的发展)是极为重要 的因素，但是垂直气流的测量方法比较 复杂，目前还不够成熟。
9.2.5 其他用途气球
1. 系留气球
用缆绳拴在地面绞车上，能控制浮升高度的 气球。
通常用聚脂薄膜做成流线形，缆绳长度及与 地面交角可以估算气球距地面高度，它可以 携带测量仪器在指定高度作数小时连续测量， 用完后收回作多次使用。
特别适用于大气污染监测和研究大气边界层 等。
系 留 气 球
9.2.5 其他用途气球
9.1 高空风的观测方法
大气中各种物理过程和天气的变化都是在三维 空间中进行的，不同层次大气的性质和过程各 不相同，地面以上各高度上的气流情况就有很 大的差异，因此必须进行高空观测以取得空中 各高度上的气象要素值。
大气在空间的运动基本上是水平的，气流在垂 直方向的分量与水平方向的分量相比，一般是 很小的。
测定出气球在上升过程中的运动轨迹即 可计算出大气各层中的平均风向、风 速．
9.1 高空风的观测方法
按定为方法，气球轨迹法测风可以分为 三类：
①单点测风。 ②基线测风，或称为双点(经纬仪)测风． 、 ③导航测风。
这三类方法所使用的仪器设备及测定的 参量见表9.1，P230
9.2 气象气球
用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小，没有相 对于空气的水平运动的对象才能作为气流水平方 向运动轨迹的示踪物。
示踪物在水平方向运动的方向和速度就是风向、 风速。
需要指出的是，这样求出的风向、风速是某一时 段或某一气层厚度内气流方向和速度的平均值。
9.1 高空风的观测方法
高空风测量中使用的示踪物一般是灌满 氢气的气球，即测风气球。
此外，天空中云团、人工施放的烟团和铝箔 也可作为示踪物。
9.1 高空风的观测方法
我们可以使气球以三种方式在空中飘浮：
①气球只飘浮在某一高度(等密度面)上，一 般称为平移气球
②气球以一定的垂直速度上升． ③气球以一定的速度降落．
9.1 高空风的观测方法
为了测定地面以上至空中三十多公里各 高度上的风，一般都使用定速上升的气 球。
9.1 高空风的观测方法
高空风测量单位：
风速为m／s； 风向为方位度，以正为0度，全方位为360
度，顺时针旋转。 如果是指某一等压面高度上的风，高度单位
取位势米。
9.1 高空风的观测方法
高空风的测量方法由于升空观测条件的 限制，具有与地面测风方法不同的特点。
9.1 高空风的观测方法
高空风测量法可分为两大类：
1) 根据气流对测风仪器的动力作用(压力的 方向和大小)来测定各高度上的风向、风 速。
这类方法广泛用于测定地面风
测高空风时，就需要使用升空装置(系留气 球、飞机等)将测风仪(风杯、风标、风压管 等)带到各个高度上，但在观测高度、观测 时间上受到限制。
9.1 高空风的观测方法
2) 根据随气流飘动的物体在空中运动的轨迹， 从而测定出风向、风速。这类方法称轨迹法， 在高空观测中广泛采用。
9.2.4 平移气球
平移气球主要有两种：
1) 随遇平衡平移气球
球皮基本上没有张力，它能随气球上下颠簸，始终保持 净举力为零。
2) 等容超压平移气球
球皮由某种膨胀伸缩积弱的薄膜制成，当气球达到固定 高度后，由于球内压力不断加大，与四周大气压力维持 在一个较高的压差。当压差逐渐加大，气球内氢气（或 氦气）的密度增高，使气球的净举力达到零，因而使气 球维持在一个等密度面上平移。
9.2.1 概述
气球是目前高空观测中使用的主要工具。 按照使用目的，可分为三类：
1) 探空气球
作为各种大气探测仪器升空运载工具 分无线电探空气球、平移气球、系留气球等
2) 测风气球
作为气球运动轨迹的示踪物
3) 测云气球
测定云层高度的云幕气球
测风气球
9.2.2 气球的一般性质
膨胀型
单经纬仪测风
要根据气球升速计算球高，才能确定气球的空间 位置；
云幕球
要由升速及入云时间计算云低高度。
9.2.3 气球的上升速度
使气球具有规定升速的方法：
按当时的空气密度充灌氢气，使气球具有相 应的净举力。
向气球内充灌氢气时，可以用浮力天平或平衡器 控制其净举力。Leabharlann 9.2.3 气球的上升速度