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。
17
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。
30
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。
28
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
29
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。
34
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。
35
探空仪即将拖放 701雷达待命工作
36
9.5 风廓线雷达

是一种遥感高空风向、风速分布的仪器。
7
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。
8
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．
41
、

这三类方法所使用的仪器设备及测定的 参量见表9.1，P230
11
9.2 气象气球
12
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 作为气球运动轨迹的示踪物
测定云层高度的云幕气球
9
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。
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．
10

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。
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。
24
9.3.1 光学测风经纬仪

主要观测气球仰角和方位角。

五八型、六三型、CFJ-1型、CFJ-2型

使用：

施放气球后，借助于经纬仪上的光学望远镜， 由人眼追踪气球，使其瞄准气球的位置，从 刻度盘上直接读出仰角和方位角的度数（精 度一般为0.05度）
25
9.3.2 测风雷达

让气球携带能够反射雷达波的反射靶在 天空飞翔，就可以定出气球在每个时刻 的位置，从而测定高空风。
32
9.4 高空风的测量


雷达测风 是利用雷达测定飞升的气球位置。 它不仅测定气球的角座标，而且能测定 气球与雷达的距离，即斜距。 由仰角、方位角、斜距计算高空风。
33
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。
2)
等容超压平移气球

20
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。
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。
6
9.1 高空风的观测方法
39
精品课件！
40
9.5 风廓线雷达
4) 5)
6)
7)
一些特殊现象的观测将有助于其他行业的 需要，例如风切变的观测对于飞行导航； 6min时段的风廓线资料能显示出锋面、 短波波动、气旋和重力波等天气系统和详 实的演变过程； 将风廓线资料实施同化后，明显地改善了 3~6h临近数值预报的结果； 整个系统运行可靠，可以由非专业人员进 行操作。

701雷达是我国测风专用雷达。
26
9.3.2 测风雷达

把气球上的反射靶换成回答器，就能增 强回波的强度，这种雷达叫二次雷达。

气球上的回答器收到地面雷达发来的询问脉 冲后，立即发射一个脉冲代替反射波，称为 回答脉冲，回答脉冲被地面接收机接收，实 现测距的目的。
27
9.3.3 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。


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 的云雨质点回波散射有所不同，称之为晴空散射。 由于散射气团随风飘移，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。

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。 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。
3
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。
4
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。
5
9.1 高空风的观测方法
1
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。
2
9.1 高空风的观测ຫໍສະໝຸດ 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。
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。



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。

用于水平探测，制作定高气球、系留气球等
15
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。

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； 要由升速及入云时间计算云低高度。
16

云幕球

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。
21
系 留 气 球
22
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。
23
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。