第七章-風(fēng)的測(cè)量

1、氣象儀器,第七章 風(fēng)的測(cè)量,2024/3/19,2,,,7.1 概述,風(fēng)的定義,2024/3/19,3,,,空氣的運(yùn)動(dòng)可分解成垂直的和水平的兩個(gè)分量。垂直分量稱為空氣的垂直運(yùn)動(dòng)（如對(duì)流運(yùn)動(dòng)）。風(fēng)就是空氣的水平運(yùn)動(dòng)，它是一個(gè)矢量，風(fēng)的運(yùn)動(dòng)既有速度又有方向。因此風(fēng)的觀測(cè)包括風(fēng)向和風(fēng)速兩項(xiàng)。 。,風(fēng)的測(cè)量值應(yīng)包括平均值和瞬時(shí)值兩部分。,7.1 概述,2024/3/19,4,,7.1 概述,風(fēng)的定義,2024/3/19,5,,地面氣象觀測(cè)中，從

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

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

4、方面都有廣泛的應(yīng)用。 陣風(fēng)的觀測(cè)主要有三個(gè)變量：風(fēng)速和風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)偏差、陣風(fēng)風(fēng)峰值、陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間。,7.1 概述,單位,2024/3/19,8,,風(fēng)速的常用單位是m/s 1m/s = 3.6 km/h 記錄風(fēng)速取一位小數(shù) 風(fēng)向以10°作為一個(gè)單位，用電碼01、02、…36來(lái)表示，以正北為基準(zhǔn)，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)風(fēng)向儀器精度較低時(shí)，一般用16個(gè)方位表示，用英文縮寫

5、符號(hào)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(jí)煙柱直沖天，一級(jí)青煙隨風(fēng)偏；　　二級(jí)輕風(fēng)吹臉面，三級(jí)葉動(dòng)紅旗展；　　四級(jí)枝搖飛紙片，五級(jí)帶葉小樹搖；　　六級(jí)舉傘步行艱，七級(jí)迎風(fēng)走不便；　　八級(jí)風(fēng)吹樹枝斷，九級(jí)屋頂飛瓦片；　　十級(jí)拔樹又倒屋，十一二級(jí)陸上很少見(jiàn)。,風(fēng)級(jí)歌,7.1 概述,2024/3/19,12,,當(dāng)沒(méi)有測(cè)

6、定風(fēng)向風(fēng)速的儀器，或儀器出現(xiàn)故障時(shí)，可目測(cè)風(fēng)向風(fēng)力估計(jì)風(fēng)力 根據(jù)風(fēng)對(duì)地面或海面物體的影響而引起的現(xiàn)象，按風(fēng)力等級(jí)表估計(jì)，并記錄相應(yīng)風(fēng)速的中數(shù)值目測(cè)風(fēng)向 根據(jù)炊煙、旌旗、布條展開(kāi)方向及人的感覺(jué)，按八個(gè)方位估計(jì)。目測(cè)風(fēng)向風(fēng)力時(shí)，觀測(cè)者應(yīng)站在空曠處，多選幾個(gè)物體認(rèn)真觀察，以盡量減少估計(jì)誤差,7.1 概述,風(fēng)的測(cè)量方法,2024/3/19,13,,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向標(biāo),2024/3/19,14,風(fēng)向標(biāo)外形可分為尾

7、翼、平衡錘、指向桿、轉(zhuǎn)動(dòng)軸四部分,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向標(biāo),2024/3/19,15,當(dāng)風(fēng)的來(lái)向與風(fēng)向標(biāo)成某一交角時(shí)，風(fēng)對(duì)風(fēng)向標(biāo)產(chǎn)生壓力，這個(gè)力可以分解成平行和垂直于風(fēng)向標(biāo)的兩個(gè)風(fēng)力。由于風(fēng)向標(biāo)頭部受風(fēng)面積比較小，尾翼受風(fēng)面積比較大，因而感受的風(fēng)壓不相等，垂直于尾翼的風(fēng)壓產(chǎn)生風(fēng)壓力矩，使風(fēng)向標(biāo)繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，直至風(fēng)向標(biāo)頭部正好對(duì)風(fēng)的來(lái)向時(shí)，由于翼板兩邊受力平衡，風(fēng)向標(biāo)就穩(wěn)定在某一方位。,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向標(biāo),2024/3/19,1

8、6,,,,風(fēng)向標(biāo)的設(shè)計(jì)要求,1.在小風(fēng)時(shí)能反應(yīng)風(fēng)向的變動(dòng)，即有良好的啟動(dòng)性能；（一般風(fēng)向標(biāo) 0.5 m/s，較好的風(fēng)向標(biāo) <0.3m/s）2.具有良好的動(dòng)態(tài)特性，即能迅速準(zhǔn)確地跟蹤外界的風(fēng)向變化,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向標(biāo),2024/3/19,17,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向標(biāo),2024/3/19,18,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向標(biāo),2024/3/19,19,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向標(biāo),2024/3/19,20,7.2 風(fēng)向的測(cè)量

9、,風(fēng)向標(biāo)的動(dòng)態(tài)特性,2024/3/19,21,對(duì)于風(fēng)向標(biāo)，當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，它將經(jīng)過(guò)一個(gè)阻尼簡(jiǎn)諧振動(dòng)產(chǎn)生過(guò)量指示而逐漸趨于穩(wěn)定。儀器的響應(yīng)取決于環(huán)境量、儀器的響應(yīng)速度和加速度。,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向標(biāo)的測(cè)量誤差,2024/3/19,22,啟動(dòng)誤差動(dòng)態(tài)偏角慣性誤差轉(zhuǎn)換誤差零位誤差,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,2024/3/19,23,,風(fēng)向信號(hào)的傳送和指示電接式,導(dǎo)電環(huán)用電纜與電源負(fù)極相連。另一環(huán)上有八個(gè)互相絕緣的方位塊。風(fēng)向指示器上有

10、一個(gè)八燈盤，分別對(duì)應(yīng)東、南、西、北、東南、東北、西北、西南八個(gè)方位，用來(lái)觀測(cè)瞬時(shí)風(fēng)向。風(fēng)向標(biāo)上的八個(gè)方位塊通過(guò)電纜分別與指示器內(nèi)八個(gè)小燈泡相連接，中間各串接著一個(gè)起隔離作用的半導(dǎo)體二極管。當(dāng)扳鍵開(kāi)關(guān)扳向上方時(shí)，電源正極通過(guò)扳鍵開(kāi)關(guān)與各個(gè)小燈泡的公共端接通。,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,2024/3/19,24,,風(fēng)向信號(hào)的傳送和指示電接式,風(fēng)向電接簧片由風(fēng)標(biāo)帶動(dòng)，滑動(dòng)片上有三個(gè)電接點(diǎn)，一個(gè)與導(dǎo)電環(huán)接觸，另外兩個(gè)與方位塊接觸，有時(shí)兩個(gè)接點(diǎn)只能接

11、觸到一個(gè)方位塊，有時(shí)可同時(shí)接觸到兩個(gè)方位塊，這樣只要打開(kāi)指示器的電源開(kāi)關(guān)，根據(jù)風(fēng)向標(biāo)所在位置，有一個(gè)或相鄰兩個(gè)小燈泡經(jīng)過(guò)感應(yīng)器的方位塊接通負(fù)極，從而顯示出方向。當(dāng)兩個(gè)燈泡被點(diǎn)亮?xí)r，就指示出兩方位的中間方位。這樣，八個(gè)方位塊實(shí)現(xiàn)了十六個(gè)方位的分辨力。當(dāng)扳鍵開(kāi)關(guān)處于中間或下方位置時(shí)，電源正極被斷開(kāi)，電路不通，燈泡不亮。,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,2024/3/19,25,,風(fēng)向信號(hào)的傳送和指示電位計(jì)式,封閉的環(huán)形繞線電阻，每隔120°

12、有一個(gè)插頭，每個(gè)插頭之間的電阻值相同并且是固定的。在風(fēng)向發(fā)送器上有兩個(gè)活動(dòng)接觸器，每個(gè)接觸器上都有兩個(gè)相同的滑動(dòng)接觸簧片，其中一個(gè)在內(nèi)導(dǎo)線環(huán)或外導(dǎo)線環(huán)上滑動(dòng)，另一個(gè)在電位計(jì)上滑動(dòng)。風(fēng)標(biāo)帶動(dòng)接觸器上兩個(gè)接觸簧片在環(huán)形電阻上滑動(dòng)。當(dāng)風(fēng)向固定在某一方位時(shí)，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(gè)插頭有不同的電位。,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,2024/3/19,26,,風(fēng)向信號(hào)的傳送和指示電位計(jì)式,風(fēng)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(gè)線圈，每?jī)蓚€(gè)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(gè)頭接在儀器，組成Y型連接。每組線圈的另一個(gè)抽頭通過(guò)電纜與阻力圈上的三個(gè)接線頭一一對(duì)應(yīng)相接，形成閉合回路。 當(dāng)電路通路時(shí)，指示器上三個(gè)繞組便有方向和大小不同的電流通過(guò)，鐵心被磁化形成磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向按各繞組的電流方向，用右手螺旋法則確定。三個(gè)繞組形成的三個(gè)磁場(chǎng)方向合成為一個(gè)磁場(chǎng)方向，使得由永久磁鐵做成的轉(zhuǎn)子與風(fēng)向變化同步，沿

14、著合成磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，指示出風(fēng)向。合成磁場(chǎng)的方向與接觸簧片在環(huán)形電阻上的位置有關(guān)。這是電位計(jì)式進(jìn)行方向信號(hào)轉(zhuǎn)換和指示的原理。,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向信號(hào)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(guò)位于碼盤兩側(cè)同一半徑上的光電耦合器件對(duì)輸出相應(yīng)的格雷碼。當(dāng)

15、光通過(guò)碼盤的透明部分時(shí)，光電耦合器件接收到的信號(hào)為“1”；當(dāng)光通過(guò)碼盤的不透明部分時(shí)，接收到的信號(hào)為“0”。,常用7位，分辨率為2.8度,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向信號(hào)的傳送和指示光電碼盤式,2024/3/19,28,7.2 風(fēng)向的測(cè)量,風(fēng)向信號(hào)的傳送和指示格雷碼式,2024/3/19,29,格雷碼最大的優(yōu)點(diǎn)是每進(jìn)一位只有其中的一位數(shù)發(fā)生0與1之間的變化，因?yàn)榧词拱l(fā)生誤讀也只能產(chǎn)生一位碼的誤差，這對(duì)保證測(cè)量風(fēng)向的精度是大有好處的。格雷

16、碼盤固定在風(fēng)向標(biāo)的軸上。當(dāng)碼盤隨著風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換線路，把光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入到指示、記錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)格雷碼與風(fēng)向標(biāo)角度的轉(zhuǎn)換。,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì) 旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)的感應(yīng)部分是一個(gè)固定在轉(zhuǎn)軸上的感應(yīng)風(fēng)的組件。常見(jiàn)的有風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)、螺旋槳 式風(fēng)速計(jì)。,2024/3/19,30,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì) 目前普遍采用的測(cè)定風(fēng)速的儀器是風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)，它的感應(yīng)部分是由三

17、個(gè)或四個(gè)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(gè)方向排列，整個(gè)橫臂架則固定在一根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。,2024/3/19,31,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì),2024/3/19,32,當(dāng)風(fēng)從左方吹來(lái)時(shí)，風(fēng)杯1與風(fēng)向平行，風(fēng)對(duì)風(fēng)杯1的壓力在最直于風(fēng)杯軸方向上的分力近似為零。風(fēng)杯2與3同風(fēng)向成60度角相交，對(duì)風(fēng)杯2而言，其凹面迎著風(fēng)，承受的風(fēng)壓最大;

18、風(fēng)杯3其凸面迎風(fēng)，風(fēng)的繞流作用使其所受風(fēng)壓比風(fēng)杯2小，由于風(fēng)杯2與風(fēng)杯3在垂直于風(fēng)杯軸方向上的壓力差，而使風(fēng)杯開(kāi)始順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，風(fēng)速越大，起始的壓力差越大，產(chǎn)生的加速度越大，風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)越快。 風(fēng)杯開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)后，由于杯2順著風(fēng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，受風(fēng)的壓力相對(duì)減小，而杯3迎著風(fēng)以同樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，所受風(fēng)壓相對(duì)增大，風(fēng)壓差不斷減小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后（風(fēng)速不變時(shí)），作用在三個(gè)風(fēng)杯上的分壓差為零時(shí)，風(fēng)杯就變作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣根據(jù)風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速（每秒鐘轉(zhuǎn)

19、的圈數(shù)）就可以確定風(fēng)速的大小。,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì),2024/3/19,33,當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)同軸的多齒截光盤或磁棒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)電路得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，經(jīng)換算后就能得出實(shí)際風(fēng)速值。,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì),2024/3/19,34,目前新型轉(zhuǎn)杯風(fēng)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(fēng)速的測(cè)量,風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì),2024/3/19,35,,,當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)轉(zhuǎn)杯能迅

20、速增加轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)氣流速度,風(fēng)速減小時(shí)，由于慣性影響，轉(zhuǎn)速卻不能立即下降,,旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速表在陣性風(fēng)里指示的風(fēng)速一般是偏高的成為過(guò)高效應(yīng)（產(chǎn)生的平均誤差約為10%）,過(guò)高效應(yīng)還會(huì)受到垂直氣流和風(fēng)向脈動(dòng)的影響,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,螺旋槳式風(fēng)速計(jì),2024/3/19,36,電扇由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)，在葉片前后產(chǎn)生一個(gè)壓力差，推動(dòng)氣流流動(dòng)。螺旋漿式風(fēng)速計(jì)的工作原理恰好與此相反，對(duì)準(zhǔn)氣流的葉片系統(tǒng)受到風(fēng)壓的作用，產(chǎn)生一定的扭力矩使葉片系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。

21、這種能量如果加以利用就是風(fēng)力發(fā)電。 螺旋槳式風(fēng)速計(jì)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(fēng)速的測(cè)量,螺旋槳式風(fēng)速計(jì),2024/3/19,37,螺旋槳式風(fēng)速計(jì)的葉片旋轉(zhuǎn)平面應(yīng)始終對(duì)準(zhǔn)風(fēng)的來(lái)向，因此它的感應(yīng)部分需要與風(fēng)向結(jié)合在一起。風(fēng)向標(biāo)部分則制成與風(fēng)機(jī)機(jī)身相似的外形，保持良好的流線型。 在以下假設(shè)情況下，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知螺旋槳式風(fēng)速計(jì)的轉(zhuǎn)速與外界風(fēng)速成正比。,葉片是一個(gè)扁平薄板，當(dāng)氣流的方向

22、與葉片的基線一致時(shí)，葉片上不受力的作用不考慮機(jī)械摩擦和空氣對(duì)葉片的阻力葉片系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，沒(méi)有帶起旋轉(zhuǎn)氣流葉片系統(tǒng)正前方的氣流速度等于遠(yuǎn)處的風(fēng)速,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,2024/3/19,38,三軸風(fēng)速計(jì)：利用三個(gè)風(fēng)車風(fēng)速計(jì)測(cè)量風(fēng)速 x，y 和 z 分量的儀器,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)風(fēng)速信號(hào)的轉(zhuǎn)換方式,2024/3/19,39,電機(jī)式,風(fēng)杯的轉(zhuǎn)動(dòng)直接帶動(dòng)一個(gè)小型發(fā)電機(jī)的多極磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)的輸出電壓與風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速成正比，整流后通

23、過(guò)直流電流表進(jìn)行顯示。 右圖是電接式風(fēng)向風(fēng)速儀風(fēng)速轉(zhuǎn)換電機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)小型交流發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子是一個(gè)八極磁鋼，安裝在風(fēng)杯軸的下端，并隨風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。定子是由上下兩個(gè)圓型帶齒的導(dǎo)磁環(huán)片和一組繞在膠木圈上的線圈組成。當(dāng)風(fēng)杯帶動(dòng)八極磁鋼不斷轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(yīng)定律，定子線圈上將產(chǎn)生交流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其有效值與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比。通過(guò)整流濾波，直接在電流表上顯示風(fēng)速值。,7.3 風(fēng)速的測(cè)

24、量,旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速計(jì)風(fēng)速信號(hào)的轉(zhuǎn)換方式,2024/3/19,40,電機(jī)式光（磁）電式磁感應(yīng)式機(jī)械式電接式,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,熱線風(fēng)速表,2024/3/19,41,熱線風(fēng)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(guān)的特性來(lái)測(cè)量風(fēng)速。,被加熱的金屬絲，它所產(chǎn)生的熱量為,,式中I為流過(guò)熱線的電流，Rt為熱線電阻。與此同時(shí)，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(duì)于某一熱線風(fēng)速表，A、B均為常系數(shù)， t-θ為熱線與氣溫的溫差。,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,熱線風(fēng)速表,2024/3/19,42,,,當(dāng)v足夠大時(shí)，則可忽略分子散熱。當(dāng)熱量交換達(dá)到平衡時(shí)，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(guān)系；若固定熱線與空氣的溫差t-θ，則可確定出v與I的關(guān)系。前者稱為恒流式，后者為恒溫式。,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,聲風(fēng)速表,2024/3/19,43,,,

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

27、z)所需要的時(shí)間t時(shí),,,,,設(shè)y與z為零，等相位從(0,0,0)到達(dá)點(diǎn)(d,0,0)和點(diǎn)(-d,0,0)的時(shí)間分別為t1和t2,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,聲風(fēng)速表,2024/3/19,46,,,,,如果把兩個(gè)超聲波發(fā)射元件G1和G2、兩個(gè)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(shí)測(cè)出時(shí)間t1和t2，通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娮泳€路得t1+ t2到和t1- t2的數(shù)值，通過(guò)公式就可計(jì)算出風(fēng)速V在x方向的分量。同

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

29、4/3/19,48,,,,,輕便風(fēng)向風(fēng)速儀是測(cè)量風(fēng)向和一分鐘內(nèi)平均風(fēng)速的儀器，它用于野外考查和儀器損壞時(shí)的備份儀器。,7.3 風(fēng)速的測(cè)量,海島自動(dòng)測(cè)風(fēng)系統(tǒng),2024/3/19,49,,,,,該系統(tǒng)是專門為測(cè)量海島出現(xiàn)的強(qiáng)風(fēng)而設(shè)計(jì)的，其特點(diǎn)是具有較好的測(cè)強(qiáng)風(fēng)能力。 系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成：一個(gè)是自動(dòng)采集部分，另一個(gè)是接收部分。采集部分由風(fēng)向風(fēng)速傳感器、數(shù)據(jù)處理器、調(diào)制解調(diào)器、無(wú)線電收發(fā)訊機(jī)、太陽(yáng)能板和蓄電池組成。接收部分由計(jì)算

30、機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、無(wú)線電收發(fā)訊機(jī)和打印機(jī)組成。采集部分對(duì)風(fēng)向風(fēng)速傳感器采樣，然后計(jì)算出風(fēng)向風(fēng)速的平均值。通過(guò)無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)到接收部分的傳輸。有日照時(shí)，采集部分用太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池充電。,測(cè)風(fēng)儀器的安裝，根據(jù)不同觀測(cè)目的，其要求也不同。氣象臺(tái)站觀測(cè)，主要是提供天氣預(yù)報(bào)和氣候資料，一般測(cè)風(fēng)儀器在正確裝置的情況下，大多能滿足其準(zhǔn)確度的要求。但對(duì)于像水文氣象、農(nóng)業(yè)氣象、污染氣象等為特殊目的而進(jìn)行的觀測(cè)，其精度要求高一些，因此對(duì)儀器的安裝要求

31、也不同。 在近地面幾十米以內(nèi)，風(fēng)向隨高度的變化比起風(fēng)速的變化來(lái)要小得多，因此對(duì)測(cè)定風(fēng)向儀器的安裝沒(méi)有更高的要求，只要求適當(dāng)?shù)馗?，避免地面突出障礙物的影響就可以了，但對(duì)測(cè)定風(fēng)速儀器的安裝，就需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題 ：,7.4 測(cè)風(fēng)儀器的安裝與檢定,１.安裝高度,,根據(jù)風(fēng)速隨高度的變化情況以及為了觀測(cè)和維護(hù)的方便，同時(shí)不受地形地物的影響，測(cè)風(fēng)儀器的安裝高度最好在10～20米之間。,7.4 測(cè)風(fēng)儀器的安裝,１.安裝高度,２.安裝地

32、點(diǎn),,測(cè)風(fēng)儀器安裝的地點(diǎn)要求盡量開(kāi)闊空曠，遠(yuǎn)離障礙物，使之不受氣流渦旋的影響。因?yàn)榻ㄖ铩嫉?、山谷等地形作用?huì)使氣流產(chǎn)生渦流、輻合、輻散，使風(fēng)的資料只有小氣候方面的意義，而缺少代表性。,7.4 測(cè)風(fēng)儀器的安裝與檢定,１.安裝高度,２.安裝地點(diǎn),３.安裝要求,,測(cè)風(fēng)儀器必須垂直安裝；安裝測(cè)風(fēng)儀器的桿不能太粗，否則會(huì)改變氣流的自然狀況；儀器應(yīng)安裝在桿的頂端，如果需要安裝在桿的中間，則應(yīng)使用一定長(zhǎng)度的橫臂，以使風(fēng)速儀器遠(yuǎn)離桿柱。,7.4 測(cè)

33、風(fēng)儀器的安裝與檢定,7.4測(cè)風(fēng)儀器的安裝與檢定,旋臂機(jī) 旋臂機(jī)主要部件是一根水平旋轉(zhuǎn)臂，固定在一根垂直于水平面的旋轉(zhuǎn)主軸上，桿的前端的儀器支架可安裝待檢定的風(fēng)速計(jì)，垂直軸可由馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使儀器在XY平面內(nèi)作等速圓周運(yùn)動(dòng)，其前端的線速度就相當(dāng)于儀器不動(dòng)時(shí)氣流的速度。,2024/3/19,54,7.4測(cè)風(fēng)儀器的安裝與檢定,旋臂機(jī),2024/3/19,55,優(yōu)點(diǎn)：可以標(biāo)定相當(dāng)?shù)偷娘L(fēng)速通過(guò)旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速很容易確定風(fēng)速旋

34、轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速可以靠控制電動(dòng)機(jī)或變速箱來(lái)改變?nèi)秉c(diǎn)：當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速加大后，會(huì)帶動(dòng)室內(nèi)空氣，失去相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，造成檢定誤差。,7.4測(cè)風(fēng)儀器的安裝與檢定,風(fēng)洞 風(fēng)向標(biāo)和各種風(fēng)速表一般都是通過(guò)風(fēng)洞進(jìn)行全面有效的校準(zhǔn)。風(fēng)洞是一種進(jìn)行流體力學(xué)、航空模型實(shí)驗(yàn)以及環(huán)境問(wèn)題實(shí)驗(yàn)的大型設(shè)備。在這種管道系統(tǒng)里，動(dòng)力風(fēng)扇造成空氣流動(dòng)，并在它的實(shí)驗(yàn)空間造成一個(gè)穩(wěn)定、均勻的流場(chǎng)。工作段的流速可以調(diào)整。專門進(jìn)行風(fēng)速計(jì)檢定的風(fēng)洞，風(fēng)速范圍大致在0

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

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

37、間層。,7.5 風(fēng)廓線雷達(dá),風(fēng)廓線雷達(dá)分類,2024/3/19,59,,,,,根據(jù)雷達(dá)工作頻率的不同，可將風(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)選用L波段，對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)選用UHF （P波段），探測(cè)高度在平流層以上的風(fēng)廓線雷達(dá)大致選用VHF。,7.5 風(fēng)廓線雷達(dá),風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)原理,2024/3/19,60,,,,,風(fēng)廓線雷達(dá)主要以晴空大氣作為探測(cè)對(duì)象，利用大氣湍流對(duì)電磁波的散

38、射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場(chǎng)等要素的探測(cè)。風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射的電磁波在大氣傳播過(guò)程中，因?yàn)榇髿馔牧髟斐傻恼凵渎史植疾痪鶆蚨a(chǎn) 生散射，其中后向散射能量被風(fēng)廓線雷達(dá)所接收。一方面，根據(jù)多普勒效應(yīng)確定氣流沿雷達(dá)波束方向的速度分量；另一方面，根據(jù)回波信號(hào)往返時(shí)間確定回波位置。由此看來(lái)，風(fēng)廓線雷達(dá)是無(wú)線電測(cè)距和多普勒測(cè)速的結(jié)合。,7.5 風(fēng)廓線雷達(dá),風(fēng)廓線雷達(dá)大氣湍流散射,2024/3/19,61,,,,,隨著探測(cè)高度的不同，風(fēng)廓線雷達(dá)的回波機(jī)制有所不同。

39、在100km的高度范圍內(nèi)，風(fēng)廓線雷達(dá)回波信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)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(duì)電磁波的散射主要是湍流散射，其主要主要在對(duì)流層，是因?yàn)榇髿馔牧鬟\(yùn)動(dòng)造成折射率不均勻分布而產(chǎn)生的散射。,7.5 風(fēng)廓線雷達(dá),風(fēng)廓線雷達(dá)大氣湍流散射,2024/3/19,62,,,,,風(fēng)廓線雷達(dá)所用發(fā)射頻率與探測(cè)高度的關(guān)系,7.5 風(fēng)廓線雷達(dá),風(fēng)廓線雷達(dá)天線工作方式,2024/3/19,63,,,,,7.5 風(fēng)廓線雷達(dá),風(fēng)廓線雷