大气探测第七章：地面风的观测课件

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1、大气探测学,第七章 地面风的观测,7.1 概述 7.2 风的传感器 7.3 EL型电接风向风速计 7.4 其他测风仪器 7.5 测风仪器的安装,7.1 概 述,1什么是风？,风是指空气的水平运动。 风的运动既有速度又有方向，说明了风是一个矢量（地面气象观测的风是两维矢量，即空气的水平运动），因此风的观测包括风向和风速两项。,2风向： 指风的来向。 人工观测，用十六方位表示，以拉丁文缩写记录； 自动观测，风向以度()为单位。 最多风向：指在规定时间段内出现频数最多的风向。,7.1 概 述,风向符号与度数对照表,3风速： 是空气质点在单位时间内所移动的水平距离。以米/秒为单位，定时观测取整数，自记

2、记录取一位小数。 最大风速：是指在某个时段内出现的最大十分钟平均风速值。 极大风速(阵风)：是指某个时段内出现的最大瞬时风速值。 瞬时风速：是指三秒钟的平均风速。,7.1 概 述,风力等级：常用的风力等级系英国人蒲福于1805年规定，称蒲福风力等级，从012级共13级。 现在使用的分级标准是由1946年以来风力等级又做了扩充，增到18个等级（017级）。 我国自2006年6月15日起实施新的热带气旋等级划分，与过去不同的是： 台风：中心最大风力1213级。 强台风：中心最大风力1415级。 超强台风：中心最大风力16级或以上。,7.1 概 述,4风的平均量： 是指在规定时间段的平均值，有三秒钟

3、、一分钟、二分钟和十分钟的平均值。 在观测中为了取得具有一定代表性的风向、风速资料，风的观测一般是取某一时段内的平均风速和最多风向。 气象台站观测中，一般是取两分钟的平均风速和最多风向，自记仪器是取十分钟的平均风速和最多风向。,7.1 概 述,5阵风： 阵风（风的阵性）：是指瞬时风向风速在平均值附近涨落的变化和分布特性。WMO关于“阵风”的定义是：在规定时间间隔（指十分钟）内，风速偏离其平均值的一个正的或负的偏距，其持续时间不超过两分钟者。 阵风观测：主要有两个变量，风速和风向的标准偏差、阵风峰值。,7.1 概 述,6气象站风的观测项目： 人工观测时：测量平均风速和最多风向。配有自记仪器的要作

4、风向风速的连续记录并进行整理。 自动观测时：测量平均风速、平均风向、最大风速、极大风速。,7.1 概 述,7测量风的主要仪器： （1）EL型电接风向风速计 （2）EN型系列测风数据处理仪 （3）海岛自动测风站 （4）轻便风向风速表 （5）单翼风向传感器和风杯风速传感器等 当没有测定风向风速的仪器，或虽有仪器但因故障而不能使用时，可目测风向和风力。,7.1 概 述,8风的测量有什么意义？ （1）在天气预报方面，天气形势分析时需要风资料。另外，大风多具灾害性，对航运、渔业生产及军事活动的影响甚大，所以大风预报是风的预报的重点。 （2）在城市规划方面，为了尽可能地减少工厂排放的烟尘、废气对居住区的污

5、染，城市规划尤其要考虑风的影响。各地都可根据该地的风频统计进行布局规划。,7.1 概 述,（3）在森林防火方面，风力的大小还与森林火灾的发生关系十分密切。及时准确的预报会减免火灾的发生和将损失减到最小。 （4）在军事气象方面，风是海洋气象因素之一，它对海军平战时的活动影响很大。准确的预报对航行有重大意义。 （5）其他，风速风向资料还广泛应用于建筑设计、输电线路设计、大气污染评价、风能资源开发等领域。,7.1 概 述,7.2 风的传感器,风向标： 是各种测风仪器中用以指示风向的最主要的部件。分为头部（维持平衡也称平衡锤）、水平杆与尾翼三部分。整个风向标可绕垂直轴旋转。它的重心正好在转动轴的轴心上

6、。,1风向感应器,风向标作用原理： 当风的来向与风向标成某一个交角时，风对风向标产生压力，这个力可分解成平行和垂直于风向标的两个分力。由于风向标头部受风面积较小，尾翼受风面积较大，因而感受的风压不相等，垂直于尾翼的风压产生风压力矩，使风向标绕垂直轴旋转，直至风向标头部正好对着风的来向时，由于翼板两边受力平衡，风向标就稳定在某一位置。,7.2 风的传感器,只有当MMf时，即在一定的起动风速V下，风向标才能转动。各种风向标的起动风速都不相同，它取决于风标形状和交角.,7.2 风的传感器,风向标的受力情况：设气流与风标的起始位置成的交角，则风向标的尾翼上受到三个力矩的作用，一是风压力矩M，二是惯性力

7、矩Mn，三是摩擦力矩Mf，包括在转轴支点处的摩擦力矩及空气粘滞性对翼板等产生的摩擦力矩。这样，风标转动的运动方程为 M=Mn+Mf，即Mn=M-Mf。,对风向标的要求： (1)灵敏度：在小风速或风向改变不大的情况下，能很快地反映出风向变化来。 提高灵敏度的方法：在重量一定的前提下，加大尾翼的面积、加大其压力中心到垂直轴的距离（力臂）、减小轴部摩擦等。 (2)稳定度：当风向改变时，由风向标本身惯性作用引起的摆动要小。 提高稳定度的方法：需要适当减小风向标的重量、减小转动半径和增大受风面积，也可改进风标的形状。,7.2 风的传感器,常用风向标的类型： (1)双叶型：两翼有20度张角，增大了垂直方向

8、上的风压，灵敏性较好。同时由于张角的存在，当风标做惯性转动时，受到摆回平衡位置的力也要大些，稳定性较好。 缺点：尾翼对气流的破坏性较严重，引起了尾翼后的涡流。,7.2 风的传感器,(2)菱型：是比较理想的风向标，体积和重量都较小。尾翼透空，气流从尾翼透空部分通过，形成一股强气流，使得尾翼不易摆动，并将尾部形成的涡流带走，使空气稳定。所以其灵敏性和稳定性都较好。 (3)流线型：具有菱型风向标的优点，但是制造上较难，容易变形。,7.2 风的传感器,风向传感器： 传送和指示风向标所在方位的方法很多，有机械传送、电接式传送、电位计式传送、光电转换即格雷码盘等。 最常用的是格雷码盘。,2风向传感器,7.

9、2 风的传感器,格雷码盘： 原理：格雷码盘固定在风向标的轴上，当码盘随着风向标轴转动时，就可将风向标的转动角度的度数变换成一个二进制的数字信号。,7.2 风的传感器,白色透明为：1 黑色不透明为：0,组成：由等分的同心圆组成，由内到外分别为0、20、21、22、23、24、25等份，相邻两份做成透光和不透光处理，通过位于码盘两侧同一半径上的光电耦合器件对输出相应的格雷码。 优点：是每进一位只有其中的一位数发生0和1之间的变化，因而即使发生误读也只能产生一位码的误差，对保证测量风向的精度有很大好处。,7.2 风的传感器,风杯式风速感应器： 由三个或四个圆锥形或半球形固定在架子上的风杯组成。整个架

10、子连同风杯装在一个可以自由转动的轴上，所有的风杯都顺着一面。在风压的作用下，风杯就顺着圆锥（球形）的凸面方向自由旋转。,3风速感应器,7.2 风的传感器,测风原理： 当风从左方吹来时，风杯（1）与风向平行，风对风杯（1）的压力在垂直于风杯轴方向上的分力近似为零。风杯（2）与（3）同风向成60角相交，对风杯（2）而言，其凹面迎着风，承受的风压最大;风杯（3）其凸面迎风，风的绕流作用使其所受风压比风杯（2）小，由于风杯（2）与风杯（3）在垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。,7.2 风的传感器,风杯开始转动后，由于杯（

11、2）顺着风的方向转动，受风的压力相对减小，而杯（3）迎着风以同样的速度转动，所受风压相对增大，风压差不断减小，经过一段时间后（风速不变时），作用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动。这样根据风杯的转速（每秒钟转的圈数）就可以确定风速的大小。,7.2 风的传感器,误差分析： 当风速增加时，转杯能迅速增加转速以适应气流速度。 当风速减小时，由于惯性影响，转速不能立即下降。 过高效应：旋转风速表在阵性风力指示的风速偏高，一般可产生的平均误差约为10%。,7.2 风的传感器,4风速传感器,风速传感器： 传送和指示风速的方法有机械式、电接式、电机式、磁感式和光电式即多齿光盘等。 最常用的风速传

12、感器是多齿光盘。,7.2 风的传感器,原理：多齿光盘固定在风杯轴上，盘上有等距的孔，光盘上面装有发光二极管，下面装有光敏三极管。当风杯带着光盘转动时，由于孔的不连续性，光敏三极管时而导通，时而截止，形成光脉冲信号，每一个脉冲信号代表一定的风程。这样就能得到与风杯转速成正比的频率信号。由计数器计数，经转换即可得到实际风速。,7.2 风的传感器,7.3 EL型电接风向风速计,仪器结构： 1.感应器 风速部分的组成及工作原理 风向部分的组成及工作原理 2.指示器 瞬时风速指示部分 瞬时风向指示部分 3.记录器 瞬时风速记录部分 瞬时风向记录部分,7.3 EL型电接风向风速计,结构： 风速部分由风杯、

13、交流发电机、蜗轮等组成。 风向部分由风向标、风向方位块、导电环、接触簧片等组成。,1.感应器,风速部分： 当风杯转动时，带动涡轮，并通过拨钩推凸轮一起转动。风速电接簧片的一端在凸轮表面滑动，当凸轮不断转动时，上面一个簧片先从凸轮最高点跌下来，与下面一个簧片接触，紧接着下面一个簧片也从凸轮最高点跌下来，于是上面簧片断开，完成一次电接。风速越大，风杯转的越快，单位时间内电接的次数越多。由于每吹过200m风程（风杯转过80圈），接点就接触一次，记录器风速笔尖就在自记纸风速坐标上向上或向下移动1/3格（三次移动一格）。根据笔尖10分钟内自记纸上移动的格数，就可求出当时的平均风速。,7.3 EL型电接风

14、向风速计,风向部分： 固定在底座防水罩内的方位盘，有内外两环，外环是导电环，内环分成八块，互相绝缘，称为方位块。装在风标座防水罩内的是风向电接簧片，簧片上有三个电接点，随着风标的转动，外面的一个电接点在导电环上滑动，靠里的两个电接点在方位块上滑动。这两个电接点的距离等于半个方位块的宽度。随着风向的不同，三个电接点就停在不同的位置上，里面的两个电接点可能停在一个方位块上，也可能停在相邻的两个方位块上。这样，当风标带动电接簧片在方位块上转动时，就可指示出16个方位。,7.3 EL型电接风向风速计,瞬时风速指示部分： 装有一块直流电流表，上面有020m/s和040m/s两行刻度，用以观测瞬时风速。

15、瞬时风向指示部分： 装有一个八灯盘，用来观测瞬时风向。,2.指示器,由电源、瞬时风向指示盘、瞬时风速指示盘等组成。,7.3 EL型电接风向风速计,3.记录器,由八个风向电磁铁、一个风速电磁铁、自记钟、自记笔、笔挡、充放电线路等部分组成。,7.3 EL型电接风向风速计,7.4 其他测风仪器,热线风速表 ： 原理：是利用一根被加热的金属丝置于空气中，散热速率与周围空气的流速有关，利于这种特性来测量风速。 优点：比起风杯风速计和风车风速计，其能更准确的测量风速随时间的瞬间变化。微尺度风速测量感应器常使用热线风速计。,声风速表： 是利用声波在空气中的传播速度与风速之间的函数关系测量风速的。,7.4 其

16、他测风仪器,超声风速仪,轻便风向风速表 ： 是测量风向和一分钟内平均风速的仪器，它用于野外考察或气象站仪器损坏时的备份。 仪器由风向部分（包括风向标、方位盘、制动小套）、风速部分（包括十字护架、风杯、风速表主机体）和手柄三部分组成。,7.4 其他测风仪器, 在空旷处，由观测者手持仪器，高出头部并保持垂直，风速表刻度盘与当时风向平行；然后将方位盘的制动小套向右转一角度，使方位盘按地磁子午线的方向稳定下来，注视风向标约二分钟，记录其摆动范围的中间位置。 在观测风向时，待风杯转动约半分钟后，按下风速按钮，启动仪器，又待指针自动停转后，读出风速示值（m/s）；进行订正，取一位小数。 观测完毕，将方位盘制动小套向左转一角度，固定好方位盘。,7.4 其他测风仪器,EN型系列测风数据处理仪： EN型系列测风数据处理仪与特定感应器配套可以组成EN1型和EN2型两种自动测风仪。 主要功能有：定时打印输出二分钟、十分钟平均风向风速；打印输出大风报警、航危报大风报警及解除警报的风向、风速及其出现时间，发出报警信号。,7.4 其他测风仪器,每天20时打印输出日极大