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1、第九章高空风的丈量向卫国向卫国9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n大气中各种物理过程和天气的变化都是在三维大气中各种物理过程和天气的变化都是在三维空间中进展的，不同层次大气的性质和过程各空间中进展的，不同层次大气的性质和过程各不一样，地面以上各高度上的气流情况就有很不一样，地面以上各高度上的气流情况就有很大的差别，因此必需进展高空观测以获得空中大的差别，因此必需进展高空观测以获得空中各高度上的气候要素值。各高度上的气候要素值。n大气在空间的运动根本上是程度的，气流在垂大气在空间的运动根本上是程度的，气流在垂直方向的分量与程度方向的分量相比，普通是直方向的分量与程度方向的分量相比，普通是很
2、小的。很小的。9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n丈量近地面直至丈量近地面直至30公里高空的风向风速。公里高空的风向风速。n通常将飞升气球作为随气流挪动的质点，通常将飞升气球作为随气流挪动的质点，用地面设备经纬仪或雷达跟踪气球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、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值，可求出气球所经过高度上的平均风向风速。向风速。9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n垂直气流对于很多大气过程垂直气流对于很多大气过程(例如云的构例如云的构成和开
3、展、天气系统的开展成和开展、天气系统的开展)是极为重要是极为重要的要素，但是垂直气流的丈量方法比较的要素，但是垂直气流的丈量方法比较复杂，目前还不够成熟。复杂，目前还不够成熟。9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n高空风丈量单位：高空风丈量单位：n风速为风速为ms；n风向为方位度，以正为风向为方位度，以正为0度，全方位为度，全方位为360度，顺时针旋转。度，顺时针旋转。n假设是指某一等压面高度上的风，高度假设是指某一等压面高度上的风，高度单位取位势米。单位取位势米。9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n高空风的丈量方法由于升空观测条件的高空风的丈量方法由于升空观测条件的限制，具有与地面
4、测风方法不同的特点。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的观测方法n高空风丈量法可分为两大类：高空风丈量法可分为两大类：n根据气流对测风仪器的动力作用根据气流对测风仪器的动力作用(压力的压力的方向和大小方向和大小)来测定各高度上的风向、风来测定各高度上的风向、风速。速。n这类方法广泛用于测定地面风这类方法广泛用于测定地面风n测高空风时，就需求运用升空安装测高空风时，就需求运用升空安装(系留系留气球、飞机等气球、飞机等)将测风仪将测风仪(风杯、风标、风杯、风标、风压管等风压管等)带到各个高度上，但在观测高带到各个高度上，但在观测高度、观测时间上遭到限制。度、观测时间
5、上遭到限制。9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法2)根据随气流飘动的物体在空中运动的轨迹，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，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。在高空观测中广泛采用。3)用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小，没用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小，没有相对于空气的程度运动的对象才干作为气有相对于空气的程度运动的对象才干作为气流程度方向运动轨迹的示踪物。流程度方向运动轨迹的示踪物。4)示踪物在程度方向运动的方向和速度就是风示踪物在程度方向运动的方向和速度就是风向、风速。向、风速。5)需求指出的是，这样求出的风向
6、、风速是某需求指出的是，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一时段或某一气层厚度内气流方向和速度的平均值。平均值。9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n高空风丈量中运用的示踪物普通是灌满高空风丈量中运用的示踪物普通是灌满氢气的气球，即测风气球。氢气的气球，即测风气球。n此外，天空中云团、人工施放的烟团和此外，天空中云团、人工施放的烟团和铝箔也可作为示踪物。铝箔也可作为示踪物。9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n我我们可以使气球以三种方式在空中可以使气球以三种方式在空中飘浮：浮：n气球只气球只飘浮在某一高度浮在某一高度(等密度面等密度面)上，上，普通称普通称为
7、平移气球平移气球n气球以一定的垂直速度上升气球以一定的垂直速度上升n气球以一定的速度降落气球以一定的速度降落9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n为了测定地面以上至空中三十多公里各为了测定地面以上至空中三十多公里各高度上的风，普通都运用定速上升的气高度上的风，普通都运用定速上升的气球。球。n测定出气球在上升过程中的运动轨迹即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 高空风的观测方法高空风的观测方法n按定按定为方法，气球方法，气球轨迹法迹法测风可以分可以分为三三类：n单点点测风。n基基线测风，或称，或称为双点双点(经纬仪)测
8、风 、n导航航测风。n这三三类方法所运用的方法所运用的仪器器设备及及测定的定的参量参量见表表9.1，P2309.2 气候气球气候气球9.2.1 概述概述n气球是目前高空观测中运用的主要工具。气球是目前高空观测中运用的主要工具。n按照运用目的，可分为三类：按照运用目的，可分为三类：n探空气球探空气球n作为各种大气探测仪器升空运载工具作为各种大气探测仪器升空运载工具n分无线电探空气球、平移气球、系留气分无线电探空气球、平移气球、系留气球等球等n测风气球测风气球n作为气球运动轨迹的示踪物作为气球运动轨迹的示踪物n测云气球测云气球n测定云层高度的云幕气球测定云层高度的云幕气球测风气球测风气球9.2.2
9、 气球的普通性质气球的普通性质n膨胀型膨胀型n球皮由伸缩性较大的橡皮制成球皮由伸缩性较大的橡皮制成n充气后，球内外压力差很小，可随大气充气后，球内外压力差很小，可随大气压的降低而自在膨胀，直到破裂为止压的降低而自在膨胀，直到破裂为止n普通用于大气的垂直探测，如探空仪普通用于大气的垂直探测，如探空仪n非膨胀型非膨胀型n球皮由聚乙烯塑料薄膜、聚酯薄膜制成球皮由聚乙烯塑料薄膜、聚酯薄膜制成n普通在超压形状下任务，球皮几乎无伸普通在超压形状下任务，球皮几乎无伸缩性缩性n用于程度探测，制造定高气球、系留气用于程度探测，制造定高气球、系留气球等球等9.2.3 气球的上升速度气球的上升速度n对于上升类气球，
10、控制其上升速度极为对于上升类气球，控制其上升速度极为重要。重要。n单经纬仪测风单经纬仪测风n要根据气球升速计算球高，才干确定气要根据气球升速计算球高，才干确定气球的空间位置；球的空间位置；n云幕球云幕球n要由升速及入云时间计算云低高度。要由升速及入云时间计算云低高度。9.2.3 气球的上升速度气球的上升速度n使气球具有规定升速的方法：使气球具有规定升速的方法：n按当时的空气密度充灌氢气，使气球具按当时的空气密度充灌氢气，使气球具有相应的净举力。有相应的净举力。n向气球内充灌氢气时，可以用浮力天平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。或平衡器控制其净举力。9.2.3 气球的上升
11、速度气球的上升速度n气球实践升速与计算值的偏向：气球实践升速与计算值的偏向：n2Km以下，接近地面时偏向最大；以下，接近地面时偏向最大；n212Km高度范围内偏向不大。高度范围内偏向不大。n建议将气球在施放头建议将气球在施放头5分钟内的计算升速值加分钟内的计算升速值加以订正：以订正：n施放后的第施放后的第1分钟将升速添加分钟将升速添加20%n施放后的第施放后的第2、3分钟将升速添加分钟将升速添加10%n施放后的第施放后的第4、5分钟将升速添加分钟将升速添加5%9.2.4 平移气球平移气球n就是设法使气球在某一选定的高度上到就是设法使气球在某一选定的高度上到达净举力为零，或者在相当厚的某一层达净
12、举力为零，或者在相当厚的某一层中气球净举力为零，那么气球可在某高中气球净举力为零，那么气球可在某高度或某气层上随气流程度挪动，运用追度或某气层上随气流程度挪动，运用追踪定位设备测定气球在各个时辰的位置，踪定位设备测定气球在各个时辰的位置，就可计算出在选定高度上，气球位于不就可计算出在选定高度上，气球位于不同同xy坐标点上的位移，即风向和风速。坐标点上的位移，即风向和风速。9.2.4 平移气球平移气球n平移气球主要有两种：平移气球主要有两种：n随遇平衡平移气球随遇平衡平移气球n球皮根本上没有张力，它能随气球上下颠簸，球皮根本上没有张力，它能随气球上下颠簸，一直坚持净举力为零。一直坚持净举力为零。
13、n等容超压平移气球等容超压平移气球n球皮由某种膨胀伸缩积弱的薄膜制成，当气球皮由某种膨胀伸缩积弱的薄膜制成，当气球到达固定高度后，由于球内压力不断加大，球到达固定高度后，由于球内压力不断加大，与周围大气压力维持在一个较高的压差。当与周围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，使气球的净举力到达零，因此使气度增高，使气球的净举力到达零，因此使气球维持在一个等密度面上平移。球维持在一个等密度面上平移。9.2.5 其他用途气球其他用途气球1.系留气球系留气球2.用缆绳拴在地面绞车上，能控制浮升高度的用缆绳拴在地面绞车上，能控制浮升高
14、度的气球。气球。3.通常用聚脂薄膜做成流线形，缆绳长度及与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，它可以地面交角可以估算气球距地面高度，它可以携带丈量仪器在指定高度作数小时延续丈量，携带丈量仪器在指定高度作数小时延续丈量，用完后收回作多次运用。用完后收回作多次运用。4.特别适用于大气污染监测和研讨大气边境层特别适用于大气污染监测和研讨大气边境层等。等。系系留留气气球球9.2.5 其他用途气球其他用途气球2.洛宾洛宾ROBIN气球气球3.下投式垂直探空气球，非膨胀型。下投式垂直探空气球，非膨胀型。4.棘面气球棘面气球Jimsphere5.用于雷达测风的气球，直径用于
15、雷达测风的气球，直径2米。米。9.3 球定气球位置的仪器设备球定气球位置的仪器设备n光学光学测风经纬仪、雷达、二次雷达、无、雷达、二次雷达、无线电经纬仪，以及，以及GPS卫星星导航定位技航定位技术。n小球小球测风光学光学测风经纬仪，角坐，角坐标丈量精度高，受天气条件限制丈量精度高，受天气条件限制n无无线电探空探空仪二次雷达，二次雷达，测角精度角精度低于光学低于光学测风经纬仪。9.3.1 光学测风经纬仪光学测风经纬仪n主要观测气球仰角和方位角。主要观测气球仰角和方位角。n五八型、六三型、五八型、六三型、CFJ-1型、型、CFJ-2型型n运用：运用：n施放气球后，借助于经纬仪上的光学望施放气球后，
16、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的位置，从刻度盘上直接读出仰角和方位角的度数精度普通为位角的度数精度普通为0.05度度9.3.2 测风雷达测风雷达n让气球携带可以反射雷达波的反射靶在让气球携带可以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辰天空飞翔，就可以定出气球在每个时辰的位置，从而测定高空风。的位置，从而测定高空风。n701雷达是我国测风公用雷达。雷达是我国测风公用雷达。9.3.2 测风雷达测风雷达n把气球上的反射靶换成回答器，就能加把气球上的反射靶换成回答器，就能加强回波的强度，这种雷达
17、叫二次雷达。强回波的强度，这种雷达叫二次雷达。n气球上的回答器收到地面雷达发来的讯气球上的回答器收到地面雷达发来的讯问脉冲后，立刻发射一个脉冲替代反射问脉冲后，立刻发射一个脉冲替代反射波，称为回答脉冲，回答脉冲被地面接波，称为回答脉冲，回答脉冲被地面接纳机接纳，实现测距的目的。纳机接纳，实现测距的目的。9.3.3 无线电经纬仪无线电经纬仪n与测风雷达相比，具有低能耗，设备分与测风雷达相比，具有低能耗，设备分量轻的优点。量轻的优点。n共有两组天线共有两组天线n一组监测探空仪信号的仰角一组监测探空仪信号的仰角n另一组监测探空仪信号的方位角。另一组监测探空仪信号的方位角。9.4 高空风的丈量高空风的
18、丈量n气球轨迹法气球轨迹法n因追踪设备不同，分为：因追踪设备不同，分为：n单经纬仪测风单经纬仪测风n双经纬仪测风双经纬仪测风n二次雷达测风二次雷达测风nGPS导航测风导航测风9.4 高空风的丈量高空风的丈量n单经纬仪测风只能测出气球的仰角和方位角，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。气球高度由升速和施放时间推算。n气球升速是根据当时空气密度、球皮等附加物气球升速是根据当时空气密度、球皮等附加物分量计算出气球净带力，按照净举力灌充氢气分量计算出气球净带力，按照净举力灌充氢气来确定。来确定。n但由于大气湍流和空气密度随高度变化，以及但由于大气湍流和空气密度随高度变
19、化，以及氢气走漏等要素的影响，气球升速不均匀导致氢气走漏等要素的影响，气球升速不均匀导致高度误差大，测风精度低。高度误差大，测风精度低。n在配合探空仪观测时，气候站用探空仪测得的在配合探空仪观测时，气候站用探空仪测得的温度，气压、湿度资料计算出气球高度。温度，气压、湿度资料计算出气球高度。9.4 高空风的丈量高空风的丈量n双经纬仪测风是在知基线长度的两端，双经纬仪测风是在知基线长度的两端，架设两架经纬仪同步观测，分别读出气架设两架经纬仪同步观测，分别读出气球的仰角、方位角，利用三角法或矢量球的仰角、方位角，利用三角法或矢量法计算气球高度和风向风速。法计算气球高度和风向风速。n经纬仪测风只适用于
20、能见度好的少云天经纬仪测风只适用于能见度好的少云天气，夜间必需配挂可见光源，阴雨天气气，夜间必需配挂可见光源，阴雨天气只能在可见气球高度内测风。只能在可见气球高度内测风。9.4 高空风的丈量高空风的丈量n无线电经纬仪测风无线电经纬仪测风n利用无线电定向原理，跟踪气球携带的利用无线电定向原理，跟踪气球携带的探空仪发射机信号，测得角座标数据，探空仪发射机信号，测得角座标数据，气球高度那么由探空资料计算得出。气球高度那么由探空资料计算得出。n因此无线电经纬仪适用于全天候，但当因此无线电经纬仪适用于全天候，但当气球低于其最低任务仰角时，测风精度气球低于其最低任务仰角时，测风精度将迅速降低。将迅速降低。
21、9.4 高空风的丈量高空风的丈量n雷达测风雷达测风n是利用雷达测定飞升的气球位置。是利用雷达测定飞升的气球位置。n它不仅测定气球的角座标，而且能测定它不仅测定气球的角座标，而且能测定气球与雷达的间隔，即斜距。气球与雷达的间隔，即斜距。n由仰角、方位角、斜距计算高空风。由仰角、方位角、斜距计算高空风。9.4 高空风的丈量高空风的丈量n雷达测风法又可分为一次雷达测风法和雷达测风法又可分为一次雷达测风法和二次雷达测风法。二次雷达测风法。n前者是利用气球上悬挂的金属反射体反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，测定气球角座射雷达发射的脉冲信号，测定气球角座标和斜距；标和斜距；n后者利
22、用气球悬挂的发射回答器，当发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鼓励后产生射回答器受雷达发射的脉冲鼓励后产生回答信号，由回答信号测定气球角座标回答信号，由回答信号测定气球角座标和斜距。和斜距。9.4 高空风的丈量高空风的丈量n显然，在一样的发射功率下，二次雷达显然，在一样的发射功率下，二次雷达比一次雷达探测间隔更远，可测更高的比一次雷达探测间隔更远，可测更高的高空风。高空风。n但随着技术的开展，发射功率已不是大但随着技术的开展，发射功率已不是大的技术妨碍时，着眼于提高测风精度和的技术妨碍时，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经济效应等方面，一次雷达测风
23、也有其独特优势。独特优势。探空仪即将拖放探空仪即将拖放 701雷达待命任务雷达待命任务9.5 风廓线雷达风廓线雷达n是一种遥感高空风向、风速分布的仪器。是一种遥感高空风向、风速分布的仪器。n当向大气层发射一束无线电波时，由于温度和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种回波信号与大气的云雨质点回波散射有所不同，称之为
24、晴空散射。同，称之为晴空散射。n由于散射气团随风飘移，沿雷达波束径向的风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。算出某一层大气沿雷达波束径向的风速分量值。9.5 风廓线雷达风廓线雷达n对风廓线雷达的主要评价结论：对风廓线雷达的主要评价结论：n风廓线雷达网的资料到达了要求的精度风廓线雷达网的资料到达了要求的精度和可靠性，它的时间和空间的分辨才干和可靠性，它的时间和空间的分辨才干超越任何一种高空风丈
25、量系统；超越任何一种高空风丈量系统；n风廓线雷达网的资料将会大大改善对危风廓线雷达网的资料将会大大改善对危险天气的预告；险天气的预告；n观测到一些新的中层大气的天气动力景观测到一些新的中层大气的天气动力景象，例如浅槽对雷暴雨的触发；象，例如浅槽对雷暴雨的触发；9.5 风廓线雷达风廓线雷达4)一些特殊景象的观测将有助于其他行业的一些特殊景象的观测将有助于其他行业的需求，例如风切变的观测对于飞行导航；需求，例如风切变的观测对于飞行导航；5)6min时段的风廓线资料能显示出锋面、短时段的风廓线资料能显示出锋面、短波动摇、气旋和重力波等天气系统和详实波动摇、气旋和重力波等天气系统和详实的演化过程；的演化过程；6)将风廓线资料实施同化后，明显地改善了将风廓线资料实施同化后，明显地改善了36h临近数值预告的结果；临近数值预告的结果；7)整个系统运转可靠，可以由非专业人员进整个系统运转可靠，可以由非专业人员进展操作。展操作。
