第七章风的测量.

气象仪器LOGO仪器科学与技术系气象仪器第七章风的测量2019/12/1927.1概述7.2风向的测量7.3风速的测量7.4EL型风向风速计7.5风廓线雷达7.6测风仪器的安装与检定LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述风的定义2019/12/193空气的运动可分解成垂直的和水平的两个分量。垂直分量称为空气的垂直运动（如对流运动）。风就是空气的水平运动，它是一个矢量，风的运动既有速度又有方向。因此风的观测包括风向和风速两项。。•是指在一定时段内的平均“平均值”•可认为在一个相当短的取样时段内的平均，或称为“光滑值”“瞬时值”风的测量值应包括平均值和瞬时值两部分。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述2019/12/194地面风•指离地平面10—12米高的风。WMO规定气象站应该测量离地10米处的风向风速。高空风•测量近地面直至30公里高空的风向风速。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述风的定义2019/12/195风向指风的来向指在规定时间段内出现频率最多的风向最多风向指在规定时间段内风向的平均值平均风向风速指空气质点在单位时间内所移动的水平距离最大风速指在某个时段内出现的平均风速中的最大值。瞬时风速空气微团的瞬时水平移动速度。在自动气象站中，瞬时风速是指3s的平均风速极大风速指某个时段内出现的瞬时风速的最大值。平均风速指某个时段内风速的平均值。地面气象观测中，从给定时间段内选取任意10min的平均风速最大值作为该时间的最大风速LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述风的定义2019/12/196风是所有气象要素中随时间变化最剧烈的一个要素。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间内的平均风速和最多风向。实验表明：取10min时间段内的平均值即可达到一定代表性的要求。在大多数风的阵性涨落不大的情况下，取1~2min时间端内的平均值，也可达到一定代表性的要求。气象台站观测中，一般是取2min的平均风速和最多风向，自记仪器是取10min的平均风速和最多风向。如何取得具有代表性的风资料？LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述风的定义2019/12/197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征。阵风的定义是：在规定时间间隔内（10min）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2min者。风的阵性在航空、航海、大气污染和放射性微尘的扩散等方面都有广泛的应用。阵风的观测主要有三个变量：风速和风向的标准偏差、阵风风峰值、阵风持续时间。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述单位2019/12/198风速的常用单位是m/s1m/s=3.6km/h记录风速取一位小数风向以10°作为一个单位，用电码01、02、…36来表示，以正北为基准，顺时针方向旋转。当风向仪器精度较低时，一般用16个方位表示，用英文缩写符号记录。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述单位2019/12/199LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述单位2019/12/1910LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述单位2019/12/1911零级烟柱直冲天，一级青烟随风偏；二级轻风吹脸面，三级叶动红旗展；四级枝摇飞纸片，五级带叶小树摇；六级举伞步行艰，七级迎风走不便；八级风吹树枝断，九级屋顶飞瓦片；十级拔树又倒屋，十一二级陆上很少见。风级歌LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述2019/12/1912当没有测定风向风速的仪器，或仪器出现故障时，可目测风向风力估计风力根据风对地面或海面物体的影响而引起的现象，按风力等级表估计，并记录相应风速的中数值目测风向根据炊烟、旌旗、布条展开方向及人的感觉，按八个方位估计。目测风向风力时，观测者应站在空旷处，多选几个物体认真观察，以尽量减少估计误差LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.1概述风的测量方法2019/12/1913测量风向•风向标测量风速•风杯式风速计、风车风速计、螺旋桨式风速计、热线风速表、超声波风速表同时测量风向和风速•EL型电接风向风速计等测量高空风向和风速•风廓线雷达LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向标2019/12/1914•感受风力的部件，在风力的作用下产生旋转力矩，使指向杆不断调整取向，与风向保持一致尾翼•指示风的来向指向杆•装在指向杆上，以使整个风向标对支点（旋转主轴）保持重力矩平衡平衡锤•风向标的转动中心，并通过它带动一些传感元件使风向标指示的度数传送到室内的指示仪表上转动轴风向标外形可分为尾翼、平衡锤、指向杆、转动轴四部分LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向标2019/12/1915当风的来向与风向标成某一交角时，风对风向标产生压力，这个力可以分解成平行和垂直于风向标的两个风力。由于风向标头部受风面积比较小，尾翼受风面积比较大，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风的来向时，由于翼板两边受力平衡，风向标就稳定在某一方位。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向标2019/12/1916风向标的设计要求1.在小风时能反应风向的变动，即有良好的启动性能；（一般风向标0.5m/s，较好的风向标0.3m/s）2.具有良好的动态特性，即能迅速准确地跟踪外界的风向变化LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向标2019/12/1917为了使风向标灵敏，可以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。为了使风向标稳定，则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，也可以改进风标的形状。可见这两个要求有时是互相矛盾的，需要设计成哪种形式，要根据测量任务来决定。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向标2019/12/1918双叶型（双尾型）：•尾部两翼有20度的张角，增大了垂直方向上的风压，灵敏性较好，同时由于张角的存在，风向标作惯性转动时，受到摆回平衡位置的力也要大些，因此稳定性高。缺陷：尾翼对气流的破坏严重。菱形风向标•体积、重量小—灵敏度好；尾翼透空，气流从尾翼通过，形成强气流，使尾翼不易摆动，并能将尾部的涡流带走，使得气流稳定，--稳定性好LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向标2019/12/1919流线型（翼剖面型）：•具有菱形风向标的优点，但是：制造上比较困难，容易变形（达因式风速计就是采用这种风标）单叶型（单尾型）：•灵敏性、稳定性不够理想实测中应用较少LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向标2019/12/1920LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向标的动态特性2019/12/1921对于风向标，当风向变化时，它将经过一个阻尼简谐振动产生过量指示而逐渐趋于稳定。仪器的响应取决于环境量、仪器的响应速度和加速度。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向标的测量误差2019/12/1922启动误差动态偏角惯性误差转换误差零位误差LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量2019/12/1923风向信号的传送和指示电接式导电环用电缆与电源负极相连。另一环上有八个互相绝缘的方位块。风向指示器上有一个八灯盘，分别对应东、南、西、北、东南、东北、西北、西南八个方位，用来观测瞬时风向。风向标上的八个方位块通过电缆分别与指示器内八个小灯泡相连接，中间各串接着一个起隔离作用的半导体二极管。当扳键开关扳向上方时，电源正极通过扳键开关与各个小灯泡的公共端接通。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量2019/12/1924风向信号的传送和指示电接式风向电接簧片由风标带动，滑动片上有三个电接点，一个与导电环接触，另外两个与方位块接触，有时两个接点只能接触到一个方位块，有时可同时接触到两个方位块，这样只要打开指示器的电源开关，根据风向标所在位置，有一个或相邻两个小灯泡经过感应器的方位块接通负极，从而显示出方向。当两个灯泡被点亮时，就指示出两方位的中间方位。这样，八个方位块实现了十六个方位的分辨力。当扳键开关处于中间或下方位置时，电源正极被断开，电路不通，灯泡不亮。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量2019/12/1925风向信号的传送和指示电位计式封闭的环形绕线电阻，每隔120°有一个插头，每个插头之间的电阻值相同并且是固定的。在风向发送器上有两个活动接触器，每个接触器上都有两个相同的滑动接触簧片，其中一个在内导线环或外导线环上滑动，另一个在电位计上滑动。风标带动接触器上两个接触簧片在环形电阻上滑动。当风向固定在某一方位时，接触簧片在环形电阻上的位置确定，使环形电阻上三个插头有不同的电位。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量2019/12/1926风向信号的传送和指示电位计式风向指示器主要由线圈组、磁铁、方位度盘和指针组成。线圈组有六个线圈，每两个为一组，位置各相差180°。每组线圈接成串联，然后各抽出一个头接在仪器，组成Y型连接。每组线圈的另一个抽头通过电缆与阻力圈上的三个接线头一一对应相接，形成闭合回路。当电路通路时，指示器上三个绕组便有方向和大小不同的电流通过，铁心被磁化形成磁场，磁场的方向按各绕组的电流方向，用右手螺旋法则确定。三个绕组形成的三个磁场方向合成为一个磁场方向，使得由永久磁铁做成的转子与风向变化同步，沿着合成磁场方向旋转，指示出风向。合成磁场的方向与接触簧片在环形电阻上的位置有关。这是电位计式进行方向信号转换和指示的原理。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向信号的传送和指示光电码盘式2019/12/1927格雷码盘由等分的同心圆组成，由内到外分别做0、20、21、22、23、24、25、26、27……等份，相邻两份做透光和不透光处理，（图中涂黑的表示不透明，未涂黑的处表示透明）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。当光通过码盘的透明部分时，光电耦合器件接收到的信号为“1”；当光通过码盘的不透明部分时，接收到的信号为“0”。常用7位，分辨率为2.8度LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向信号的传送和指示光电码盘式2019/12/1928LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.2风向的测量风向信号的传送和指示格雷码式2019/12/1929格雷码最大的优点是每进一位只有其中的一位数发生0与1之间的变化，因为即使发生误读也只能产生一位码的误差，这对保证测量风向的精度是大有好处的。格雷码盘固定在风向标的轴上。当码盘随着风向标转动时，通过光电转换线路，把光电信号转换为电信号，输入到指示、记录系统，实现格雷码与风向标角度的转换。LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3风速的测量旋转式风速计旋转式风速计的感应部分是一个固定在转轴上的感应风的组件。常见的有风杯式风速计、螺旋桨式风速计。2019/12/1930LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3风速的测量风杯式风速计目前普遍采用的测定风速的仪器是风杯式风速计，它的感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形的空杯组成。空心杯壳固定在互成120°的三叉星形支架上或互成90°的十字形支架上，杯的凹面顺着一个方向排列，整个横臂架则固定在一根垂直的旋转轴上。2019/12/1931LOGO仪器科学与技术系气象仪器7.3风速的测量风杯式风速计2019/12/1932当风从左方吹来时，风杯1与风向平行，风对风杯1的压力在最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度角相交，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。风杯开始转动后，由于杯2顺着风的方向转动，受风的压力相