第5章地面风的测量

104第5章地面风的测量5.1概述5.1.1定义风速是由许多在时、空上随机变化的小尺度脉动叠加在大尺度规则气流上的一种三维矢量。在有关诸如空中污染传播和飞机着陆之类的问题中，需要将风速作为三维矢量考虑。然而，就本指南的目的而言，地面风将主要作为二维矢量来考虑，即规定风向和风速两个数来表示。以快速脉动为特征的风则称之为阵风。大多数使用风的数据的用户需要平均的水平风，通常是在极坐标上表示出风速和风向。越来越多的应用还需要风的变动性（即风的阵性）的资料。为此目的，需要用到三个量，即阵风的峰值、风速和风向的标准偏差。以下的定义是在本章中要用到的（详细资料可参见Mozzarella,1972）：平均值（Averagedquantities）：是在10分钟——30分钟时间段的平均的量（即水平风速）。本章只涉及10分钟时间段的平均量（航空应用可能需要更短时间的平均量，可参见本书第二编第2章）。标准偏差（Standarddeviation），即212)(ss：式中的s是与时间有关的信号（即水平风速），而上面带横线的（即s）是其时间平均值。标准偏差是用来表征某一特定信号的脉动大小。阵风峰值（Peakgust）：在规定的时间间隔内观测到的最大风速。在每小时的天气报告中，阵风峰值就作为前一整小时的风的极值。阵风持续时间（Gustduration）：是对所观测的阵风峰值的持续时间的一种量度，这个持续时间决定于测量系统的响应。慢响应系统抹去极值而测到了长而平滑的阵风；快响应系统观测到许多尖锐的峰，这就是阵风，只有短短的持续时间。为了定义阵风持续时间，采用了一种理想的名为单滤波器的测量链，用它对输入的风信号取—在0t秒时间的运行平均值。在此滤波器之后观测到的极值就定义为具有持续时间0t的阵风峰值。其它的具有不同的滤波作用单元的测量系统，只要它是具有在积分时间0t的运行平均值滤波器并能产生具有相同高度的极值，就可以认同它能测量具有持续时间0t的阵风（进一步的讨论可参阅Beljaars,1987;WMO,1987）。时间常数（Timeconstant）（一阶系统的）：是一个装置用于检测并指示一个阶跃函数变化的63%左右所需要的时间。响应长度（Responselength）：近似地是风速传感器的输出以指示输入速度的一个阶跃函数变化的63%左右所需要的风程（以m表示）。临界阻尼（Criticaldamping）（例如风向标这样的传感器，其响应最好用一个二阶微分方程来描述）：是对阶跃变化给出最快的瞬变响应而又没有过振时的阻尼值。阻尼比（Dampingratio）：是实际阻尼与临界阻尼之比。无阻尼自然波长（Undampednaturalwavelength）：风向标无阻尼地经过一种振荡的一个周期所需105要的风程。5.1.2单位与标尺风速报告应当以0.51sm为单位，或者以最靠近的整数knots（即海里/小时，符号为kn）为单位，对天气报告而言，风速还应表示为10分钟的平均值。对于航空目的，可能需要更短时间的平均值（参见第二编第2章）。风向应以度为单位，并以最靠近的整十度用01……36为电码作报告（例如，电码2就表示风向为15°与25°之间），表示为10分钟的平均值（参见第二编第2章用于航空目的）。风向定义为风的来向，以地理正北为起点按顺时针进行度量。当风速平均值小于1kn时应报告为“静风（Calm）”。此时的风向电码为00。在北极点1°以内或在南极点1°以内的站上的风向应按照电码手册（WMO，1995）的电码表（CodeTable）0878作报告（其方位环必须对准，使其零位与格林威治的0°子午线重合）。5.1.3气象要求有许多方面需要风的观测，如天气监测与预报、风载荷气候学、风灾概率与风能、地面气流通量的部份估计（即农业的蒸发与空气污染扩散的应用）等。对风的观测的技术要求已在第一编第1章给出。水平风速小于51sm时的准确度为0.51sm，大于51sm时的准确度为10%。风向的准确度要求为5°。除了平均风速和风向之外，还有许多应用方面需要标准偏差值和极值（参见5.8.2节）。对于现代仪器装备来说，所要求的准确度是易于达到的。风的观测的最大难题是风速表的安置。因为要找到一个对大范围地域的风速具有代表性的安置场地是几乎不可能的。因此，只好推荐对安置误差进行估计的做法（参见5.9节）。许多应用方面需要风的阵性的资料。这些应用方面是：飞机的起飞与降落、风载荷气候学、空气污染扩散问题、以及安置误差的修正等。在常规观测中增加以下两项变量的观测是合适的，这就是风速和风向的标准偏差值和三秒的阵风峰值（参见CIMO-Ⅹ的建议3和建议4）（WMO，1990）。5.1.4测量方法与观测通常，地面风用风标和风杯（或螺旋桨）测风表来测量。当仪器装备临时发生故障不能使用或者没有配备仪器时，风向观测和风力观测可以由观测者主观估计（下面提供的风速当量表就常用于估计）。这里要专门讨论到的仪器和技术，仅是较为合用品种之中的少数几种，没有列成一份全面的清单，本章末尾的参考文献目录对这方面问题提供了许多好的文献。下面将简要介绍的传感器是转杯式风速表和螺旋桨式风速表以及风向标。转杯和风向标、螺旋桨和风向标、以及单独螺旋桨都是常见的组合。还有其它的传感器，虽已在小范围的日常观测中应用，而且效果尚令人满意，但总是属于研发或流行用作科研工具，不过，在具有先进技术的条件下，有可能变成日常观测的实用仪器。以皮托管（Pitottube）风速表和声学风速表为例。皮托管风速表用测压管来测量风压并利用风向标对准风的来向，这是一种相对简单的仪器，但它具有风压与风速之间的非线性关系的缺点，就很不利于求取平均值。声学风速表测量超声脉冲从发射到接收经过一段固定的距离所需的时间，虽然其原106理性工作非常的好，但它在雨天条件下传感器上有水时就会改变其声波路径长度而变得不可靠。风速当量表蒲福风级及描述在开阔、平坦地面上方10m标准高度处的风速当量在陆上估计风速的征象（kn）（1sm）（1hkm）（1hmi）0静风10—0.211静，烟直上1软风1—30.3—1.51—51—3飘烟能表示风向，但风向标尚不能指示风向。2轻风4—61.6—3.36—114—7人面感觉有风，树叶有微响，普通的风向标能随风移动。3微风7—103.4—5.412—198—12树叶与嫩枝摇动不息，旌旗展开。4和风11—165.5—7.920—2813—18灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。5清劲风17—218.0—10.729—3819—24有叶的小树开始摇摆，内陆水面形成波浪。6强风22—2710.8—13.839—4925—31大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难。7疾风28—3313.9—17.150—6132—38全树摇动，迎风步行感到不便。8大风34—4017.2—20.762—7439—46树枝折断，行进受阻。9烈风41—4720.8—24.475—8847—54发生轻微的建筑破坏（烟囱管和房顶盖瓦吹落）10狂风48—5524.5—28.489—10255—63内陆少见，见时树木连根拔起，大量建筑物遭破坏。11暴风56—6328.5—32.6103—11764—72极少遇到，伴随着广泛的破坏。12飓风≥64≥32.7≥118≥73对于几乎所有的应用来说，都需要测量风速和风向的平均值。还有许多应用需要风的阵性的数据。因此，一套风的测量系统不仅包含传感器，而且还要包含数据处理和记录系统。数据处理系统要负责计算平均值和计算标准偏差与极值。数据处理的最简单的模式是用笔记录器写下风的各种信号，然后用读取此记录的方法来估计出平均值和极值。5.2风的估计当缺少测量风的装备时，风的观测就必须靠估计来做。用估计方法作观测的误差可能是大的，但是，只要按规定小心地进行估计，可以证明估计方法如同所提供的数据一样是合适的，否则就没有可用的数据了。5.2.1风速风速的估计可以根据风对可活动的物体的影响来作出。几乎是任何物体都可以采用（这些物体有支承，所以在风的作用下能自由活动），不过，在蒲福风力级数表（即上面列出的《风速当量表》）所提供的描述性征象是特别有用的。为了做出估计，观测者必须站在开阔平坦的地域上并尽可能远离障碍物。必须牢记：即使是小的障碍物，也能导致风速的重大变化和风向的偏差，尤其是在障碍物的背风侧。5.2.2风向在没有仪器时，或者在仪器装备不能使用时，风向就必须通过观测高烟囱的飘烟和树叶的摇动等来估计，而在开阔的地域，就要观测固定在高高旗杆上的飘带或三角小旗。此外，机场上的风向袋也可以用，只要当时的风速能够吹动这样的装置。不论采用上述辅助手段中任何一种，都很容易产生由于透视方法而产生误差，除非观测者就正好107站在所观测的目标物的正下方。还必须注意不要把由于建筑物影响而产生的局地涡流误认为是风的正常偏移。在开阔的环境中，用面对着风的方法可以相当精确地估计出地面风向。但是，云（无论多低）的移动方向是不宜考虑的。5.2.3风的脉动在没有专用仪器和记录装置时，不要试图估计阵风峰值或标准偏差值。5.3简单的仪器方法在不能安装正规的风速仪器的站上，可以安装价廉的简单的仪器，这样能有助于观测者进行观测，而且比无辅助装置的估计得出的结果更为可靠。5.3.1风速如果使用简单的手持风速表，就应当按照制造者的说明书安装仪器和使用仪器。要在很好地露置于风中的地点进行观测，而不要在障碍物诸如建筑物、树木、小丘等的背风面处作风的观测。如果不可能达到这样的要求，那么观测地点与障碍物的距离就应当至少是障碍物的高度的十倍。5.3.2风向风向可以用风标（风信鸡）估计，风标装在直立的柱子上，柱子上还装有指示着罗盘主要方位的指针。对风标的观测是从它的下面进行的，同时就可以用罗盘的16个方位估计出与其中一个方位最接近的风向。如果风标在风中摇摆，那么风的方向就必须估计为平均方向（摇摆就在此平均方向的附近发生）。5.4风杯传感器与螺旋桨传感器风杯风速表和螺旋桨风速表是最常用于测定风速的，它们都是由两种部件构成，即旋转器和信号发生器。在设计优良的系统里，风杯或螺旋桨的旋转器的角速度是正比于风速的，更确切地说，对于螺旋桨的旋转器来说，应当是正比于与旋转器转轴平行的风速分量。在接近起动风速阈值处，会产生偏离线性相当大的偏差（参见Moses，1968设计思考部份）。再者，在这样的设计优良的风速表中，其响应线性度与空气密度无依存关系，有很好的零位稳定性和量程的稳定性，并且在制造过程中易于复现。风杯式和螺旋桨式风速传感器对风速变化的响应特性可以用响应长度来表征，响应长度的大小直接与旋转器的转动惯量成正比，并取决于若干个几何因子（BuschandKristensen，1976；Coppin，1982）。对于大多数风杯传感器和螺旋桨传感器，加速时的响应比减速时的响应快，因此，这些旋转器的平均速度会过高的估计实际的平均风速。再者，垂直速度的波动会使风杯风速表增速，如同在斜向气流中风杯的阻档作用会减少一样（MacCready，1966）。对某些设计型风速表和在某些风的条件下（在不平整的地域在10m高度安装的响应长度为5m的风杯风速表），这种增速可能高达10%（Coppin，1982）。如果选用快速响应的风速表，这种影响就可消除。顺便指出，螺旋桨风速表比风杯风速表更为有利，因为螺旋桨风速表实质上没有垂直分量的超速问题。因为风杯式旋转器和螺旋桨旋转器都是以角速度转动的，而角速度与风速（或风速的轴向分量）成正比关系，故特别便于用旋转器带动各种各样的信号发生器。如交流电的和直流电的发电机、光学108的和电磁的脉冲发生器、转数计数表和记录器等，都已有效地使用。信号发生器或转换器的选择主要取决于所用数据处理器的类型和数据读出器的类型，必须注意确保轴承和信号发生器应是低起动的和低运行摩擦力的，并保证信号发生器的惯性力矩不会不合理地降低风速表的响应。对于风速传感器，可以达到的且又令人满意的特征是：量程：0.5—751sm（1—150kn）线性：±0.51sm（±1kn）响应长度：2—5m5.