2010z12XD第十二章高空温湿压风的探测

课程教学参考书电子版（第四版）专业基础课第十一章高空温湿压风的探测主要内容•12.1高空温湿压的综合探测•12.2高空风的探测•12.3气象应用•12.4复习思考题12.1高空探空仪——概述飞机探测卫星遥感探测12.1高空探空仪——概述目前气象常规观测中，大量使用的是无线电探空，即采用无线电遥测技术，由充有氢气的探空气球携带无线电探空仪上升，进行温、湿、压的测量。高空探空仪系留探空12.1高空探空仪——概述无线电探空仪是一种遥测仪器，它可以将感应的气象要素值转换为无线电信号，不断地向地面发送，地面上的接收设备同时接收和处理探空信号，即可迅速获得探测结果。12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪探空仪的测量范围温度：+40—-75℃相对湿度：100%—15%气压：1050—10hPa为使所测气象要素值超过测量范围仍能查算数据，因此，仪器的气温外延到-85℃，相对湿度外延到5%，气压校准曲线外延到5hPa，外延部分的误差不作规定。探空仪12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪温度感应器由双金属片、指针和支架等组成，将厚度约0.2mm的薄双金属片，卷曲成螺旋形，固装在支架上，并与支架绝热，在螺旋形双金属片中心，焊有一根截面呈三角形、空心、质量很轻的指针。湿度感应器由鼓膜状肠膜、中心连杆、扭力弹簧和湿度指针所组成。气压感应元件是两个波纹形金属扁空盒。空盒的一端焊有尾杆，通过它将空盒紧固在框架上；另一端焊有顶针座，顶针尖端插在顶针座内，顶针的上端固定在双金属片自由端支架上，指针架两端用轴承固定在框架上。12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪主要由电码筒、及驱动电码筒转动的微型电机和减速齿轮所组成。探空仪工作时，电码筒以每分钟5-9转的速度转动。它的主要作用是将气象要素的变化转换成电码讯号，通过发射机发向地面接收站。12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪电码筒由电码片、电码筒支架，参与讯号片和尼龙齿轮绝缘接头等组成。电码片是用具有槽纹、长70cm的金属薄片卷曲而成。槽纹上印有莫尔斯电码图案，在电码片上，白色部分是导电的，棕色部分是绝缘的。当感应器的指针与电码片的白色部分接触时，电路接通，发出电码讯号；指针与棕色部分接触时，电路不通，不发讯号。在电码筒轴一端有扇形的参考讯号片。电码筒每转一周，参考讯号片与机架上的导电簧片相接，发出一长声“－”的参考讯号，此时电码片不与任何指针相接。参考讯号用来区别各气象要素电码顺序。发出参考讯号后，紧接着发温度讯号，然后是气压讯号和湿度讯号。12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪电码片上有两排导电花纹。上面一排代表电码的十位，共35个码；下面一排代表电码的个位数，共350个电码。每一个十位数电码对应有十个个位数电码，即每一个十位数占有十个槽纹的宽度，每一个个位数只占一个槽纹宽度。探空仪工作时，感应器的指针首先与十位数电码部分接触，然后与个位数电码部分接触。因此，气象要素电码都是由两个电码组成。由于电码筒是连续运转的，因此发讯工作不间断地进行，电码讯号拍发次序为：参考讯号温度讯号气压讯号湿度讯号……，依次循环往复。12.1高空探空仪——GZZ2-1型电码式探空仪发射装置的作用是将探空仪各感应器所测到的温、湿、压讯号，以无线电波的形式传递到地面。发射机是一个电感三点式振荡器，产生24.5MHz（配用701雷达接收时为400MHz）的高频电磁波，由单端半波天线发射出去。12.1高空探空仪——GTS1型数字高空探空仪探空仪的测量范围•温度：+40---80℃△t≤±0.2℃•相对湿度：95%-15%环境温度-25℃，△U≤±5%环境温度-25℃，△U≤±10%•气压：1050-10hPa气压500hPa，△P≤±2hPa气压500hPa，△P≤±1hPa12.1高空探空仪——GTS1型数字高空探空仪探空仪的测量原理A热敏电阻热敏电阻湿敏电阻压力传感器R/V电池R/VR/VV/V多路开关模数转换微处理器发射机参考电压B12.1高空探空仪——GTS1型数字高空探空仪探空仪的基本结构GTS1型数字探空仪由传感器、智能转换器、发射机三部分构成。温度传感器采用棒状热敏电阻，在测量范围内-90℃-55℃，阻值限定在9KΩ-700KΩ,阻体长10mm，直径1mm左右，表面有高反射率涂层，短波反射率优于93%，长波吸收率超过90%。湿度传感器采用高分子湿敏电阻气压传感器采用硅阻固态压力传感器1.气球测风的基本原理2.单经纬仪定点测风3.双经纬仪基线测风4.雷达测风12.2高空风的探测空中各个高度上的风向风速的测定，有助于了解高空大气环流状况，对天气分析预报、航空飞行以及环境污染研究等方面都具有十分重要的意义。实际上各种大气系统都有不同大小的水平和垂直范围。许多主要的天气现象都发生在大气底层，这个底层就包括了从地面到三十公里高度的范围。获得这个范围内不同高度上大气运动及其变化的数据的方法，通称为“高空测风”或“高空风的观测”。观测意义？气球就会垂直上升而无水平方向的位移气球就会做合成运动，产生水平方向的位移，由于气球的质量很小，随气流移动的惯性很小，可以近似地看作是空气的质点，因此它的水平位移具有气流的方向和速率。back㈠作用在气球上的力测风气球充入氢气后，它在空中受到两个作用力,一个是向上的浮力,一个是向下的重力.根据阿基米德定理,气球受到的浮力大小应等于气球所排开的同体积空气的重量,即:式中F为浮力,ρ为单位体积内空气的重量,V为气球的体积.F=ρV气球测风的基本原理由于氢气本身有重量，它要产生一个向下的力，用Vγ表示（γ为氢气的重力密度）。另外气球的球皮和附加物也有重量，也要产生一个向下的力，我们设为B。我们把与气球同体积的空气重量与氢气重量之差，称为总举力。用E表示，即：E=V（ρ-γ)我们把总举力与气球的球皮和附加物产生的重力之差称为净举力。用A表示总举力不能够完全决定气球能否上升，只有净举力才能完全决定﹗﹗A=E-B=V（ρ-γ)-B下面我们就来看一看任意高度上的A与A0的关系。净举力A一般是不随气球上升而改变的。A0=V0（ρ0-γ0)-B三个假定！根据通常灌球的经验，由于球皮张力而造成的球内外的压力差仅仅只有几个mmHg,而且这个值在爆破之前基本保持常量，即在气球上升时可以认为球内部的气体压力接近于周围的空气压力。还有由于球内气体质量很小，球内温度与外界温度很快地趋于一致，即认为气球在上升时，气球内外的温度是相等的。另外，经验表明氢气的扩散逸出不足以购成对浮力的显著影响，因此，球内氢气的质量在放球观测的时段也可以认为基本不变。根据气体的状态方程，气体密度（或单位体积内质量）的变化决定于气体的压力和温度。而据上所述，球内外压力和温度呈同步的变化。气球在上升过程中球内氢气密度的变化正比例于外界空气密度的变化，而反比例于气球的体积的变化即Vρ=V0ρ0=常量，Vr=V0r0=常量VV000我们再回到上面净举力的公式，就可以得到A=A0=常量，即当然，这一结论的假设条件（等压、等温及不透气的条件）与实际情况会有些出入，但这个出入不大，假定的条件基本满足，所以该结论是可取的。A0=V0（ρ0-γ0)-BA=E-B=V（ρ-γ)-B㈡气球的上升速度1、气球的升速公式3236cg41b361323BAA6cg4.1361BAAb2sgcRRAdtdM式中γ/ρ在球内、外等温等压的假定下，可看作是常量，约等于1/14，空气密度ρ可由观测当时的气压、气温来确定，阻力系数c虽然可以随球的大小而不同，但一般可以取c=0.4，A、B则可以称量出来。361323BAA6cg4.1为了使上面的升速公式计算方便，引入一个空气标准密度ρ0=1.205㎏/m3（ρ0指气温为293K，气压为760mmHg时的密度值），这样，升速公式也可以写成这就是目前常用的气球升速公式其中6101bb36101BAA)(b361BAAb⑴A与B影响：升速与净举力A，球皮及附加物重量B重量有关，要使升速增大，必须要增大A或减小B。2.影响气球升速的因子⑵空气密度ρ的变化：因为ω∝ρ-1/6，即气球的升速是随空气密度的减小而缓慢增大的，也就是说升速随高度的增高而缓慢增大，根据资料，其增加平均为每上升1千米增大2％⑶空气阻力系数c：理论计算中，阻力系数取为常量0.4。实际上，在乱流很强时，空气阻力系数减小，使实际升速比计算值偏高，在低空，尤其在白天，这一因素影响很大。⑷大气中垂直气流对升速的影响很大，尤其是在山区，在山的迎风坡，气流上升运动强，背风坡下降运动强，都直接影响升速。⑸渗透和扩散的影响;随着高度的增加，渗透会越来越大，使升速逐渐减小。⑹畸形和上升中的翻滚，阻力增大，气球升速变小。在12公里以上，实际升速比计算升速小，且越向上越小，这主要是由于随着施放时间的增加，球内氢气渗透量增加从而使升速减小的影响超过了空气的密度的减小而使升速增大的影响。在2~12公里内，实际升速和计算升速比较接近，其原因主要是空气密度随高度减小使升速加大的影响基本上和球内氢气向外渗透使升速减小的影响基本上互相抵消back在2公里高度以内，实际升速要比计算升速大20%~30%，而且越靠近地面，误差越大，起作用的主要因子是空气的乱流运动的影响。2、单经纬仪定点测风我们在观测点施放一个具有标准升速的气球，某一瞬时，气球在空间的位置对地面有一个垂直投影点，测得在某一个时段内气球投影点的位移，就是气球在这段时间里的水平位移，据此就可以测定这一时段所对应的高度上的风向和风速。单经纬仪定点测风就是使用一台经纬仪，在一个固定的地点，观测气球移动的轨迹来确定高空的风向风速。如图所示，O为测点位置，Pi为某瞬时气球在空间的位置，Ci为其在地面上的投影点，OCi为投影点离测站的水平距离，Hi（PiCi)为气球离地面的高度，在单经纬仪观测中，气球的升速假定是已知的固定值（单位是米/分），因此Hi可根据气球的升速乘以气球上升的时间而得到，水平距离OCi=HIctgβ，β为仰角。用所得到的水平距离和气球的方位角α，即可确定某一瞬时气球投影点的位置。图中的C1，C2，……，为气球施放后每分钟的投影点，计算出相应OC1、OC2、……，各分钟内气球在各层中所移动的距离，并分别用所经过的时间（60秒）去除，就得到每一层高度上单位时间的平均风速（米/秒）。各风层的风向，可通过量正北与各线之间的夹角加减180°求得。单经纬仪测风简便易行，但由于实际升速偏离所假定的升速，因而误差较大。2单经纬仪定点测风课堂习题设测风气球的升速w=100米/分，第2分钟的仰角α2=45°，方位角β2=30°，第4分钟的仰角α4=30°，方位角β4=45°，求2～4分钟的平均风速v及风向？OOP4P2C2C4已知：测风气球的升速w=100米/分第2分钟的仰角α2=45°，方位角β2=30°第4分钟的仰角α4=30°，方位角β4=45°求第2-4分钟平均风速和风向。200m200m400m692.82m3400C2P4P2C4smC/4.412016.529602416.529tCV42）（ON2361801145180G4692.82m529.16mθθ矢量法求解22242424()()V4.4/(42)60120CCAABBmsC2P4P2C4ON692.82m529.16mA2A4B2B4222444coscosOBOCOBOC222444sinsinOAOCOAOC242424CCAABB42421tan180BBAAG已知：风气球的升速w=100米/分第2分钟的仰角α2=30°，方位角β2=45°第4分钟的仰角α4=45°，方位角β4=30°求第2-4分钟平均风速和风向。OOP2P4C4C2400m400m200mm41.463