高空风的测量.ppt

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1、高空风的测量,本章概述,主要学习内容高空风的观测原理高空风的观测仪器高空风的观测方法,第一节 概述,1 高空风的观测意义,大气中各种物理过程和天气的变化都是在三维空间中进行的，不同层次大气的性质和过程各不相同，地面以上各高度上的气流情况就有很大的差异，因此必须进行高空观测以取得空中各高度上的气象要素值。测量近地面直至30公里高空的风向风速。,2 高空风的观测方法,高空风测量法可分为两大类：根据气流对测风仪器的动力作用(压力的方向和大小)来测定各高度上的风向、风速。这类方法与“测定地面风”相同。但需要使用升空装置(系留气球、飞机等)将测风仪带到各个高度上，在观测高度、观测时间上受到限制。,2 高

2、空风的观测方法,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，在高空观测中广泛采用。用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小。示踪物在水平方向运动的方向和速度就是风向、风速。用地面设备跟踪气球的飞升轨迹，读取其坐标值，可求出气球所经过高度上的平均风向风速。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平均值。,2 高空风的观测方法,高空风测量中使用的示踪物一般是灌满氢气的气球，即测风气球。此外，天空中云团、人工施放的烟团和铝箔也可作为示踪物。,3 气球轨迹法定位参量,仰角方位角球高斜距水平距离,4 气球轨迹法测风分类,按定位方法，气球轨迹法测风可以分为三类

3、：单点测风基线测风，或称为双点(经纬仪)测风导航测风,第二节 气象气球,1 概述,气球是目前高空观测中使用的主要工具。按照使用目的，可分为三类：参考表9.2探空气球作为各种大气探测仪器升空运载工具分无线电探空气球、平移气球、系留气球等测风气球作为气流运动轨迹的示踪物测云气球测定云层高度的云幕气球,测风气球,2 气球的漂浮方式,我们可以使气球以三种方式在空中飘浮：气球只飘浮在某一高度(等密度面)上，一般称为平移气球气球以一定的垂直速度上升气球以一定的速度降落,为了测定地面以上至空中三十多公里各高度上的风，一般都使用定速上升的气球。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

4、速,3 气球的一般性质,膨胀型球皮由伸缩性较大的橡胶制成充气后，球内外压力差很小，可随大气压的降低而自由膨胀，直到破裂为止一般用于大气的垂直探测，如探空仪非膨胀型球皮由聚乙烯塑料薄膜、聚酯薄膜制成一般在超压状态下工作，球皮几乎无伸缩性用于水平探测，制作定高气球、系留气球等,4 气球的上升速度,对于上升类气球，控制其上升速度极为重要。单点测风要根据气球升速计算球高，才能确定气球的空间位置；云幕球要由升速及入云时间计算云低高度。,4 气球的上升速度,使气球具有规定升速的方法：按当时的空气密度充灌氢气，使气球具有相应的净举力。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。,为了控制气球在大

5、气中的飞行状态，需要研究气球在大气中的动力学性质。根据气球的受力情况，确定气球的上升速度。重力浮力阻力,4 气球的上升速度,1）作用在气球上的力,重力：mg=ghv+B,其中m为气球的总质量。浮力：F=Vg，其中为大气密度。,设球体内外的压强和温度在上升过程中保持相等，由气体状态方程：,n为球内气体克分子数。可见气球受的浮力与球内气体质量成正比。如果n、g为常数，上升中气球所受浮力保持常数。,定义净举力A为气球所受浮力与重力之差：,式中E称为总举力,是气球排开空气的重量与球内气体重量之差.,气球在上升中无泄漏,mg不变,F也保持不变,因此在上升过程中,净举力A为常数,E也为常数.,（9.32)

6、,（9.31),（9.30),其中r为气球半径;CD为比阻系数;Re是雷诺数；w为气球的上升速度,阻力,（9.34),（9.33),2）、气球升速公式,气球的运动方程为：,（9.36),将上式及（9.30)（9.33)式代入（9.35)式：,（9.35),如果取一薄层大气，比阻系数CD,球半径 r,空气阻力R,环境密度取为常数，取初条件z=0时，w=0,(9.36)式的解为：,由（9.37）式得气球的上升速度计算公式,（9.37),（9.38),（9.39）,实际上，在气球上升过程中很快w将趋近于w，如果要求达到0.98w的高度是多少米；则有：,对20号球：m=60g,r=35cm,=1.3k

7、g/m3,CD=0.4，由上式：,举例：,如果要求达到0.99w的高度是多少米；则有：,对20号球：m=60g,r=35cm,=1.3kg/m3,CD=0.4，由上式：,可见，气球释放后上升0.97米就达到常升速值的0.98，上升1.17米达到常升速值的0.99，因而，可以认为气球在释放之后很快就按下式的计算值上升：,因为空气阻力与w成正比，释放后气球在短时间内加速上升，阻力逐渐加大，很快就与净举力A达到平衡，然后等速上升。,应用（9.39）式计算气球的升速很不方便，因为在上升过程中气球不断膨胀，r是变化的。,得：,在气球内外的温度及气压相等的条件下，气球飞升到各高度时的气球半径可由（9.30

8、）式及将球体积V=4r/3 带入,（9.40）,（9.41a）,h,h,h,h,（9.41b）,（9.41b）,因此，我们控制球重及净举力，就可改变球的升速。在净举力及球重不变时，空气密度越小，升速越大，因而，气球的升速随高度会稍有增大。,将（9.41b）式代入（9.39）得：,（9.42）实用升速公式,在P0=760mmHg,T0=20C,0=1.205kg/m3 时的w0为标准密度时的升速,由（9.42）和（9.43）得：,（9.43）,表9.1 气球升速因密度因素随高度的变化,（9.44）,5 平移气球,就是设法使气球在某一选定的高度上达到净举力为零，或者在相当厚的某一层中气球净举力为零

9、，则气球可在某高度或某气层上随气流水平移动，使用追踪定位设备测定气球在各个时刻的位置，就可计算出在选定高度上，气球位于不同xy坐标点上的位移，即风向和风速。,5 其他用途气球,系留气球洛宾（ROBIN）气球下投式垂直探空气球，非膨胀型。棘面气球（Jimsphere）用于雷达测风的气球，直径2米。,系留气球,第三节 测定气球位置的仪器设备,确定气球位置的仪器设备,光学经纬仪雷达二次雷达无线电经纬仪GPS卫星导航定位技术,1 光学测风经纬仪,主要观测气球仰角和方位角。气球高度由升速和施放时间推算 使用：借助于经纬仪上的光学望远镜，由人眼追踪气球，并从刻度盘上直接读出仰角和方位角的度数角坐标测量精度

10、高，受天气条件限制,2 无线电经纬仪,利用无线电定向原理，跟踪气球携带的探空仪发射机信号，测得气球仰角和方位角。气球高度则由探空资料计算得出。适用于全天候，但当气球低于其最低工作仰角时，测风精度将迅速降低。低能耗，设备重量轻的优点。,3 测风雷达,利用雷达测定飞升的气球位置。不仅测定气球的角座标，而且能测定气球与雷达的距离，即斜距。由仰角、方位角、斜距计算高空风。雷达测风法又可分为一次雷达测风法和二次雷达测风法。一次雷达测风法让气球携带能够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刻的位置，从而测定高空风。701雷达是我国测风专用雷达。L波段测风雷达是现阶段我国最为先进的测风雷达。,

11、3 测风雷达,二次雷达测风法：把气球上的反射靶换成回答器，就能增强回波的强度，这种雷达叫二次雷达。气球上的回答器收到地面雷达发来的询问脉冲后，立即发射一个脉冲代替反射波，称为回答脉冲，回答脉冲被地面接收机接收，确定仰角、方位角、斜距。在相同的发射功率下，二次雷达比一次雷达探测距离更远，可测更高的高空风。,GPS卫星由平均分布在6个轨道平面上的24颗卫星组成，每个轨道平面上均匀分布4颗，其中工作星21颗，备用星3颗.,4 GPS导航测风,4 GPS导航测风,GPS的组成GPS卫星：向用户连续发送定位信息；接收和储存地面监控站发出的卫星导航电文等信息，并适时地发送给用户;接收并执行地面监控站发来的

12、指令；提供精确的时间标准地面监控系统：监视卫星的运行；确定GPS时间系统；跟踪并预报卫星星历和卫星钟状态；向每颗卫星的数据存储器注入卫星导航数据GPS接收机：是用户部分的核心，与天线、微处理器及其终端设备和电源等共同构成,时间,美国国家标准与技术研究所（NIST）的铯-133原子钟，1999年12月29日启用，2千万年误差小于1秒。与法国巴黎的另一台原子钟被公认为当今世界最精确的时间计量设备,（一般铯原子钟精度为1百万年误差1秒；最好的石英钟能达到每10年误差1秒）,通过GPS实施对升空气球的定位，再经由卫星发回地面接收系统，从而确定气球的准确位置缺点：垂直方向的定位比较差，价格成本太高,4

13、GPS导航测风,第四节 高空风的计算,1 单经纬仪测风计算,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。,等速上升气球的生速为;：方位角：仰角在t时刻气球上升的高度为：H=t气球在水平方向上的投影距离为：L=Hctg水平风速为：v=dL/dt,1 单经纬仪测风计算,双经纬仪测风是在已知基线长度的两端，架设两架经纬仪同步观测，分别读出气球的仰角、方位角，利用三角法或矢量法计算气球高度和风向风速。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，阴雨天气只能在可见气球高度内测风。,2 双经纬仪测风计算,2 双经纬仪测风计算,、和、可由A、B两点的经纬仪仰角和方

14、位角观测得出。在平面三角形ABPB中，设APBB=，则有+=180，=180（+），根据正弦定理：,同理,第五节 其他测风方法,1 风廓线雷达,是一种遥感高空风向、风速分布的仪器。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，这种回波信号与大气的云雨质点回波散射有所不同，称之为晴空散射。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。,1 风廓线雷达,对风廓线雷达的主要评

15、估结论：风廓线雷达网的资料达到了要求的精度和可靠性，它的时间和空间的分辨能力超过任何一种高空风测量系统；风廓线雷达网的资料将会大大改善对危险天气的预报；观测到一些新的中层大气的天气动力现象，例如浅槽对雷暴雨的触发；,1 风廓线雷达,一些特殊现象的观测将有助于其他行业的需要，例如风切变的观测对于飞行导航；6min时段的风廓线资料能显示出锋面、短波波动、气旋和重力波等天气系统和详实的演变过程；将风廓线资料实施同化后，明显地改善了36h临近数值预报的结果；整个系统运行可靠，可以由非专业人员进行操作。,2 激光雷达测风,2 激光雷达测风,2008年8月7日00时水汽导风和云图,3 卫星资料反演测风,2008年8月7日12时水汽导风和云图,2008年8月7日18时水汽导风和云图,复习思考题,确定气球空间位置的参量气球轨迹法测风的分类确定气球位置的仪器设备单经纬仪、双经纬仪的测风原理雷达和二次雷达的区别,