1、測量風速的方法20101308017張曦計算機科學與技術10級1班高空風觀測測量近地面直至30公里高空的風向風速。通常將飛升氣球作為隨氣流移動的質點，用地面 設備（經緯儀或雷達）跟蹤氣球的飛升軌跡，讀取其時間間隔的仰角、方位角、斜距，確 定其空間位置的坐標值，可求出氣球所經過高度上的平均風向風速。高空風的測量一般指從地面到空中30km各高度上的風向、風速的測定。其測量方法有：一利用示蹤物隨氣球漂浮，觀測示蹤物位移來確定空中的風向和風速；常用測風氣球作為氣流示蹤物，使用地點跟蹤設備觀測其運動軌跡，測定其在空間各個時刻的位置，再用圖解法、解析法或矢量法確定相應大氣層中的平均風向、風速。氣球空間位置

2、的確定需要測定三個參數(shù)：仰角3、方位角a和球高H。測風經緯儀是一種跟蹤觀測和測定空中測風氣球仰角、方位角的光學儀器。在實際測量中，可以采用單經緯儀測風，也可采用雙經緯儀測風（基線測風法）。其中后 者準確度較高，可用來鑒定其它測風方法的準確性，但這種方法的觀測和計算較復雜。用 雙經緯儀測風計算高度時，可采用投影法（包括水平面投影法、鉛直面投影法和矢量投影 法）。二利用大氣中的質點或湍流團塊與無線電波、聲波、光波的相互作用，由多普勒效應引起的頻率變化推算空中的風向、風速；在我國，目前主要采用59型探空儀和701型二次測風雷達組成 59 701高空探測系統(tǒng)，進行高空溫、壓、濕、風的綜合測量。三利用系

3、留氣球、風箏、飛機、氣象塔等觀測平臺，使測風儀器安置在不同高度上，根 據(jù)氣流對測風儀器的動力作用來測量空中的風向、風速。導航測風就是借助導航臺信號，由氣球攜帶的探空儀自身確定其位置，并將位置信號、氣 象資料信號一起發(fā)回基站，然后在基站進行處理，計算高空風的方法。近地面層以上大氣風場的探測。通常用氣球法測風。高空風探測也是氣象飛機探測、氣象火箭探測、大氣遙感的內容之一。氣球法測風是把氣球看作隨氣流移動的質 點，用儀器測量氣球相對于觀測點的角坐標、斜距或高度，確定它的空間位置和軌跡； 根據(jù)氣球在某時段內位置的變化,就可以簡易地算出它的水平位移，從而求出相應大氣層中的平均水平風向、風速。在氣球的上升

4、過程中，可測得它所經各高度上的風向、風速。1809年英國J.沃利斯和T.福雷斯特首創(chuàng)測風氣球觀測高空風。氣球法測風常用光 學經緯儀、無線電經緯儀、一次雷達和二次雷達，以及導航系統(tǒng)等。光學經緯儀測風有單經緯儀測風和雙經緯儀測風兩種。單經緯儀只能測定氣球的角坐標（方位、仰 角）。氣球高度一是根據(jù)氣球升速（決定于氣球凈舉力、氣球大圓周長和地面空氣密 度）和升空歷經的時間來確定。但由于大氣湍流、鉛直氣流速度和空氣密度隨高度變化 等因素對氣球升速的影響，這種方法確定的高度誤差大，測風精度低，一般只在數(shù)千米 高度以下使用。二是根據(jù)無線電探空儀測得的氣壓、溫度和濕度資料，通過計算推得高 度。這種方法測風精度

5、較高。用雙經緯儀測風，是根據(jù)位于選定基線兩端的兩個經緯儀 同步觀測獲得的角坐標值，通過幾何圖解或計算，得出各高度上的平均風向、風速。光學經緯儀測風一般只適用于能見度好的少云晴天，夜間必須在氣球上掛燈籠或其 他可見光源，陰雨天氣則只能在可見氣球的高度內測風。無線電經緯儀測風它是利用無線電定向原理，跟蹤氣球攜帶的探空發(fā)射機信號，測得角坐標數(shù)據(jù)。氣 球所在的高度則由無線電探空儀測量的溫、壓、濕值算出。因此無線電經緯儀測風適用 于全天候，但當氣球低于無線電經緯儀最低工作仰角時，測風精度迅速降低。雷達測風一次雷達測風是雷達跟蹤氣球攜帶的無源反射靶，接收反射靶的反射信號來實現(xiàn)定位并計算風向、風速。二次雷達

6、測風是跟蹤氣球攜帶的工作于應答狀態(tài)的探空發(fā)射機信 號來實現(xiàn)定位的。此法可以獲取角坐標和斜距數(shù)據(jù)，從而計算出高空風，無需依賴無線 電探空儀探測的溫、壓、濕數(shù)據(jù)計算氣球高度。二次雷達測風當氣球低于雷達最低工作 仰角時，要放棄仰角數(shù)據(jù)。此外，氣象多普勒雷達更可測量云中流場的細微結構。導航測風利用導航系統(tǒng)來測定風。氣球攜帶微型導航接收機，檢出導航信號，并調制探空發(fā)射機將信號轉發(fā)到地面而被接收，根據(jù)這些信號，可確定氣球的軌跡，并計算出各相應高度上的風速和風向。如圖所示,任意甲、乙兩個導航臺的導航信號在空間某點被接收時存在時間差，對應不同的等時間差，構成空間一組雙曲線族（實線）；同理甲、丙兩 個導航臺的導

7、航信號，在空間任意點接收到的等時間差，也在空間形成另一組雙曲線族（虛線）。氣球在空間某點測得甲、乙兩臺的時間差，可以確定它位于一根相對應的雙 曲線11上。同時測得甲、丙兩臺的時間差后，也可以找到位于另一根相對應的雙曲線 12。11和12兩根雙曲線的交點 P,便是氣球的地理位置。根據(jù)各時段氣球理地位置的 水平位移即可計算出高空的風速和風向。至于氣球的高度則由氣球上的無線電探空儀測 定。船舶和飛機等活動觀測平臺通常使用導航測風。從20世紀60年代開始，氣象衛(wèi)星探測的高空風場（見衛(wèi)星測風），為觀測站稀少地區(qū)提供了資料。地面風的測量風是空氣流動時產生的一種自然現(xiàn)象?？諝饬鲃佑猩舷铝鲃雍妥笥伊鲃樱舷铝?/p>

8、動為垂直運動，也叫對流；左右流動為水平運動，也就是風。風是一個矢量，用風向和風速表示。地面風指離地平面 1012米高的風。風向指風吹來的方向，一般用16個方位或360°表示。以360°表示時，由北起按順時針方向度量。風速指單位時間內空氣的水平位移，常以米/秒、公里/小時、海里/小時表示。1805年英國人F 蒲福根據(jù)風對地面（或海面）物體的影響，提出風力等級表，幾經修改后得下表。目測風時，根據(jù)風力等級表中各級風的特征，即可估計出相應的風速。浦福風力等級表風名稱相當于開闊平坦地面 10米高處風速浪高陸上物理征象力 等 級米/秒公里/時海里/時(米)0靜風0 0.2<1&l

9、t;1靜，煙直上。1軟風0.3 1.51 51 30.1煙能表示風向，但風向標尚不能指示風向。2輕風1.6 3.36 114 60.2人面感覺有風，樹葉有 微響，風向標能隨風轉 動。3微風3.4 5.412 197 100.6樹葉與微枝搖動不息， 旌旗展開。4和風5.5 7.920 2811 161.0灰塵和碎紙揚起，小樹 枝搖動。5清勁風8.0 10.729 3817 212.0有葉的小樹枝搖動，內 陸水面有小波浪。6強風10.8 13.839 4922 273Q大樹枝搖動，電線呼呼有聲，打傘困難。7疾風13.9 17.1N50 6128 33. .14.0全樹搖動，逆風步行感 到困難。8大

10、風17.2 20.762 7434 405.5樹枝折斷，逆風行進阻 力甚大。91烈風20.8 24.475 8841 477.0發(fā)生輕微的建筑破壞。10狂風1g 124.5 28.4BL89 10248 559.0內陸少見，有些樹木拔 起，建筑物破壞較重。11暴風28.5 32.610311756 6311.5極少遇到，伴隨著廣泛 的破壞。12颶風32.71186414.0(1)風向測量儀器：風向標是一種應用最廣泛的測量風向儀器的主要部件，由水平指向桿、尾翼和旋轉軸組成。在風的作用下，尾翼產生旋轉力矩使風向標轉動，并不斷調整指 向桿指示風向。風向標感應的風向必須傳遞到地面的指示儀表上，以觸點式

11、最為簡單，風 向標帶動觸點，接通代表風向的燈泡或記錄筆電磁鐵，作出風向的指示或記錄，但它的分 辨只能做到一個方位（22.5 °）。精確的方法有自整角機和光電碼盤。（2）風速測量儀器：a）風杯風速表是應用最廣泛的一種風速表，由三個（或四個）半 球形或拋物形空杯，都順一面均勻分布在一水平支架上，支架與轉軸相連。在風力作用 下，風杯繞轉軸旋轉，其轉速正比于風速。轉速可以用電觸點、測速發(fā)電機、齒輪或光電 計數(shù)器等記錄。b）槳葉式風速表是由若干片槳葉按一定角度等間隔地裝置在一鉛直面內， 能逆風繞水平軸轉動，其轉速正比于風速。槳葉有平板葉片的風車式和螺旋槳式兩種。最 常見的是由三葉式四葉螺旋槳，

12、裝在形似飛機機身的流線形風向標前部，風向標使葉片旋 轉平面始絡對準風的來向。c）熱力式風速表是被電流加熱的細金屬絲或微型球體電阻，放置在氣流中，其散熱率與風速的平方根成線性關系。通常在使加熱電流不變時，測出被加 熱物體的溫度，就能推算出風速。熱力式風速表感應速度快，時間常數(shù)只有百分之幾秒， 在小風速時靈敏度較高，宜應用于室內和野外的大氣湍流實驗，也是農業(yè)氣象測量的重要 工具。常用的儀器有杯狀風速計、翼狀風速計、卡他溫度計和熱球式電風速計。翼狀 和杯狀風速計使用簡便，但其惰性和機械磨擦阻力較大，只適用于測定較大的 風速。風速計（anemometer）顧名思義是測量空氣流速的儀器。它的種類較多，氣

13、象臺站最常用的為風杯風速計，它由3個互成120°固定在支架上的拋物 錐空杯組成感應部分，空杯的凹面都順向一個方向。整 個感應部分安裝在一根垂直旋轉軸上，在風力的作用下，風杯繞軸以正比于風速的轉速旋 轉。另一種旋轉式風速計為旋槳式風速計，由一個三葉或四葉螺旋槳組成感應部分，將其 安裝在一個風向標的前端，使它隨時對準風的來向。槳葉繞水平軸以正比于風速的轉速旋 轉。風速計-簡介風速計其基本原理是將一根細的金屬絲放在流體中，通電流加熱金屬絲，使其溫度高于流體的溫度，因此將金屬絲稱為 熱線”當流體沿垂直方向流過金屬絲時，將帶走金屬絲的一部分熱量，使金屬絲溫 度下降。根據(jù)強迫對流熱交換理論，可導

14、出熱線散失的熱量Q與流體的速度v之間存在關系式。標準的熱線探頭由兩根支架張緊一根短而細的金屬絲組成，如圖2.1所示。金屬絲通常用鉑、銠、鎢等熔點高、延展性好的金屬制成。常用的絲直徑為5叩，長為2 mm ;最小的探頭直徑僅 1m,長為0.2 mm。根據(jù)不同的用途，熱線探頭還做成雙絲、三絲、 斜絲及V形、X形等。為了增加強度，有時用金屬膜代替金屬絲，通常在一熱絕緣的基體 上噴鍍一層薄金屬膜，稱為熱膜探頭，如圖2.2所示。熱線探頭在使用前必須進行校準。靜態(tài)校準是在專門的標準風洞里進行的，測量流速與輸出電壓之間的關系并畫成標準曲 線；動態(tài)校準是在已知的脈動流場中進行的，或在風速儀加熱電路中加上一脈動電

15、信號， 校驗熱線風速儀的頻率響應，若頻率響應不佳可用相應的補償線路加以改善。0至100m/s的流速測量范圍可以分為三個區(qū)段：低速： 0至5m/s ;中速：5至40m/s ;高 速：40至100m/s。風速儀的熱敏式探頭用于0至5m/s的精確測量；風速儀的轉輪式探頭測量5至40m/s的流速效果最理想；而利用皮托管則可在高速范圍內得到最佳結果。正確 選擇風速儀的流速探頭的一個附加標準是溫度，通常風速儀的熱敏式傳感器的使用溫度約達+-70C。特制風速儀的轉輪探頭可達350C。皮托管用于+350C以上。風速計-探頭選擇1、風速儀的熱敏式探頭風速儀的熱敏式探頭的工作原理是基于冷沖擊氣流帶走熱元件上的熱量

16、，借助一個調節(jié)開 關，保持溫度恒定，則調節(jié)電流和流速成正比關系。當在湍流中使用熱敏式探頭時，來自 各個方向的氣流同時沖擊熱元件，從而會影響到測量結果的準確性。在湍流中測量時，熱 敏式風速儀流速傳感器的示值往往高于轉輪式探頭。以上現(xiàn)象可以在管道測量過程中觀察 到。根據(jù)管理管道紊流的不同設計，甚至在低速時也會出現(xiàn)。因此，風速儀測量過程應在 管道的直線部分進行。直線部分的起點應至少在測量點前10XD （D=管道直徑，單位為CM ）外；終點至少在測量點后 4XD處。流體截面不得有任何遮擋。（棱角，重懸，物 等）2、風速儀的轉輪式探頭風速儀的轉輪式探頭的工作原理是基于把轉動轉換成電信號，先經過一個臨近感

17、應開頭， 對轉輪的轉動進行計數(shù)”并產生一個脈沖系列，再經檢測儀轉換處理，即可得到轉速值。風速儀的大口徑探頭（60mm,100mm）適合于測量中、小流速的紊流（如在管道出口）。 風速儀的小口徑探頭更適于測量管道橫截面大于探險頭橫截面貌一新100倍以上的氣流。風速計-主要用途1、測量平均流動的速度和方向。2、測量來流的脈動速度及其頻譜。3、測量湍流中的雷諾應力及兩點的速度相關性、時間相關性。4、測量壁面切應力（通常是采用與壁面平齊放置的熱膜探頭來進行的，原理與熱線測速 相似）。5、測量流體溫度（事先測出探頭電阻隨流體溫度的變化曲線，然后根據(jù)測得的探頭電阻 就可確定溫度。除此以外還開發(fā)出許多專業(yè)用途

18、。風速計-風速測量儀器 風杯風速計它是最常見的一種風速計。轉杯式風速計最早由英國魯賓孫發(fā)明，當時是四杯，后來改用 三杯。三個互成度固定在架上的拋物形或半球形的空杯都順一面，整個架子連同風杯裝在 一個可以自由轉動的軸上。在風力的作用下風杯繞軸旋轉，其轉速正比于風速。轉速可以 用電觸點、測速發(fā)電機或光電計數(shù)器等記錄。 螺旋槳式風速計它是一組三葉或四葉螺旋槳繞水平軸旋轉的風速計。螺旋槳裝在一個風標的前部，使其旋 轉平面始終正對風的來 向，它的轉速正比于風速。 熱線風速計 一根被電流加熱的金屬絲，流動的空氣使它散熱，利用散熱速率和風速的平方根成線性關 系，再通過電子線路線性化（以便于刻度和讀數(shù)），即可制成熱線風速計。熱線風速計分 旁熱式和直熱式兩種。旁熱式的熱線一般為錳銅絲，其電阻溫度系數(shù)近于零，它的表面另 置有測溫元件。直熱式的熱線多為鉑絲，在測量風速的同時可以直接測定熱線本身的溫 度。熱線風速計在小風