高空風(fēng)的測量1本章概述主要學(xué)習(xí)內(nèi)容高空風(fēng)的觀測原理高空風(fēng)的觀測儀器高空風(fēng)的觀測方法2第一節(jié)概述352高空風(fēng)的觀測方法高空風(fēng)測量法可分為兩大類：根據(jù)氣流對測風(fēng)儀器的動力作用(壓力的方向和大小)來測定各高度上的風(fēng)向、風(fēng)速。這類方法與“測定地面風(fēng)”相同。但需要使用升空裝置(系留氣球、飛機等)將測風(fēng)儀帶到各個高度上，在觀測高度、觀測時間上受到限制。62高空風(fēng)的觀測方法根據(jù)隨氣流飄動的物體在空中運動的軌跡，從而測定出風(fēng)向、風(fēng)速。這類方法稱軌跡法，在高空觀測中廣泛采用。用來測風(fēng)的飄浮物體，要求其慣性很小。示蹤物在水平方向運動的方向和速度就是風(fēng)向、風(fēng)速。用地面設(shè)備跟蹤氣球的飛升軌跡，讀取其坐標值，可求出氣球所經(jīng)過高度上的平均風(fēng)向風(fēng)速。求出的風(fēng)向、風(fēng)速是某一時段或某一氣層厚度內(nèi)氣流方向和速度的平均值。73氣球軌跡法定位參量仰角方位角球高斜距水平距離94氣球軌跡法測風(fēng)分類按定位方法，氣球軌跡法測風(fēng)可以分為三類：①單點測風(fēng)②基線測風(fēng)，或稱為雙點(經(jīng)緯儀)測風(fēng)③導(dǎo)航測風(fēng)10第二節(jié)氣象氣球11測風(fēng)氣球132氣球的漂浮方式我們可以使氣球以三種方式在空中飄?。孩贇馇蛑伙h浮在某一高度(等密度面)上，一般稱為平移氣球②氣球以一定的垂直速度上升．③氣球以一定的速度降落．14為了測定地面以上至空中三十多公里各高度上的風(fēng)，一般都使用定速上升的氣球。測定出氣球在上升過程中的運動軌跡即可計算出大氣各層中的平均風(fēng)向、風(fēng)速．154氣球的上升速度對于上升類氣球，控制其上升速度極為重要。單點測風(fēng)要根據(jù)氣球升速計算球高，才能確定氣球的空間位置；云幕球要由升速及入云時間計算云低高度。174氣球的上升速度使氣球具有規(guī)定升速的方法：按當(dāng)時的空氣密度充灌氫氣，使氣球具有相應(yīng)的凈舉力。向氣球內(nèi)充灌氫氣時，可以用浮力天平或平衡器控制其凈舉力。18為了控制氣球在大氣中的飛行狀態(tài)，需要研究氣球在大氣中的動力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)氣球的受力情況，確定氣球的上升速度。重力浮力阻力4氣球的上升速度19定義凈舉力A為氣球所受浮力與重力之差：式中E稱為總舉力,是氣球排開空氣的重量與球內(nèi)氣體重量之差.氣球在上升中無泄漏,mg不變,F也保持不變,因此在上升過程中,凈舉力A為常數(shù),E也為常數(shù).（9.32)（9.31)（9.30)21其中r為氣球半徑;CD為比阻系數(shù);Re是雷諾數(shù)；w為氣球的上升速度阻力（9.34)（9.33)222）、氣球升速公式氣球的運動方程為：（9.36)將上式及（9.30)（9.33)式代入（9.35)式：（9.35)23實際上，在氣球上升過程中很快w將趨近于w，如果要求達到0.98w的高度是多少米；則有：對20號球：m=60g,r=35cm,ρ=1.3kg/m3,CD=0.4，由上式：

舉例：25如果要求達到0.99w的高度是多少米；則有：對20號球：m=60g,r=35cm,ρ=1.3kg/m3,CD=0.4，由上式：26hh（9.41b）（9.41b）29因此，我們控制球重及凈舉力，就可改變球的升速。在凈舉力及球重不變時，空氣密度越小，升速越大，因而，氣球的升速隨高度會稍有增大。將（9.41b）式代入（9.39）得：（9.42）實用升速公式30在P0=760mmHg,T0=20C,ρ0=1.205kg/m3時的w0為標準密度時的升速高度（km)0246810w/w01.001.041.081.111.151.19由（9.42）和（9.43）得：（9.43）表9.1氣球升速因密度因素隨高度的變化（9.44）

315平移氣球就是設(shè)法使氣球在某一選定的高度上達到凈舉力為零，或者在相當(dāng)厚的某一層中氣球凈舉力為零，則氣球可在某高度或某氣層上隨氣流水平移動，使用追蹤定位設(shè)備測定氣球在各個時刻的位置，就可計算出在選定高度上，氣球位于不同xy坐標點上的位移，即風(fēng)向和風(fēng)速。325其他用途氣球系留氣球洛賓（ROBIN）氣球下投式垂直探空氣球，非膨脹型。棘面氣球（Jimsphere）用于雷達測風(fēng)的氣球，直徑2米。33系留氣球34第三節(jié)測定氣球位置的儀器設(shè)備35確定氣球位置的儀器設(shè)備光學(xué)經(jīng)緯儀雷達二次雷達無線電經(jīng)緯儀GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)361光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀主要觀測氣球仰角和方位角。氣球高度由升速和施放時間推算使用：借助于經(jīng)緯儀上的光學(xué)望遠鏡，由人眼追蹤氣球，并從刻度盤上直接讀出仰角和方位角的度數(shù)角坐標測量精度高，受天氣條件限制37382無線電經(jīng)緯儀利用無線電定向原理，跟蹤氣球攜帶的探空儀發(fā)射機信號，測得氣球仰角和方位角。氣球高度則由探空資料計算得出。適用于全天候，但當(dāng)氣球低于其最低工作仰角時，測風(fēng)精度將迅速降低。低能耗，設(shè)備重量輕的優(yōu)點。393測風(fēng)雷達利用雷達測定飛升的氣球位置。不僅測定氣球的角座標，而且能測定氣球與雷達的距離，即斜距。由仰角、方位角、斜距計算高空風(fēng)。雷達測風(fēng)法又可分為一次雷達測風(fēng)法和二次雷達測風(fēng)法。一次雷達測風(fēng)法——讓氣球攜帶能夠反射雷達波的反射靶在天空飛翔，就可以定出氣球在每個時刻的位置，從而測定高空風(fēng)。701雷達是我國測風(fēng)專用雷達。L波段測風(fēng)雷達是現(xiàn)階段我國最為先進的測風(fēng)雷達。403測風(fēng)雷達二次雷達測風(fēng)法：把氣球上的反射靶換成回答器，就能增強回波的強度，這種雷達叫二次雷達。氣球上的回答器收到地面雷達發(fā)來的詢問脈沖后，立即發(fā)射一個脈沖代替反射波，稱為回答脈沖，回答脈沖被地面接收機接收，確定仰角、方位角、斜距。在相同的發(fā)射功率下，二次雷達比一次雷達探測距離更遠，可測更高的高空風(fēng)。41424344GPS衛(wèi)星由平均分布在6個軌道平面上的24顆衛(wèi)星組成，每個軌道平面上均勻分布4顆，其中工作星21顆，備用星3顆.4GPS導(dǎo)航測風(fēng)454GPS導(dǎo)航測風(fēng)GPS的組成GPS衛(wèi)星：向用戶連續(xù)發(fā)送定位信息；接收和儲存地面監(jiān)控站發(fā)出的衛(wèi)星導(dǎo)航電文等信息，并適時地發(fā)送給用戶;接收并執(zhí)行地面監(jiān)控站發(fā)來的指令；提供精確的時間標準地面監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)視衛(wèi)星的運行；確定GPS時間系統(tǒng)；跟蹤并預(yù)報衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘狀態(tài)；向每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)存儲器注入衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)GPS接收機：是用戶部分的核心，與天線、微處理器及其終端設(shè)備和電源等共同構(gòu)成46時間美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）的銫-133原子鐘，1999年12月29日啟用，2千萬年誤差小于1秒。與法國巴黎的另一臺原子鐘被公認為當(dāng)今世界最精確的時間計量設(shè)備（一般銫原子鐘精度為1百萬年誤差1秒；最好的石英鐘能達到每10年誤差1秒）47通過GPS實施對升空氣球的定位，再經(jīng)由衛(wèi)星發(fā)回地面接收系統(tǒng)，從而確定氣球的準確位置缺點：垂直方向的定位比較差，價格成本太高4GPS導(dǎo)航測風(fēng)48第四節(jié)高空風(fēng)的計算491單經(jīng)緯儀測風(fēng)計算單經(jīng)緯儀測風(fēng)：只能測出氣球的仰角和方位角，氣球高度由升速和施放時間推算。50等速上升氣球的生速為;α：方位角δ：仰角在t時刻氣球上升的高度為：H=ωt氣球在水平方向上的投影距離為：L=Hctgδ水平風(fēng)速為：v=dL/dt1單經(jīng)緯儀測風(fēng)計算51雙經(jīng)緯儀測風(fēng)是在已知基線長度的兩端，架設(shè)兩架經(jīng)緯儀同步觀測，分別讀出氣球的仰角、方位角，利用三角法或矢量法計算氣球高度和風(fēng)向風(fēng)速。經(jīng)緯儀測風(fēng)只適用于能見度好的少云天氣，夜間必需配掛可見光源，陰雨天氣只能在可見氣球高度內(nèi)測風(fēng)。2雙經(jīng)緯儀測風(fēng)計算522雙經(jīng)緯儀測風(fēng)計算53、和、可由A、B兩點的經(jīng)緯儀仰角和方位角觀測得出。在平面三角形A′BPB中，設(shè)A′PBB=，則有++=180°，=180°—（+），根據(jù)正弦定理：

54同理555657第五節(jié)其他測風(fēng)方法581風(fēng)廓線雷達是一種遙感高空風(fēng)向、風(fēng)速分布的儀器。當(dāng)向大氣層發(fā)射一束無線電波時，由于溫度和濕度的湍流脈動，大氣折射指數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的漲落，雷達波束的電磁波信號將被散射，其中的后向散射部分將產(chǎn)生一定功率的回波信號，這種回波信號與大氣的云雨質(zhì)點回波散射有所不同，稱之為晴空散射。由于散射氣團隨風(fēng)飄移，沿雷達波束徑向的風(fēng)速分量的大小將導(dǎo)致回波信號產(chǎn)生一定量的多普勒頻移，測定回波信號的頻移值可以直接計算出某一層大氣沿雷達波束徑向的風(fēng)速分量值。591風(fēng)廓線雷達對風(fēng)廓線雷達的主要評估結(jié)論：風(fēng)廓線雷達網(wǎng)的資料達到了要求的精度和可靠性，它的時間和空間的分辨能力超過任何一種高空風(fēng)測量系統(tǒng)；風(fēng)廓線雷達網(wǎng)的資料將會大大改善對危險天氣的預(yù)報；觀測到一些新的中層大氣的天氣動力現(xiàn)象，例如淺槽對雷暴雨的觸發(fā)；601風(fēng)廓線雷達一些特殊現(xiàn)象的觀測將有助于其他行業(yè)的需要，例如風(fēng)切變的觀測對于飛行導(dǎo)航；6min時段的風(fēng)廓線資料能顯示出鋒面、短波波動、氣旋和重力波等天氣系統(tǒng)和詳實的演變過程；將風(fēng)廓線資料實施同化后，明顯地改善了3~6h臨近數(shù)值預(yù)報的結(jié)果