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1、第九章高空风的测量第九章高空风的测量1第一页，本课件共有40页9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n大气中各种物理过程和天气的变化都是在三维空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。的气象要素值。n大气在空间的运动基本上是水平的，气流在垂直大气在空间的运动基本上是水平的，气流在垂直方向的分量与水平方向的分量相比，一般是很小方向
2、的分量与水平方向的分量相比，一般是很小的。的。第二页，本课件共有40页9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n测量近地面直至测量近地面直至30公里高空的风向风速。公里高空的风向风速。n通常将飞升气球作为随气流移动的质点，通常将飞升气球作为随气流移动的质点，用地面设备（经纬仪或雷达）跟踪气球用地面设备（经纬仪或雷达）跟踪气球的飞升轨迹，读取其时间间隔的仰角、的飞升轨迹，读取其时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置的座标方位角、斜距，确定其空间位置的座标值，可求出气球所经过高度上的平均风值，可求出气球所经过高度上的平均风向风速。向风速。第三页，本课件共有40页9.1 高空风的观测方法高空风
3、的观测方法n垂直气流对于很多大气过程垂直气流对于很多大气过程(例如云的形例如云的形成和发展、天气系统的发展成和发展、天气系统的发展)是极为重要是极为重要的因素，但是垂直气流的测量方法比较的因素，但是垂直气流的测量方法比较复杂，目前还不够成熟。复杂，目前还不够成熟。第四页，本课件共有40页9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n高空风测量单位：高空风测量单位：n风速为风速为ms；n风向为方位度，以正为风向为方位度，以正为0度，全方位为度，全方位为360度，顺时针旋转。度，顺时针旋转。n如果是指某一等压面高度上的风，高度单位如果是指某一等压面高度上的风，高度单位取位势米。取位势米。第五页，本课件
4、共有40页9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n高空风的测量方法由于升空观测条件的高空风的测量方法由于升空观测条件的限制，具有与地面测风方法不同的特点。限制，具有与地面测风方法不同的特点。第六页，本课件共有40页9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n高空风测量法可分为两大类高空风测量法可分为两大类：1)根据气流对测风仪器的动力作用根据气流对测风仪器的动力作用(压力的压力的方向和大小方向和大小)来测定各高度上的风向、风来测定各高度上的风向、风速。速。n这类方法广泛用于测定地面风这类方法广泛用于测定地面风n测高空风时，就需要使用升空装置测高空风时，就需要使用升空装置(系留气系留气球、飞机等
5、球、飞机等)将测风仪将测风仪(风杯、风标、风压管风杯、风标、风压管等等)带到各个高度上，但在观测高度、观测带到各个高度上，但在观测高度、观测时间上受到限制。时间上受到限制。第七页，本课件共有40页9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法2)根据随气流飘动的物体在空中运动的轨迹，从而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。观测中广泛采用。n用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小，没有相对于空用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小，没有相对于空气的水平运动的对象才能作为气流水平方向运动轨迹的气的水平运动的
6、对象才能作为气流水平方向运动轨迹的示踪物。示踪物。n示踪物在水平方向运动的方向和速度就是风向、风速。示踪物在水平方向运动的方向和速度就是风向、风速。n需要指出的是，这样求出的风向、风速是某一时需要指出的是，这样求出的风向、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。段或某一气层厚度内气流方向和速度的平均值。第八页，本课件共有40页9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n高空风测量中使用的示踪物一般是灌满高空风测量中使用的示踪物一般是灌满氢气的气球，即氢气的气球，即测风气球测风气球。n此外，天空中云团、人工施放的烟团和铝箔此外，天空中云团、人工施放的烟团和铝箔也可作为示踪物。也可作为
7、示踪物。第九页，本课件共有40页9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n我们可以使气球以三种方式在空中飘浮：我们可以使气球以三种方式在空中飘浮：n气球只飘浮在某一高度气球只飘浮在某一高度(等密度面等密度面)上，一上，一般称为般称为平移气球平移气球n气球以一定的垂直速度上升气球以一定的垂直速度上升n气球以一定的速度降落气球以一定的速度降落第十页，本课件共有40页9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n为了测定地面以上至空中三十多公里各为了测定地面以上至空中三十多公里各高度上的风，一般都使用高度上的风，一般都使用定速上升的气定速上升的气球球。n测定出气球在上升过程中的运动轨迹即测定出气球在上升
8、过程中的运动轨迹即可计算出大气各层中的平均风向、风速可计算出大气各层中的平均风向、风速第十一页，本课件共有40页9.1 高空风的观测方法高空风的观测方法n按定为方法，气球轨迹法测风可以分为按定为方法，气球轨迹法测风可以分为三类：三类：n单点测风。单点测风。n基线测风，或称为双点基线测风，或称为双点(经纬仪经纬仪)测风测风 、n导航测风。导航测风。n这三类方法所使用的仪器设备及测定的这三类方法所使用的仪器设备及测定的参量见表参量见表9.1，P230第十二页，本课件共有40页9.2 气象气球气象气球第十三页，本课件共有40页9.2.1 概述概述n气球是目前高空观测中使用的主要工具。气球是目前高空观
9、测中使用的主要工具。n按照使用目的，可分为三类：按照使用目的，可分为三类：1)探空气球探空气球n作为各种大气探测仪器升空运载工具作为各种大气探测仪器升空运载工具n分无线电探空气球、平移气球、系留气球等分无线电探空气球、平移气球、系留气球等2)测风气球测风气球n作为气球运动轨迹的示踪物作为气球运动轨迹的示踪物3)测云气球测云气球n测定云层高度的云幕气球测定云层高度的云幕气球第十四页，本课件共有40页测风气球测风气球第十五页，本课件共有40页9.2.2 气球的一般性质气球的一般性质n膨胀型膨胀型n球皮由伸缩性较大的橡皮制成球皮由伸缩性较大的橡皮制成n充气后，球内外压力差很小，可随大气压的降低充气后
10、，球内外压力差很小，可随大气压的降低而自由膨胀，直到破裂为止而自由膨胀，直到破裂为止n一般用于大气的垂直探测，如探空仪一般用于大气的垂直探测，如探空仪n非膨胀型非膨胀型n球皮由聚乙烯塑料薄膜、聚酯薄膜制成球皮由聚乙烯塑料薄膜、聚酯薄膜制成n一般在超压状态下工作，球皮几乎无伸缩性一般在超压状态下工作，球皮几乎无伸缩性n用于水平探测，制作定高气球、系留气球等用于水平探测，制作定高气球、系留气球等第十六页，本课件共有40页9.2.3 气球的上升速度气球的上升速度n对于上升类气球，控制其上升速度极为对于上升类气球，控制其上升速度极为重要。重要。n单经纬仪测风单经纬仪测风n要根据气球升速计算球高，才能确
11、定气球的空间要根据气球升速计算球高，才能确定气球的空间位置；位置；n云幕球云幕球n要由升速及入云时间计算云低高度。要由升速及入云时间计算云低高度。第十七页，本课件共有40页9.2.3 气球的上升速度气球的上升速度n使气球具有规定升速的方法：使气球具有规定升速的方法：n按当时的空气密度充灌氢气，使气球具有相按当时的空气密度充灌氢气，使气球具有相应的净举力。应的净举力。n向气球内充灌氢气时，可以用浮力天平或平衡器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。控制其净举力。第十八页，本课件共有40页9.2.3 气球的上升速度气球的上升速度n气球实际升速与计算值的偏差：气球实际升速与计算值的
12、偏差：n2Km以下，接近地面时偏差最大；以下，接近地面时偏差最大；n212Km高度范围内偏差不大。高度范围内偏差不大。n建议将气球在施放头建议将气球在施放头5分钟内的计算升速值加以订分钟内的计算升速值加以订正：正：n施放后的第施放后的第1分钟将升速增加分钟将升速增加20%n施放后的第施放后的第2、3分钟将升速增加分钟将升速增加10%n施放后的第施放后的第4、5分钟将升速增加分钟将升速增加5%第十九页，本课件共有40页9.2.4 平移气球平移气球n就是设法使气球在某一选定的高度上达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到净举力为零，或者在相当厚的某一层中气球净举力为
13、零，则气球可在某高度中气球净举力为零，则气球可在某高度或某气层上随气流水平移动，使用追踪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，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，气球位于不就可计算出在选定高度上，气球位于不同同xy坐标点上的位移，即风向和风速。坐标点上的位移，即风向和风速。第二十页，本课件共有40页9.2.4 平移气球平移气球n平移气球主要有两种：平移气球主要有两种：1)随遇平衡平移气球随遇平衡平移气球n球皮基本上没有张力，它能随气球上下颠簸，始终保持球皮基本上没有张力，它能随气球上下颠簸，始终保持净举力为零。净举力为零。2)等容超压平移气球
14、等容超压平移气球n球皮由某种膨胀伸缩积弱的薄膜制成，当气球达到固定高度球皮由某种膨胀伸缩积弱的薄膜制成，当气球达到固定高度后，由于球内压力不断加大，与四周大气压力维持在一个较后，由于球内压力不断加大，与四周大气压力维持在一个较高的压差。当压差逐渐加大，气球内氢气（或氦气）的密度高的压差。当压差逐渐加大，气球内氢气（或氦气）的密度增高，使气球的净举力达到零，因而使气球维持在一个等密增高，使气球的净举力达到零，因而使气球维持在一个等密度面上平移。度面上平移。第二十一页，本课件共有40页9.2.5 其他用途气球其他用途气球1.系留气球系留气球n用缆绳拴在地面绞车上，能控制浮升高度的用缆绳拴在地面绞车
15、上，能控制浮升高度的气球。气球。n通常用聚脂薄膜做成流线形，缆绳长度及与地面通常用聚脂薄膜做成流线形，缆绳长度及与地面交角可以估算气球距地面高度，它可以携带测量交角可以估算气球距地面高度，它可以携带测量仪器在指定高度作数小时连续测量，用完后收回仪器在指定高度作数小时连续测量，用完后收回作多次使用。作多次使用。n特别适用于大气污染监测和研究大气边界层特别适用于大气污染监测和研究大气边界层等。等。第二十二页，本课件共有40页系系留留气气球球第二十三页，本课件共有40页9.2.5 其他用途气球其他用途气球2.洛宾（洛宾（ROBIN）气球）气球n下投式垂直探空气球，非膨胀型。下投式垂直探空气球，非膨胀
16、型。3.棘面气球（棘面气球（Jimsphere）n用于雷达测风的气球，直径用于雷达测风的气球，直径2米。米。第二十四页，本课件共有40页9.3 球定气球位置的仪器设备球定气球位置的仪器设备n光学测风经纬仪、雷达、二次雷达、无光学测风经纬仪、雷达、二次雷达、无线电经纬仪，以及线电经纬仪，以及GPS卫星导航定位技卫星导航定位技术。术。n小球测风小球测风光学测风经纬仪，角坐标测量光学测风经纬仪，角坐标测量精度高，受天气条件限制精度高，受天气条件限制n无线电探空仪无线电探空仪二次雷达，测角精度低于二次雷达，测角精度低于光学测风经纬仪。光学测风经纬仪。第二十五页，本课件共有40页9.3.1 光学测风经纬
17、仪光学测风经纬仪n主要观测气球主要观测气球仰角仰角和和方位角方位角。n五八型、六三型、五八型、六三型、CFJ-1型、型、CFJ-2型型n使用：使用：n施放气球后，借助于经纬仪上的光学望远镜，施放气球后，借助于经纬仪上的光学望远镜，由人眼追踪气球，使其瞄准气球的位置，从由人眼追踪气球，使其瞄准气球的位置，从刻度盘上直接读出仰角和方位角的度数（精刻度盘上直接读出仰角和方位角的度数（精度一般为度一般为0.05度）度）第二十六页，本课件共有40页9.3.2 测风雷达测风雷达n让气球携带能够反射雷达波的反射靶在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天空飞翔，就可以定出气球在
18、每个时刻的位置，从而测定高空风。的位置，从而测定高空风。n701雷达是我国测风专用雷达。雷达是我国测风专用雷达。第二十七页，本课件共有40页9.3.2 测风雷达测风雷达n把气球上的反射靶换成回答器，就能增把气球上的反射靶换成回答器，就能增强回波的强度，这种雷达叫强回波的强度，这种雷达叫二次雷达二次雷达。n气球上的回答器收到地面雷达发来的询问脉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，实回答脉冲，回答脉冲被地面接收机接收，实现测距的目的。现测距的目的。第二十八页，本课件共有40页9.3.3
19、 无线电经纬仪无线电经纬仪n与测风雷达相比，具有低能耗，设备重与测风雷达相比，具有低能耗，设备重量轻的优点。量轻的优点。n共有两组天线共有两组天线n一组监测探空仪信号的仰角一组监测探空仪信号的仰角n另一组监测探空仪信号的方位角。另一组监测探空仪信号的方位角。第二十九页，本课件共有40页9.4 高空风的测量高空风的测量n气球轨迹法气球轨迹法n因追踪设备不同，分为：因追踪设备不同，分为：n单经纬仪测风单经纬仪测风n双经纬仪测风双经纬仪测风n二次雷达测风二次雷达测风nGPS导航测风导航测风第三十页，本课件共有40页9.4 高空风的测量高空风的测量n单经纬仪测风单经纬仪测风只能测出气球的仰角和方位角，
20、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气球高度由升速和施放时间推算。n气球升速是根据当时空气密度、球皮等附加物重量计气球升速是根据当时空气密度、球皮等附加物重量计算出气球净带力，按照净举力灌充氢气来确定。算出气球净带力，按照净举力灌充氢气来确定。n但由于大气湍流和空气密度随高度变化，以及氢气但由于大气湍流和空气密度随高度变化，以及氢气泄漏等因素的影响，气球升速不均匀导致高度误差泄漏等因素的影响，气球升速不均匀导致高度误差大，测风精度低。大，测风精度低。n在配合探空仪观测时，气象站用探空仪测得的温度，气在配合探空仪观测时，气象站用探空仪测得的温度，气压、湿度资料计算出气球高度。
21、压、湿度资料计算出气球高度。第三十一页，本课件共有40页9.4 高空风的测量高空风的测量n双经纬仪测风双经纬仪测风是在已知基线长度的两端，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。法计算气球高度和风向风速。n经纬仪测风只适用于能见度好的少云天气，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。见气球高度内测风。第三十二页，本课件共有40页9.4 高空风的测量高空风的测量
22、n无线电经纬仪测风无线电经纬仪测风n利用无线电定向原理，跟踪气球携带的探空利用无线电定向原理，跟踪气球携带的探空仪发射机信号，测得角座标数据，气球高度仪发射机信号，测得角座标数据，气球高度则由探空资料计算得出。则由探空资料计算得出。n因此无线电经纬仪适用于全天候，但当气球因此无线电经纬仪适用于全天候，但当气球低于其最低工作仰角时，测风精度将迅速降低于其最低工作仰角时，测风精度将迅速降低。低。第三十三页，本课件共有40页9.4 高空风的测量高空风的测量n雷达测风雷达测风n是利用雷达测定飞升的气球位置。是利用雷达测定飞升的气球位置。n它不仅测定气球的角座标，而且能测定它不仅测定气球的角座标，而且能
23、测定气球与雷达的距离，即斜距。气球与雷达的距离，即斜距。n由仰角、方位角、斜距计算高空风。由仰角、方位角、斜距计算高空风。第三十四页，本课件共有40页9.4 高空风的测量高空风的测量n雷达测风法又可分为雷达测风法又可分为一次雷达测风法一次雷达测风法和和二次雷达测风法二次雷达测风法。n前者是利用气球上悬挂的金属反射体反射雷前者是利用气球上悬挂的金属反射体反射雷达发射的脉冲信号，测定气球角座标和斜距；达发射的脉冲信号，测定气球角座标和斜距；n后者利用气球悬挂的发射回答器，当发射回后者利用气球悬挂的发射回答器，当发射回答器受雷达发射的脉冲激励后产生回答信号，答器受雷达发射的脉冲激励后产生回答信号，由
24、回答信号测定气球角座标和斜距。由回答信号测定气球角座标和斜距。第三十五页，本课件共有40页9.4 高空风的测量高空风的测量n显然，在相同的发射功率下，二次雷达显然，在相同的发射功率下，二次雷达比一次雷达探测距离更远，可测更高的比一次雷达探测距离更远，可测更高的高空风。高空风。n但随着技术的发展，发射功率已不是大但随着技术的发展，发射功率已不是大的技术障碍时，着眼于提高测风精度和的技术障碍时，着眼于提高测风精度和经济效应等方面，一次雷达测风也有其经济效应等方面，一次雷达测风也有其独特优势。独特优势。第三十六页，本课件共有40页探空仪即将拖放探空仪即将拖放 701雷达待命工作雷达待命工作第三十七页
25、，本课件共有40页9.5 风廓线雷达风廓线雷达n是一种遥感高空风向、风速分布的仪器。是一种遥感高空风向、风速分布的仪器。n当向大气层发射一束无线电波时，由于温度和湿度的湍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。射有所不同，称之为晴空散射。n由于散射气团随风飘移，沿雷达波束径向
26、的风速分量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。达波束径向的风速分量值。第三十八页，本课件共有40页9.5 风廓线雷达风廓线雷达n对风廓线雷达的主要评估结论：对风廓线雷达的主要评估结论：1)风廓线雷达网的资料达到了要求的精度和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；任何一种高空风测量系统；2
27、)风廓线雷达网的资料将会大大改善对危险风廓线雷达网的资料将会大大改善对危险天气的预报；天气的预报；3)观测到一些新的中层大气的天气动力现象，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；例如浅槽对雷暴雨的触发；第三十九页，本课件共有40页9.5 风廓线雷达风廓线雷达4)一些特殊现象的观测将有助于其他行业的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；需要，例如风切变的观测对于飞行导航；5)6min时段的风廓线资料能显示出锋面、短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波波动、气旋和重力波等天气系统和详实的演变过程；的演变过程；6)将风廓线资料实施同化后，明显地改善了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；临近数值预报的结果；7)整个系统运行可靠，可以由非专业人员进整个系统运行可靠，可以由非专业人员进行操作。行操作。第四十页，本课件共有40页