第九章高空風的測量

第九章高空風的測量1第一頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法大氣中各種物理過程和天氣的變化都是在三維空間中進行的，不同層次大氣的性質和過程各不相同，地面以上各高度上的氣流情況就有很大的差異，因此必須進行高空觀測以取得空中各高度上的氣象要素值。大氣在空間的運動基本上是水平的，氣流在垂直方向的分量與水平方向的分量相比，一般是很小的。第二頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法測量近地面直至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，確定其空間位置的座標值，可求出氣球所經過高度上的平均風向風速。第三頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法垂直氣流對于很多大氣過程(例如云的形成和發(fā)展、天氣系統(tǒng)的發(fā)展)是極為重要的因素，但是垂直氣流的測量方法比較復雜，目前還不夠成熟。第四頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法高空風測量單位：風速為m／s；風向為方位度，以正為0度，全方位為360度，順時針旋轉。如果是指某一等壓面高度上的風，高度單位取位勢米。第五頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法高空風的測量方法由于升空觀測條件的限制，具有與地面測風方法不同的特點。第六頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法高空風測量法可分為兩大類：根據(jù)氣流對測風儀器的動力作用(壓力的方向和大小)來測定各高度上的風向、風速。這類方法廣泛用于測定地面風測高空風時，就需要使用升空裝置(系留氣球、飛機等)將測風儀(風杯、風標、風壓管等)帶到各個高度上，但在觀測高度、觀測時間上受到限制。第七頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法根據(jù)隨氣流飄動的物體在空中運動的軌跡，從而測定出風向、風速。這類方法稱軌跡法，在高空觀測中廣泛采用。用來測風的飄浮物體，要求其慣性很小，沒有相對于空氣的水平運動的對象才能作為氣流水平方向運動軌跡的示蹤物。示蹤物在水平方向運動的方向和速度就是風向、風速。需要指出的是，這樣求出的風向、風速是某一時段或某一氣層厚度內氣流方向和速度的平均值。第八頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法高空風測量中使用的示蹤物一般是灌滿氫氣的氣球，即測風氣球。此外，天空中云團、人工施放的煙團和鋁箔也可作為示蹤物。第九頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法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．第十頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法為了測定地面以上至空中三十多公里各高度上的風，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向、風速．第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日9.1高空風的觀測方法按定為方法，氣球軌跡法測風可以分為三類：①單點測風。②基線測風，或稱為雙點(經緯儀)測風．、③導航測風。這三類方法所使用的儀器設備及測定的參量見表9.1，P230第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日9.2氣象氣球第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日9.2.1概述氣球是目前高空觀測中使用的主要工具。按照使用目的，可分為三類：探空氣球作為各種大氣探測儀器升空運載工具分無線電探空氣球、平移氣球、系留氣球等測風氣球作為氣球運動軌跡的示蹤物測云氣球測定云層高度的云幕氣球第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日測風氣球第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日9.2.2氣球的一般性質膨脹型球皮由伸縮性較大的橡皮制成充氣后，球內外壓力差很小，可隨大氣壓的降低而自由膨脹，直到破裂為止一般用于大氣的垂直探測，如探空儀非膨脹型球皮由聚乙烯塑料薄膜、聚酯薄膜制成一般在超壓狀態(tài)下工作，球皮幾乎無伸縮性用于水平探測，制作定高氣球、系留氣球等第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日9.2.3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。單經緯儀測風要根據(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。第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日9.2.3氣球的上升速度使氣球具有規(guī)定升速的方法：按當時的空氣密度充灌氫氣，使氣球具有相應的凈舉力。向氣球內充灌氫氣時，可以用浮力天平或平衡器控制其凈舉力。第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日9.2.3氣球的上升速度氣球實際升速與計算值的偏差：2Km以下，接近地面時偏差最大；2~12Km高度范圍內偏差不大。建議將氣球在施放頭5分鐘內的計算升速值加以訂正：施放后的第1分鐘將升速增加20%施放后的第2、3分鐘將升速增加10%施放后的第4、5分鐘將升速增加5%第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日9.2.4平移氣球就是設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，即風向和風速。第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日9.2.4平移氣球平移氣球主要有兩種：隨遇平衡平移氣球球皮基本上沒有張力，它能隨氣球上下顛簸，始終保持凈舉力為零。等容超壓平移氣球球皮由某種膨脹伸縮積弱的薄膜制成，當氣球達到固定高度后，由于球內壓力不斷加大，與四周大氣壓力維持在一個較高的壓差。當壓差逐漸加大，氣球內氫氣（或氦氣）的密度增高，使氣球的凈舉力達到零，因而使氣球維持在一個等密度面上平移。第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日9.2.5其他用途氣球系留氣球用纜繩拴在地面絞車上，能控制浮升高度的氣球。通常用聚脂薄膜做成流線形，纜繩長度及與地面交角可以估算氣球距地面高度，它可以攜帶測量儀器在指定高度作數(shù)小時連續(xù)測量，用完后收回作多次使用。特別適用于大氣污染監(jiān)測和研究大氣邊界層等。第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日系留氣球第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日9.2.5其他用途氣球洛賓（ROBIN）氣球下投式垂直探空氣球，非膨脹型。棘面氣球（Jimsphere）用于雷達測風的氣球，直徑2米。第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日9.3球定氣球位置的儀器設備光學測風經緯儀、雷達、二次雷達、無線電經緯儀，以及GPS衛(wèi)星導航定位技術。小球測風——光學測風經緯儀，角坐標測量精度高，受天氣條件限制無線電探空儀——二次雷達，測角精度低于光學測風經緯儀。第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日9.3.1光學測風經緯儀主要觀測氣球仰角和方位角。五八型、六三型、CFJ-1型、CFJ-2型使用：施放氣球后，借助于經緯儀上的光學望遠鏡，由人眼追蹤氣球，使其瞄準氣球的位置，從刻度盤上直接讀出仰角和方位角的度數(shù)（精度一般為0.05度）第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日9.3.2測風雷達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。701雷達是我國測風專用雷達。第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日9.3.2測風雷達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，實現(xiàn)測距的目的。第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日9.3.3無線電經緯儀與測風雷達相比，具有低能耗，設備重量輕的優(yōu)點。共有兩組天線一組監(jiān)測探空儀信號的仰角另一組監(jiān)測探空儀信號的方位角。第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日9.4高空風的測量氣球軌跡法因追蹤設備不同，分為：單經緯儀測風雙經緯儀測風二次雷達測風GPS導航測風第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日9.4高空風的測量單經緯儀測風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。氣球升速是根據(jù)當時空氣密度、球皮等附加物重量計算出氣球凈帶力，按照凈舉力灌充氫氣來確定。但由于大氣湍流和空氣密度隨高度變化，以及氫氣泄漏等因素的影響，氣球升速不均勻導致高度誤差大，測風精度低。在配合探空儀觀測時，氣象站用探空儀測得的溫度，氣壓、濕度資料計算出氣球高度。第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日9.4高空風的測量雙經緯儀測風是在已知基線長度的兩端，架設兩架經緯儀同步觀測，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向風速。經緯儀測風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測風。第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日9.4高空風的測量無線電經緯儀測風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，測得角座標數(shù)據(jù)，氣球高度則由探空資料計算得出。因此無線電經緯儀適用于全天候，但當氣球低于其最低工作仰角時，測風精度將迅速降低。第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日9.4高空風的測量雷達測風是利用雷達測定飛升的氣球位置。它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。第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日9.4高空風的測量雷達測風法又可分為一次雷達測風法和二次雷達測風法。前者是利用氣球上懸掛的金屬反射體反射雷達發(fā)射的脈沖信號，測定氣球角座標和斜距；后者利用氣球懸掛的發(fā)射回答器，當發(fā)射回答器受雷達發(fā)射的脈沖激勵后產生回答信號，由回答信號測定氣球角座標和斜距。第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日9.4高空風的測量顯然，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。但隨著技術的發(fā)展，發(fā)射功率已不是大的技術障礙時，著眼于提高測風精度和經濟效應等方面，一次雷達測風也有其獨特優(yōu)勢。第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日探空儀即將拖放701雷達待命工作第三十七頁，共四十頁，2022年，8月28日9.5風廓線雷達是一種遙感高空風向、風速分布的儀器。當向大氣層發(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)產生相應的漲落，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生一定功率的回波信號，這種回波信號與大氣的云雨質點回波散射有所不同，稱之為晴空散射。由于散射氣團隨風飄移，沿雷達波束徑向的風速分量的大小將導致回波信號產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速分量值。第三十八頁，共四十頁，2022年，8月28日9.5風廓線雷達對風廓線雷達的主要評估結論：風廓線雷達網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測量系統(tǒng)；