高空風(fēng)的測量-2

高空風(fēng)的測量1第1頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四9.1

高空風(fēng)的觀測方法2第2頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

大氣中各種物理過程和天氣的變化都是在三維空間中進(jìn)行的，不同層次大氣的性質(zhì)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(jìn)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(yùn)動(dòng)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。9.1

高空風(fēng)的觀測方法3第3頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四測量近地面直至30公里高空的風(fēng)向風(fēng)速。

通常將飛升氣球作為隨氣流移動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，用地面設(shè)備（經(jīng)緯儀或雷達(dá)）跟蹤氣球的飛升軌跡，讀取其時(shí)間間隔的仰角、方位角、斜距，確定其空間位置的座標(biāo)值，可求出氣球所經(jīng)過高度上的平均風(fēng)向風(fēng)速。9.1

高空風(fēng)的觀測方法4第4頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

垂直氣流對(duì)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(fù)雜，目前還不夠成熟。9.1

高空風(fēng)的觀測方法5第5頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四高空風(fēng)測量單位：風(fēng)速為m／s；

風(fēng)向?yàn)榉轿欢?，以正?度，全方位為360度，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

如果是指某一等壓面高度上的風(fēng)，高度單位取位勢米。9.1

高空風(fēng)的觀測方法6第6頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

高空風(fēng)的測量方法由于升空觀測條件的限制，具有與地面測風(fēng)方法不同的特點(diǎn)。9.1

高空風(fēng)的觀測方法7第7頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四高空風(fēng)測量法可分為兩大類：根據(jù)氣流對(duì)測風(fēng)儀器的動(dòng)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。這類方法廣泛用于測定地面風(fēng)

測高空風(fēng)時(shí)，就需要使用升空裝置(系留氣球、飛機(jī)等)將測風(fēng)儀(風(fēng)杯、風(fēng)標(biāo)、風(fēng)壓管等)帶到各個(gè)高度上，但在觀測高度、觀測時(shí)間上受到限制。9.1

高空風(fēng)的觀測方法8第8頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四2)

根據(jù)隨氣流飄動(dòng)的物體在空中運(yùn)動(dòng)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?！觥?/p>

用來測風(fēng)的飄浮物體，要求其慣性很小，沒有相對(duì)于空氣的水平運(yùn)動(dòng)的對(duì)象才能作為氣流水平方向運(yùn)動(dòng)軌跡的示蹤物。示蹤物在水平方向運(yùn)動(dòng)的方向和速度就是風(fēng)向、風(fēng)速。需要指出的是，這樣求出的風(fēng)向、風(fēng)速是某一時(shí)段或某一氣層厚度內(nèi)氣流方向和速度的平均值。9.1

高空風(fēng)的觀測方法9第9頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

高空風(fēng)測量中使用的示蹤物一般是灌滿氫氣的氣球，即測風(fēng)氣球。

此外，天空中云團(tuán)、人工施放的煙團(tuán)和鋁箔也可作為示蹤物。9.1

高空風(fēng)的觀測方法10第10頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四我們可以使氣球以三種方式在空中飄浮：

①氣球只飄浮在某一高度(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．9.1

高空風(fēng)的觀測方法11第11頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

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(yùn)動(dòng)軌跡即可計(jì)算出大氣各層中的平均風(fēng)向、風(fēng)速．9.1

高空風(fēng)的觀測方法12第12頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

按定為方法，氣球軌跡法測風(fēng)可以分為三類：①單點(diǎn)測風(fēng)。②基線測風(fēng)，或稱為雙點(diǎn)(經(jīng)緯儀)測風(fēng)．

、③導(dǎo)航測風(fēng)。

這三類方法所使用的儀器設(shè)備及測定的參量見表9.1，P2309.2

氣象氣球13第13頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四9.2.1

概述14第14頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四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(yùn)載工具分無線電探空氣球、平移氣球、系留氣球等測風(fēng)氣球作為氣球運(yùn)動(dòng)軌跡的示蹤物測云氣球測定云層高度的云幕氣球測風(fēng)氣球15第15頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四9.2.2

氣球的一般性質(zhì)16第16頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四膨脹型球皮由伸縮性較大的橡皮制成

充氣后，球內(nèi)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9.2.3

氣球的上升速度17第17頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

對(duì)于上升類氣球，控制其上升速度極為重要。單經(jīng)緯儀測風(fēng)

要根據(jù)氣球升速計(jì)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(shí)間計(jì)算云低高度。9.2.3

氣球的上升速度18第18頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四使氣球具有規(guī)定升速的方法：

按當(dāng)時(shí)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(shí)，可以用浮力天平或平衡器控制其凈舉力。9.2.3

氣球的上升速度19第19頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四氣球?qū)嶋H升速與計(jì)算值的偏差：2Km以下，接近地面時(shí)偏差最大；2~12Km高度范圍內(nèi)偏差不大。

建議將氣球在施放頭5分鐘內(nèi)的計(jì)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%9.2.4

平移氣球20第20頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

就是設(shè)法使氣球在某一選定的高度上達(dá)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(dòng)，使用追蹤定位設(shè)備測定氣球在各個(gè)時(shí)刻的位置，就可計(jì)算出在選定高度上，氣球位于不同xy坐標(biāo)點(diǎn)

上的位移，即風(fēng)向和風(fēng)速。9.2.4

平移氣球21第21頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四平移氣球主要有兩種：1)

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。2)

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(dāng)氣球達(dá)到固定高度后，由于球內(nèi)壓力不斷加大，與四周大氣壓力維持在一個(gè)較高的壓差。當(dāng)壓差逐漸加大，氣球內(nèi)氫氣（或氦氣）的密度增高，使氣球的凈舉力達(dá)到零，因而使氣球維持在一個(gè)等密度面上平移。9.2.5

其他用途氣球22第22頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四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(shí)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。系留氣球23第23頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四9.2.5

其他用途氣球24第24頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四洛賓（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(dá)測風(fēng)的氣球，直徑2米。9.3

球定氣球位置的儀器設(shè)備25第25頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀、雷達(dá)、二次雷達(dá)、無線電經(jīng)緯儀，以及GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)。

小球測風(fēng)——光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀，角坐標(biāo)測量精度高，受天氣條件限制

無線電探空儀——二次雷達(dá)，測角精度低于光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀。9.3.1

光學(xué)測風(fēng)經(jīng)緯儀26第26頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四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(jīng)緯儀上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，由人眼追蹤氣球，使其瞄準(zhǔn)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）9.3.2

測風(fēng)雷達(dá)27第27頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

讓氣球攜帶能夠反射雷達(dá)波的反射靶在天空飛翔，就可以定出氣球在每個(gè)時(shí)刻的位置，從而測定高空風(fēng)。701雷達(dá)是我國測風(fēng)專用雷達(dá)。9.3.2

測風(fēng)雷達(dá)28第28頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

把氣球上的反射靶換成回答器，就能增強(qiáng)回波的強(qiáng)度，這種雷達(dá)叫二次雷達(dá)。

氣球上的回答器收到地面雷達(dá)發(fā)來的詢問脈沖后，立即發(fā)射一個(gè)脈沖代替反射波，稱為回答脈沖，回答脈沖被地面接收機(jī)接收，實(shí)現(xiàn)測距的目的。9.3.3

無線電經(jīng)緯儀29第29頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

與測風(fēng)雷達(dá)相比，具有低能耗，設(shè)備重量輕的優(yōu)點(diǎn)。共有兩組天線一組監(jiān)測探空儀信號(hào)的仰角另一組監(jiān)測探空儀信號(hào)的方位角。9.4

高空風(fēng)的測量30第30頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四氣球軌跡法因追蹤設(shè)備不同，分為：單經(jīng)緯儀測風(fēng)雙經(jīng)緯儀測風(fēng)二次雷達(dá)測風(fēng)GPS導(dǎo)航測風(fēng)9.4

高空風(fēng)的測量31第31頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

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(shí)間推算。

氣球升速是根據(jù)當(dāng)時(shí)空氣密度、球皮等附加物重量計(jì)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?qū)е赂叨日`差大，測風(fēng)精度低。

在配合探空儀觀測時(shí)，氣象站用探空儀測得的溫度，氣壓、濕度資料計(jì)算出氣球高度。9.4

高空風(fēng)的測量32第32頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

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(jì)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)。9.4

高空風(fēng)的測量33第33頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四無線電經(jīng)緯儀測風(fēng)

利用無線電定向原理，跟蹤氣球攜帶的探空儀發(fā)射機(jī)信號(hào)，測得角座標(biāo)數(shù)據(jù)，氣球高度則由探空資料計(jì)算得出。

因此無線電經(jīng)緯儀適用于全天候，但當(dāng)氣球低于其最低工作仰角時(shí)，測風(fēng)精度將迅速降低。9.4

高空風(fēng)的測量34第34頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四雷達(dá)測風(fēng)是利用雷達(dá)測定飛升的氣球位置。

它不僅測定氣球的角座標(biāo)，而且能測定氣球與雷達(dá)的距離，即斜距。由仰角、方位角、斜距計(jì)算高空風(fēng)。9.4

高空風(fēng)的測量35第35頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

雷達(dá)測風(fēng)法又可分為一次雷達(dá)測風(fēng)法和二次雷達(dá)測風(fēng)法。

前者是利用氣球上懸掛的金屬反射體反射雷達(dá)發(fā)射的脈沖信號(hào)，測定氣球角座標(biāo)和斜距；

后者利用氣球懸掛的發(fā)射回答器，當(dāng)發(fā)射回答器受雷達(dá)發(fā)射的脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生回答信號(hào)，由回答信號(hào)測定氣球角座標(biāo)和斜距。9.4

高空風(fēng)的測量36第36頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四

顯然，在相同的發(fā)射功率下，二次雷達(dá)比一次雷達(dá)探測距離更遠(yuǎn)，可測更高的高空風(fēng)。

但隨著技術(shù)的發(fā)展，發(fā)射功率已不是大的技術(shù)障礙時(shí)，著眼于提高測風(fēng)精度和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)等方面，一次雷達(dá)測風(fēng)也有其獨(dú)特優(yōu)勢。探空儀即將拖放37第37頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四701雷達(dá)待命工作9.5

風(fēng)廓線雷達(dá)38第38頁，共40頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)10分，星期四是一種