第八章_地面风观测

1第八章地面风的观测2知识结构EL型电接风向风速计3测风仪器的安装5概述1风的传感器2其他测风仪器4气象应用63§8.1概述4１.什么是风我们知道空气处于不停的运动之中。将空气的运动分解成垂直的和水平的两个分量，垂直分量称为空气的垂直运动（如对流运动），水平分量即是风。简而言之，风就是指空气的水平运动，风的运动既有速度又有方向，说明了风是一个矢量，因此风的观测包括风向和风速两项。5２.风有什么观测意义？风在天气预报中有着重要的作用，常作为良好的预报指标而广泛应用。风是一种自然力。我们可以利用风力发电；飞机选择适当的航线，就可以缩短飞行时间，减少油料消耗，并且也安全可靠；风也可以将湿空气带到干旱地区，以减少旱情。但是，大风也可以吹倒树木，使建筑物倒塌遭到破坏；由于暴风而产生的波浪危及航行中的船舶安全，也可变成怒涛冲击海岸，破坏海岸建筑物。总之，风既可以给我们带来福，也能带来灾。因此，在利用风力、防御风灾以及工矿、城市建设、军事活动及大气污染等方面都需要有关风的资料。6３.风向风向是指风的来向。人工观测：用十六方位表示，以拉丁文缩写记录；自动观测：以度（°）为单位。7４.风速风速是空气质点在单位时间内所移动的水平距离。以米/秒（m/s）为单位，定时观测取整数，自记记录取一位小数。最大风速：是指在某个时段内出现的最大10min平均风速值。极大风速（阵风）：是指某个时段内出现的最大瞬时风速值。瞬时风速：是指3s的平均风速。8４.风速（续）风的平均量：是指在规定时间段的平均值，有3s、1min、2min和10min的平均值。风速的常用单位是m/s。与其他风速单位的换算关系为：1m/s=3.6km/h=3.3尺/s=1.49里/h(节knots)=2.24哩/h9４.风速（续）风的预报服务及日常应用使用风力等级来代表风速的大小。蒲福风力等级（英国，1805年）：0—12共13个等级。现使用的风力标准是由1946年以来风力等级又作了扩充，增加到18个等级。我国自2006年6月15日起实施新的热带气旋等级划分。与过去不同：台风：中心最大风力12—13级；强台风：14—15级；超级台风：16级或以上。10等级名称陆上地物征象相当风速范围(m/s)中数0静风静，烟直上0.0～0.201软风烟能表示风向，树叶略有摇动0.3～1.512轻风人面感觉有风，树叶有微响，风向标能转动，旗飘动1.6～3.323微风树叶及小枝摇动不息，旗展开，高的草摇动不息3.4～5.444和风能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇。高的草呈波浪起伏5.5～7.975劲风有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波。高的草波浪起伏明显8.0～10.796强风大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难。高的草不时倾伏于地10.8～13.8127疾风全树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不便13.9～17.1168大风可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大17.2～20.7199烈风草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断20.8～24.42310狂风树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏24.5～28.42611暴风大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏28.5～32.63112飓风陆上少见，其摧毁力极大32.63311５.如何取得具有代表性的风资料？在观测中为了取得具有一定代表性的风向、风速资料，风的观测一般是取某一时段内的平均风速和最多风向。实验表明：取十分钟时段内的平均值即可以达到一定代表性的要求，在大多数风的阵性涨落不大的情况下，取2－3分钟时段内的平均值，也可达到一定代表性的要求。气象台站观测中，一般是取两分钟的平均风速和最多风向，自记仪器是取十分钟的平均风速和最多风向。12６.阵风所谓阵风（风的阵性）是指瞬时风向风速在平均值附近涨落的变化和分布特性。WMO关于“阵风”的定义是：在规定时间间隔（指十分钟）内，风速偏离其平均值的一个正的或负的偏距，其持续时间不超过两分钟者。风的阵性在航空、航海、建筑、大气污染和放射性微尘的扩散等方面都有广泛的应用。另外由于风的阵性变化（包括风向的突变或风速的迅变）常常伴随着其它气象要素的变化，标志着某种天气过程的发生或演变，因此，对风的阵性研究很受重视。13不难理解，测定平均风速时，仪器要有优良的积分性能（即自动平均能力）；要是测定阵风，仪器应能反映瞬时风速，自动平均能力良好反而不利。因此——14§8.2风的传感器15风向标是各种测风仪器中用以指示风向的最主要的部件。分为头部（维持平衡也称平衡锤）、水平杆与尾翼三部分。整个风向标可绕垂直轴旋转。它的重心正好在转动轴的轴心上。风向感应器§8.2.1风的感应器1617当风的来向与风向标成某一个交角时，风对风向标产生压力，这个力可分解成平行和垂直于风向标的两个分力。由于风向标头部受风面积较小，尾翼受风面积较大，因而感受的风压不相等，垂直于尾翼的风压产生风压力矩，使风向标绕垂直轴旋转，直至风向标头部正好对着风的来向时，由于翼板两边受力平衡，风向标就稳定在某一位置。18风向标都应满足在小风速或风向改变不大的情况下，能很快地反映出风向变化来当风向改变时，由风向标本身惯性作用引起的摆动要小灵敏性1920常见的风向标双叶型风向标菱形风向标流线型风向标2122ａ．双叶型风向标：尾翼由两个分开的叶片组成，两翼有20°左右的张角，增大了垂直方向上的风压，所以灵敏性较好。同时由于张角的存在，当风标做惯性转动时，受到摆回平衡位置的力也要大些，所以稳定性也较好。双叶型尾翼的最大缺陷，是尾翼对气流的破坏较严重，引起了尾翼后的涡流。ｂ．菱型风向标：是比较理想的风向标，它的体积和重量都较小；另外，尾翼透空，气流从尾翼透空部分通过，形成一股强气流，使得尾翼不易摆动，并将尾部形成的涡流带走，使得气流稳定。所以它的灵敏性、稳定性都很好。ｃ．流线性风向标：具有菱型风向标的优点。但是，制造上较难，容易变形。23§8.2.2风向传感器传送和指示风向标所在方位的方法：•机械传送•电接式传送•电位计式传送•光电转换（格雷码盘）格雷码盘将风向标轴的转动角度的度数变换成一个二进制的数字信号。当风向标随着气流的运动而转动时，风向轴带动格雷码盘与风向标同时转动,从而输出七位格雷码信号，将机械位置信号转换成电信号。十进制与通用二进制码以及格雷码的转换见表8-3。2425二进制代码与格雷码相互转换26§8.2.3风杯式风速感应器风速感应器目前普遍采用的测定风速的仪器为风杯形风速器，它的感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形固定在架子上的风杯组成。整个架子连同风杯装在一个可以自由转动的轴上，所有的风杯都顺着一面。在风压的作用下，风杯就顺着圆锥（球形）的凸面方向自由旋转。2728§8.2.3风杯式风速感应器当风从左方吹来时，风杯（1）与风向平行，风对风杯（1）的压力在最直于风杯轴方向上的分力近似为零。风杯（2）与（3）同风向成60·角相交，对风杯（2）而言，其凹面迎着风，承受的风压最大;风杯（3）其凸面迎风，风的绕流作用使其所受风压比风杯（2）小，由于风杯（2）与风杯（3）在垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。但风杯开始转动后，由于杯（2）顺着风的方向转动，受风的压力相对减小，而杯（3）迎着风以同样的速度转动，所受风压相对增大，风压差不断减小，经过一段时间后（风速不变时），作用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动。这样根据风杯的转速（每秒钟转的圈数）就可以确定风速的大小。29§8.2.4螺旋桨式风速感应器工作原理：螺旋桨式风速感应器对准气流的叶片系统受到风压作用，产生一定的扭力矩，使叶片系统转动。它的转速与风速能保持一定的关系（满足一定条件时，转速与风速成正比）。30§8.2.5风速传感器传送和指示风速的方法：•机械式•电接式•磁感式•光电式（多齿光盘）多齿光盘固定在风杯轴上，盘上有等距的孔，光盘上面装有发光二极管，下面装有光敏三极管。当风杯带着光盘转动时，由于孔的不连续性，光敏三极管时而导通时而截止，形成光脉冲信号，每一个脉冲信号代表一定的风程。这样就能得到与风杯转速成正比的频率信号。由计数器计数，经转换即可得到实际的风速。31§8.3EL型电接风向风速计1.基本组成（1）感应器a.风速部分的组成及各部分的作用b.风向部分的组成及各部分的作用（2）指示器a.基本组成b.瞬时风速指示部分c.瞬时风向指示部分（3）记录器328.3.1感应器风向部分由：•风向标•风向方位块•导电环•接触簧片等组成；风速部分由：•风杯•交流发电机•蜗轮等组成。3335§8.3EL型电接风向风速计瞬时风速指示部分瞬时风向指示部分记录器风速记录部分风向记录部分36电接风向风速计指示器瞬时风速指示电路37瞬时风向指示电路直流电源保护装置接线图电接风向风速计记录器——由八个风向电磁铁、一个风速电磁铁、自记钟、自记笔、笔杆、干电池接头等组成39风速记录机构风向记录机构40§8.4其他测风仪器热线风速表声风速表轻便风向风速表EN型系列测风数据处理仪单翼风向风杯风速传感器螺旋桨式风向风速感应器海岛自动测风系统41§8.4其他测风仪器——热线风速表热线风速表是利用一根被加热的金属丝置于空气中，散热速率与周围空气的流速有关，利于这种特性来测量风速。热线风速表有旁热型和直热型两种类型。相比较直热型的时间常数比旁热型要小，这样能更精确地测量风速随时间的瞬间变化。直热型风速表可以采用两种工作方式：恒流式和恒阻（恒温）式。气温变化、仪器本身的灵敏度变化、热线方向与气流方向不垂直以及空气密度都将对热线风速表测量风速造成影响。42§8.4其他测风仪器——声风速表声风速表是利用声波在空气中的传播速度与风速之间的函数关系测量风速的。43§8.4其他测风仪器——轻便风向风速表轻便风向风速表是测量风向和一分钟内平均风速的仪器，它用于野外考察或气象站仪器损坏时的备份。构造：•风杯感应部分•机械指示部分感应部分：四个半球形风杯刻度盘中心大指针指示十位数和个位数，右边小指针指示百位数，左边小指针指示千位数。44仪器的右下方有一启动开关。将它拉起或按下，就可以使刻度盘内的齿轮部分与中心轴下部的螺纹相接或离开。轻便风速表一般用于小气候观测或特殊观测。§8.4其他测风仪器——轻便风向风速表DEM6型轻便风向风速表：测定风向风速，携带方便DEM5-1型磁感风向风速表：测定风向风速，携带方便45•使用：•仪器安置在四面开阔不阻碍风速的地方，高度可以根据观测目的来确定，要注意保持表身垂直且读数方便。•风速表在观测前，应读出所有指针示度记入观测薄中。•到观测时间，拉启动开关，使风杯与数字盘接通，同时，应开动秒表，观测者需向仪器背风面后退数步，以免影响仪器附近的空气自由流通。•到了预定时间时，关闭启动开关，记下第二次指针示度。•根据两次读数算出其差数，并记入观测薄内。•其差值表示：开关从打开到关闭时间间隔内，风速表指针所走过的刻度数（米），将此差数除以指针所走的持续时间（秒），则为每秒刻度，准确到一位小数。•计算出的刻度数经过所附检定表订正后，就得到所测的风速。§8.4其他测风仪器——轻便风向风速表46§8.4其他测风仪器热线风速表声风速表轻便风向风速表EN型系列测风数据处理仪单翼风向风杯风速传感器螺旋桨式风向风速感应器海岛自动测风系统EN型系列测风数据处理仪与特定感应器配套可以组成EN1型和EN2型两种自动测风仪。主要功能有：定时打印输出二分钟、十分钟平均风向风速；打印输出大风报警、航危报大风报警及解除警报的风向、风速及其出现时间，发出报警信号．47EN型自动测风仪：定时打印输出瞬时、平均风向风速，并能挑选极值，进行统计。48§8.4其他测风仪器热线风速表声风速表轻便风向风速表EN型系列测风数据处理仪单翼风向风杯风速传感器螺旋桨式风向风速感应器海岛自动测风系统风向感应器为单翼风标。当风标转动时，带动格雷码盘，按照码盘切槽的设计，码盘每转动2.8°，光电管组就会产生新的七位并行格雷码输出。49§8.4其他测风仪器热线风速表声风速表轻便风向风速表EN型系列测风数据处