現(xiàn)代大氣探測學-第七講-地面風的測量-夏俊榮

1、南京信息工程大學南京信息工程大學 夏俊榮夏俊榮 致 謝 本課程多媒體教材是在蘭州大學張文煜教授的同類教材基礎之上修改完成，此外還得到了其他諸位老師的幫助，在此謹表示衷心感謝。 第七講 地面風的觀測 知識結構知識結構ELEL型電接風向風速型電接風向風速計計3測風儀器的安裝測風儀器的安裝 5概述概述1風的傳感器風的傳感器2其他測風儀器其他測風儀器 4氣象應用氣象應用68.1 概述.什么是風風風- -空氣的水平運動，矢量空氣的水平運動，矢量風向風向風速風速2.風向 風向風向- -風的風的來向來向十六方位十六方位3.風速風速風速- -空氣質(zhì)點在單位時間內(nèi)所空氣質(zhì)點在單位時間內(nèi)所移動的水平距離移動的水平

2、距離單位單位- -米米/ /秒秒記錄記錄- -定時觀測取整數(shù)，自記記定時觀測取整數(shù)，自記記錄取一位小數(shù)錄取一位小數(shù)等等級級 名名 稱稱陸陸 上上 地地 物物 征征 象象相相 當當 風風 速速范圍范圍(m/s)中數(shù)中數(shù)0靜風靜風靜，煙直上靜，煙直上0.00.201軟風軟風煙能表示風向，樹葉略有搖動煙能表示風向，樹葉略有搖動0.31.512輕風輕風人面感覺有風，樹葉有微響，風向標能轉(zhuǎn)動，旗飄動人面感覺有風，樹葉有微響，風向標能轉(zhuǎn)動，旗飄動1.63.323微風微風樹葉及小枝搖動不息，旗展開，高的草搖動不息樹葉及小枝搖動不息，旗展開，高的草搖動不息3.45.444和風和風能吹起地面灰塵和紙張，樹枝動搖

3、。高的草呈波浪起伏能吹起地面灰塵和紙張，樹枝動搖。高的草呈波浪起伏5.57.975勁風勁風有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有小波。高的草波浪起伏明顯有葉的小樹搖擺，內(nèi)陸的水面有小波。高的草波浪起伏明顯8.010.796強風強風大樹枝搖動，電線呼呼有聲，撐傘困難。高的草不時傾伏于地大樹枝搖動，電線呼呼有聲，撐傘困難。高的草不時傾伏于地10.813.8127疾風疾風全樹搖動，大樹枝彎下來，迎風步行感覺不便全樹搖動，大樹枝彎下來，迎風步行感覺不便13.917.1168大風大風可折毀小樹枝，人迎風前行感覺阻力甚大可折毀小樹枝，人迎風前行感覺阻力甚大17.220.7199烈風烈風草房遭受破壞，屋瓦被掀起，大樹

4、枝可折斷草房遭受破壞，屋瓦被掀起，大樹枝可折斷20.824.42310狂風狂風樹木可被吹倒，一般建筑物遭破壞樹木可被吹倒，一般建筑物遭破壞24.528.42611暴風暴風大樹可被吹倒，一般建筑物遭嚴重破壞大樹可被吹倒，一般建筑物遭嚴重破壞28.532.63112颶風颶風陸上少見，其摧毀力極大陸上少見，其摧毀力極大32.6334.如何取得具有代表性的風資料？(12大探) 風的觀測一般是風的觀測一般是取某一時段內(nèi)的平均風速取某一時段內(nèi)的平均風速和最多風向和最多風向 氣象臺站觀測中，一般是取氣象臺站觀測中，一般是取兩分鐘兩分鐘的平均的平均風速和最多風向，風速和最多風向，自記儀器自記儀器是取是取十分鐘

5、十分鐘的平均風的平均風速和最多風向速和最多風向風速風向平均風速 算術平均法計算平均風向時存在的問題： 在處理風向平均時需要特別注意風向過北（即風向變化跨0）時導致結果失真的問題 四種方法： 算術平均法、標量平均法、矢量平均法以及單位矢量法 cossinxyVVVV 1111nxxiinyyiiVVnVVnVVxVy0風矢量示意圖風矢量示意圖 arctan(/)xyVV矢量平均法5.5.陣風陣風 陣風（風的陣性）陣風（風的陣性）- -瞬時風向風速在平瞬時風向風速在平均值附近漲落的變化和分布特性。均值附近漲落的變化和分布特性。WMOWMO定義定義- -在規(guī)定時間間隔（指十分鐘）在規(guī)定時間間隔（指十

6、分鐘）內(nèi)，風速偏離其平均值的一個正的或內(nèi)，風速偏離其平均值的一個正的或負的偏距，其持續(xù)時間不超過兩分鐘負的偏距，其持續(xù)時間不超過兩分鐘者。者。測平均風速時，儀器要有優(yōu)良的積分測平均風速時，儀器要有優(yōu)良的積分性能（即自動平均能力）；性能（即自動平均能力）；測陣風，儀器應能反映瞬時風速，自測陣風，儀器應能反映瞬時風速，自動平均能力良好反而不利動平均能力良好反而不利8.2 風的傳感器風的感應器頭部（平衡錘）頭部（平衡錘）水平桿水平桿尾翼尾翼風向感應器8.2 風的傳感器 靈敏性靈敏性穩(wěn)定穩(wěn)定性性 當尾翼所受風壓力矩當尾翼所受風壓力矩 風向標靜摩擦力矩時，即在一風向標靜摩擦力矩時，即在一定的起動風速定的

7、起動風速V V下，風向標才能轉(zhuǎn)動。各種風向標下，風向標才能轉(zhuǎn)動。各種風向標的起動風速都不相同的起動風速都不相同風向標應滿足在小風速或風向改變不大的情況下，能很快地反映出風向變化來當風向改變時，由風向標本身慣性作用引起的擺動要小 風向標起動風速風向標起動風速 一般風向標一般風向標 0.5 m/s 較好的風向標較好的風向標 0.3m/s 風速資料處理注意要點？風速資料處理注意要點？常見的風向標雙葉型風向標菱形風向標流線型風向標8.2 8.2 風的傳感器風的傳感器風杯風速器風杯風速器 風速感應器過高效應？過高效應？ 1）慣性）慣性 2） 垂直氣流垂直氣流 3） 風向脈動風向脈動 一般的風杯風速表一般

8、的風杯風速表 過高效應過高效應 10%風向和風速的傳送風向標：風向標：機械傳送、電接式傳送、電位計機械傳送、電接式傳送、電位計式傳送、光電轉(zhuǎn)換即格雷碼盤等，其中最式傳送、光電轉(zhuǎn)換即格雷碼盤等，其中最常用的是常用的是格雷碼盤格雷碼盤風速：風速：機械式、電接式、電機式、磁感式機械式、電接式、電機式、磁感式和光電式即多齒光盤等，其中最常用的風和光電式即多齒光盤等，其中最常用的風速傳感器是速傳感器是多齒光盤多齒光盤 格雷碼盤格雷碼盤8.3 EL8.3 EL型電接風向風速計型電接風向風速計 （已淘汰）（已淘汰）1.1.基本組成基本組成 （1 1）感應器）感應器 a.a.風速部分的組成及各部分的作用風速部

9、分的組成及各部分的作用 b.b.風向部分的組成及各部分的作用風向部分的組成及各部分的作用 （2 2）指示器）指示器 a.a.瞬時風速指示部分瞬時風速指示部分 b.b.瞬時風向指示部分瞬時風向指示部分 （3 3）記錄器）記錄器 a.a.瞬時風速記錄部分瞬時風速記錄部分 b.b.瞬時風向記錄部分瞬時風向記錄部分8.3.1感應器 風向部分由風風向部分由風向標、風向方位塊、向標、風向方位塊、導電環(huán)、接觸簧片導電環(huán)、接觸簧片等組成；等組成； 風速部分由風速部分由風杯、交流發(fā)電機、風杯、交流發(fā)電機、蝸輪等組成蝸輪等組成 8.3 EL型電接風向風速計 （淘汰）指示器指示器瞬時風速指示部分瞬時風向指示部分瞬時

10、風向指示部分記錄器記錄器風速記錄部分風速記錄部分風向記錄部分風向記錄部分EL電接風向風速電接風向風速計計記錄器記錄器EL電接風向風速電接風向風速計計指示器指示器8.4 其他測風儀器熱線風速表熱線風速表 聲風速表聲風速表輕便風向風速表輕便風向風速表 ENEN型系列測風數(shù)據(jù)處理儀型系列測風數(shù)據(jù)處理儀單翼風向風杯風速傳感器傳感器單翼風向風杯風速傳感器傳感器螺旋槳式風向風速感應器螺旋槳式風向風速感應器海島自動測風系統(tǒng)海島自動測風系統(tǒng) 熱線風速表熱線風速表是利用一根被加是利用一根被加熱的金屬絲置于熱的金屬絲置于空氣中，散熱速空氣中，散熱速率與周圍空氣的率與周圍空氣的流速有關，利用流速有關，利用這種特性來

11、測量這種特性來測量風速。風速。 聲風速表是利聲風速表是利用聲波在空氣中的用聲波在空氣中的傳播速度與風速之傳播速度與風速之間的函數(shù)關系測量間的函數(shù)關系測量風速的。風速的。8.4 其他測風儀器熱線風速表熱線風速表 聲風速表聲風速表輕便風向風速表輕便風向風速表 ENEN型系列測風數(shù)據(jù)處理儀型系列測風數(shù)據(jù)處理儀單翼風向風杯風速傳感器傳感器單翼風向風杯風速傳感器傳感器螺旋槳式風向風速感應器螺旋槳式風向風速感應器海島自動測風系統(tǒng)海島自動測風系統(tǒng) 輕便風向輕便風向風速表是測量風速表是測量風向和一分鐘風向和一分鐘內(nèi)平均風速的內(nèi)平均風速的儀器，它用于儀器，它用于野外考察或氣野外考察或氣象站儀器損壞象站儀器損壞時

12、的備份。時的備份。 8.4 其他測風儀器熱線風速表熱線風速表 聲風速表聲風速表輕便風向風速表輕便風向風速表 ENEN型系列測風數(shù)據(jù)處理儀型系列測風數(shù)據(jù)處理儀單翼風向風杯風速傳感器單翼風向風杯風速傳感器螺旋槳式風向風速感應器螺旋槳式風向風速感應器海島自動測風系統(tǒng)海島自動測風系統(tǒng) ENEN型系列測風數(shù)據(jù)型系列測風數(shù)據(jù)處理儀與特定感應器配處理儀與特定感應器配套可以組成套可以組成EN1EN1型和型和EN2EN2型兩種自動測風儀。主型兩種自動測風儀。主要功能有：定時打印輸要功能有：定時打印輸出二分鐘、十分鐘平均出二分鐘、十分鐘平均風向風速；打印輸出大風向風速；打印輸出大風報警及解除警報的風風報警及解除警

13、報的風向、風速及其出現(xiàn)時間，向、風速及其出現(xiàn)時間，發(fā)出報警信號發(fā)出報警信號 風向感應器為風向感應器為單翼風標。當風標單翼風標。當風標轉(zhuǎn)動時，帶動格雷轉(zhuǎn)動時，帶動格雷碼盤，按照碼盤切碼盤，按照碼盤切槽的設計，碼盤每槽的設計，碼盤每轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動2.82.8，光電，光電管組就會產(chǎn)生新的管組就會產(chǎn)生新的七位并行格雷碼輸七位并行格雷碼輸出。出。 該感應器的頭該感應器的頭部是一組螺旋槳葉部是一組螺旋槳葉片，風向標部分制片，風向標部分制成飛機機身相似的成飛機機身相似的外形，保持良好的外形，保持良好的流線型。流線型。該系統(tǒng)是專該系統(tǒng)是專門為測量海島出門為測量海島出現(xiàn)的強風而設計現(xiàn)的強風而設計的，其特點是具的，其特

14、點是具有較好的測強風有較好的測強風能力。能力。 根據(jù)風速隨高度根據(jù)風速隨高度的變化情況以及為了的變化情況以及為了觀測和維護的方便，觀測和維護的方便，同時不受地形地物的同時不受地形地物的影響，測風儀器的安影響，測風儀器的安裝高度最好在裝高度最好在10102020米之間米之間8.5 測風儀器的安裝測風儀器安裝的測風儀器安裝的地點要求盡量開闊空地點要求盡量開闊空曠，遠離障礙物，使曠，遠離障礙物，使之不受氣流渦旋的影之不受氣流渦旋的影響。因為建筑物、凹響。因為建筑物、凹地、山谷等地形作用地、山谷等地形作用會使氣流產(chǎn)生渦流、會使氣流產(chǎn)生渦流、輻合、輻散，使風的輻合、輻散，使風的資料只有小氣候方面資料只有

15、小氣候方面的意義，而缺少代表的意義，而缺少代表性性 測風儀器必須垂直測風儀器必須垂直安裝；安裝測風儀器的安裝；安裝測風儀器的桿不能太粗，否則會改桿不能太粗，否則會改變氣流的自然狀況；儀變氣流的自然狀況；儀器應安裝在桿的頂端，器應安裝在桿的頂端，如果需要安裝在桿的中如果需要安裝在桿的中間，則應使用一定長度間，則應使用一定長度的橫臂，以使風速儀器的橫臂，以使風速儀器遠離桿柱遠離桿柱8.6氣象應用 風在天氣預報中有著重要的作用，常作為風在天氣預報中有著重要的作用，常作為良好的預報指標而廣泛應用良好的預報指標而廣泛應用 風是一種自然力。我們可以利用風力發(fā)電；風是一種自然力。我們可以利用風力發(fā)電；飛機選

16、擇適當?shù)暮骄€，就可以縮短飛行時間，飛機選擇適當?shù)暮骄€，就可以縮短飛行時間，減少油料消耗；風也可以將濕空氣帶到干旱地減少油料消耗；風也可以將濕空氣帶到干旱地區(qū)，以減少旱情。但是，大風也可以吹倒樹木，區(qū)，以減少旱情。但是，大風也可以吹倒樹木，使建筑物倒塌遭到破壞；由于暴風而產(chǎn)生的波使建筑物倒塌遭到破壞；由于暴風而產(chǎn)生的波浪危及航行中的船舶安全，也可變成怒濤沖擊浪危及航行中的船舶安全，也可變成怒濤沖擊海岸，破壞海岸建筑物海岸，破壞海岸建筑物8.6氣象應用 1 1、在天氣預報方面、在天氣預報方面 氣旋與鋒面逼近時，風力一般都要加大；反氣旋中心移近時，風力氣旋與鋒面逼近時，風力一般都要加大；反氣旋中心移

17、近時，風力就要減弱。氣壓系統(tǒng)加強或氣壓梯度加大時風力就要大；而氣壓系統(tǒng)減就要減弱。氣壓系統(tǒng)加強或氣壓梯度加大時風力就要大；而氣壓系統(tǒng)減弱或氣壓梯度變小時，風力就會減小弱或氣壓梯度變小時，風力就會減小 大風多具災害性，對航運、漁業(yè)生產(chǎn)及軍事活動的影響甚大，所以大風多具災害性，對航運、漁業(yè)生產(chǎn)及軍事活動的影響甚大，所以大風預報是風的預報的重點。大風的預報內(nèi)容主要包括起風的時間、風大風預報是風的預報的重點。大風的預報內(nèi)容主要包括起風的時間、風向、風力和大風持續(xù)時間等?？紤]在預報地區(qū)范圍中今后是否會出現(xiàn)產(chǎn)向、風力和大風持續(xù)時間等?？紤]在預報地區(qū)范圍中今后是否會出現(xiàn)產(chǎn)生大風的氣壓場形勢，如有無鋒面過境。

18、有無氣旋發(fā)生發(fā)展，會不會出生大風的氣壓場形勢，如有無鋒面過境。有無氣旋發(fā)生發(fā)展，會不會出現(xiàn)南高北低或東高西低的氣壓形勢，或其他可能產(chǎn)生大風的天氣系統(tǒng)現(xiàn)南高北低或東高西低的氣壓形勢，或其他可能產(chǎn)生大風的天氣系統(tǒng) 此外，風對于霜的形成也有影響。有微風的時候，空氣緩慢地流過此外，風對于霜的形成也有影響。有微風的時候，空氣緩慢地流過冷物體表面，不斷地供應著水汽，有利于霜的形成。但是，風大的時候，冷物體表面，不斷地供應著水汽，有利于霜的形成。但是，風大的時候，由于空氣流動得很快，接觸冷物體表面的時間太短，同時風大的時候，由于空氣流動得很快，接觸冷物體表面的時間太短，同時風大的時候，上下層的空氣容易互相混

19、合，不利于溫度降低，從而也會妨礙霜的形成。上下層的空氣容易互相混合，不利于溫度降低，從而也會妨礙霜的形成。大致說來，當風速達到大致說來，當風速達到3 3級或級或3 3級以上時，霜就不容易形成了級以上時，霜就不容易形成了8.6氣象應用 2 2、在城市規(guī)劃方面、在城市規(guī)劃方面 為了盡可能地減少工廠排放的煙塵、廢氣對居住區(qū)為了盡可能地減少工廠排放的煙塵、廢氣對居住區(qū)的污染，城市規(guī)劃尤其要考慮風的影響。各地都可根據(jù)的污染，城市規(guī)劃尤其要考慮風的影響。各地都可根據(jù)該地的風頻統(tǒng)計進行布局規(guī)劃該地的風頻統(tǒng)計進行布局規(guī)劃 規(guī)律一：在常年盛行一種主導風向的地區(qū)進行城市規(guī)律一：在常年盛行一種主導風向的地區(qū)進行城市

20、規(guī)劃時，應將向大氣排放有害物質(zhì)的工業(yè)企業(yè)布局在盛規(guī)劃時，應將向大氣排放有害物質(zhì)的工業(yè)企業(yè)布局在盛行風的下風向，居住區(qū)布局在上風向行風的下風向，居住區(qū)布局在上風向 規(guī)律二：在風向隨季節(jié)變化的地區(qū)進行城市規(guī)劃時，規(guī)律二：在風向隨季節(jié)變化的地區(qū)進行城市規(guī)劃時，應使向大氣排放有害物質(zhì)的工業(yè)企業(yè)避開冬夏季對吹的應使向大氣排放有害物質(zhì)的工業(yè)企業(yè)避開冬夏季對吹的風向，布局在當?shù)刈钚★L頻風向的上風向，居住區(qū)布局風向，布局在當?shù)刈钚★L頻風向的上風向，居住區(qū)布局在下風向在下風向8.6氣象應用 3 3、在森林防火方面、在森林防火方面 風力的大小還與森林火災的發(fā)生關系十分密切。風不僅能把植被吹風力的大小還與森林火災的

21、發(fā)生關系十分密切。風不僅能把植被吹干，有助于燃燒，而且在火災發(fā)生后，還能使火源得到充分的氧氣供應，干，有助于燃燒，而且在火災發(fā)生后，還能使火源得到充分的氧氣供應，加速燃燒，同時使火花飛濺，影響火災的形狀，延伸火災的外形，擴大火加速燃燒，同時使火花飛濺，影響火災的形狀，延伸火災的外形，擴大火災面積，使地面火變?yōu)闃涔诨稹＜皶r準確的預報會減免火災的發(fā)生和將損災面積，使地面火變?yōu)闃涔诨?。及時準確的預報會減免火災的發(fā)生和將損失減到最小失減到最小 4 4、在軍事氣象方面、在軍事氣象方面 風是海洋氣象因素之一，它對海軍平戰(zhàn)時的活動影響很大。風力超風是海洋氣象因素之一，它對海軍平戰(zhàn)時的活動影響很大。風力超過一

22、定限度，還會影響海軍兵器的使用，影響海軍航空兵各種飛機的起降，過一定限度，還會影響海軍兵器的使用，影響海軍航空兵各種飛機的起降，甚至使飛機偏離預定航線。在海上防化學作戰(zhàn)時，風向、風速也是必須考甚至使飛機偏離預定航線。在海上防化學作戰(zhàn)時，風向、風速也是必須考慮的因素之一。另外，風速對艦艇上無掩蔽人員的戰(zhàn)斗力影響也很大。臺慮的因素之一。另外，風速對艦艇上無掩蔽人員的戰(zhàn)斗力影響也很大。臺風的影響就更大了，它使艦艇難以航行，飛機不能起飛，海上一切活動和風的影響就更大了，它使艦艇難以航行，飛機不能起飛，海上一切活動和訓練演習都將被迫停止。所以，準確的預報對航行有重大意義訓練演習都將被迫停止。所以，準確的

23、預報對航行有重大意義 8.6氣象應用 5 5、其它、其它 風速風向資料還廣泛應用于建筑設計、輸電線路設計、大氣污染評風速風向資料還廣泛應用于建筑設計、輸電線路設計、大氣污染評價、風能資源開發(fā)等領域。風能主要被用于發(fā)電、電池充電、抽水或加價、風能資源開發(fā)等領域。風能主要被用于發(fā)電、電池充電、抽水或加工糧食等用途。大型現(xiàn)代化的風力渦輪可向用電設備供電，而小型的風工糧食等用途。大型現(xiàn)代化的風力渦輪可向用電設備供電，而小型的風力渦輪則多用于家庭和偏僻的鄉(xiāng)村從而用來解決居民的能源需求。風能力渦輪則多用于家庭和偏僻的鄉(xiāng)村從而用來解決居民的能源需求。風能與其它能源相比，既有其明顯的優(yōu)點，又有其突出的局限性。

24、風能具有與其它能源相比，既有其明顯的優(yōu)點，又有其突出的局限性。風能具有四大優(yōu)點和三大弱點。四大優(yōu)點是：蘊含量巨大、可以再生、分布廣泛、四大優(yōu)點和三大弱點。四大優(yōu)點是：蘊含量巨大、可以再生、分布廣泛、沒有污染。沒有污染。 三大弱點是：密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大。對于缺水、三大弱點是：密度低、不穩(wěn)定、地區(qū)差異大。對于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區(qū)、山區(qū)和高原地帶，因地制宜缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區(qū)、山區(qū)和高原地帶，因地制宜地利用風力發(fā)電，非常適合，大有可為地利用風力發(fā)電，非常適合，大有可為 總之，風既可以給我們帶來福，也能帶來災。因此，在利用風力、總之，風既可以給我們帶來福，也能帶來災。因此，在利用風力、防御風災以及工礦、城市建設、軍事活動及大氣污染等方面都需要有關防御風災以及工礦、城市建設、軍事活動及大氣污染等方面都需要有關風的資料風的資料 復 習 思 考 題1 1氣象站地面風的觀測項目有哪些，常用的測風儀器是氣象站地面風的觀測項目有哪些，常用的測風儀器是什么？什么？2 2試述風向標測定風向的原理。各種風標各有什么優(yōu)點？試述風向標測定風向的原理。各種風標各有什么優(yōu)點？3 3從風標響應的觀點來說，對風標應有怎樣的要求？從風標響應的觀點來說，對風標應有怎樣的要求？4 4試述杯形