第09章高空風觀測物理學院大氣科學系

物理學院大氣科學第九章高空風的測量＆9.1＆9.2＆9.3＆9.4 &9.7單、雙經(jīng)緯儀高空風的測量方法氣球升速的計算方灌制標準升速的氣＆9.1概述為什么測量高空風(對流層內(nèi)測量高空風的方 天氣：云雨粒子(天氣 導航測風：氣球(漂移經(jīng)緯儀測風:氣球(漂

方位、仰角、高度(斜距、水平距＆9.2單經(jīng)緯儀測水平風原理已知：等速上升氣球的升速為：方位δ：仰角P,在t 為

VV

如圖：第一點風向G11第二點風向

180θ2是C1C2與L2的夾角。通過C1向L2作垂線C1x，則有xC2L2L1cos(21

arctanC1 xC

2L1H1ctg1,L2H2ctg2H1Wt1,H2lnLnLn1cos(nn1l'nLn1sin(nn1所以 arctanl'n l ln

G

1800

nnLn1Hn1ctgn1,Hn WtnLnHnctgn,HnWtn arctanl'nlnlnG 18 0nn

2v2

t2

l'2l'2n2nl'22nnl'2l'2lnnntn

＆9.3氣球的上升速度 氣中受到向上的浮力F=ρ·V·g，其中：ρ為大氣密度。氣球在上由氣體狀態(tài)方 nRHT,

FgVn

Ra 定義凈舉力A為氣球所受浮力與重力之AFmg(H)VgAE

Eh

R1Cr2w R

是空氣動力粘性系數(shù)，在標準狀態(tài)下=1.73×10-5kgm-1s-mdwFmgRdt

dwdwdz1dw2dt dz dt dz將上式及（9.30）、（9.33）式代入（9.35）mdw

A

1 r2w dz dw

CDr2

w22A

dz 如果取一薄層大氣，CD,r,R,ρ時，w=0,（9.36）w2

2DCr2D

[1exp(

CDr2m

z)]

由（9.37）式得氣球的上升速度計算公w

Crexp(Crm

1/

2A1z有：w2A1

如果計算升速達到0.98w時的高度z，則有：1 Cr2 1exp

z

0.98 Cr2

exp z0.04 若m=60gr=35cm

DCr2zDm

ln

z DCr2D

如果計算升速達到0.99w時的高度z1 Cr2 1exp

z

0.99 Cr2

exp z0.02 若m=60g,r=35cm,ρ=1.3kg/m3, CDr2m

zlneln0.023.9,lneln2.7183

D CrD

1.17

2A2Awr

度時的氣球半徑可由（9.30）式及將球體積V=4πr3/3帶入得：A4r3( )g r[(AB 4(H)

]1/

由氣球內(nèi)外溫度和壓力相等有 Ra ，取1 （氫氣

1)，代入（9.40）r[(A

]1

由（9.41）式可見，r13，上升中ρ變小，r增大

將（9.41）式代入（9.39）1 A1/

w

1/

b(A bE

式中b4g)1/33

)1/

在P0=760mmHg,T0=20℃, (標準度)時的升速w

b

1/

A1/E1/

w(0)1/

表9.1氣球升速因密度因素隨高度高度02468由表9.1可見，氣球升速在5km高度處將比地面大10km高度處大20%

如果令b1=bρ0-1/6，取、E單位為為式(9.43)可得與之間關系，我國采用實驗確定的與A表 與的關系 A1/wb( 0)1/6

E1/求取A值的步驟 和公式(9.440ww()1/6w(PT0 0 升速值w0表如下：表9.3標準密度升速值w0表T 0-----表9.4標準密度升速值w0表T 0-----凈舉力查算表是由w0及B值求A值。按公式（9.43）w0b

1/

A1/E1/

A AB

（9.47）式制成的凈舉力查算表如

表9.5凈舉力查算表 表9.6凈舉力查算表 充灌標準升速氣球的步驟觀測氣壓P，溫度由P、T查標準密度升速值由w0和球重B（球皮+附加物），查出凈舉力計算出砝碼重=凈舉力A注意事項檢查氣球是否漏平衡器加上砝碼，灌氣球在空中平衡取下平衡器將氣球口扎緊待放＆9.4雙經(jīng)緯儀測風通常b=500~2000m＆9.4.1計算測風 h=H-

平線，為AP在A點所在水平面上的投影線，A′PB就是AP 令APLBPL，表示投影點距觀測點A′和B的 在平面三角形A′BPB中，設A′PBB=，則有=180°- 根據(jù)正弦定理

sin bsinLA

同理可得到PB對B站的水平距離bLBsin

由于APAP和BPBP都是直角三角形HLAtan HrLBtan

bsintan sin bsintan sin

其中180°-（+）。因此，由兩架經(jīng)緯儀觀測同一氣球，測量其方位角（、）和仰角（、），將其數(shù)值及基線長度b代入公式（9.15）和（9.16），即可計算出此時氣球的準確高度H、H。趨于或度時，計算誤差增大。

HHHm2

如果計算的（H-H）與h相差 觀測中、、、讀數(shù)存在

為了計算方便，在雙經(jīng)緯儀測風時，A、B當B站經(jīng)緯儀對準A站經(jīng)緯儀時，調(diào)整B站方位盤，使其讀數(shù)為0A站對準B盤刻度調(diào)整為180°。

以′表示A站經(jīng)緯儀(互對方位后)的方位角讀數(shù)，′表北方向）上方（東面）PB′點時，則有：180180()180(180)

當氣球投影點在基線下方（西面）PB點時，則有360180180(180360)

將兩站經(jīng)緯儀的方位角讀數(shù)′、′直接代替、代入公式（9.15）角也可以用|′-′|寫成如下一般形bsintanbsintanH sin sin(HbsintanbsintanH sin sin(

由公式（9.18）和（9.19）可以推導出球高計算的相對誤差HH

cotcot()() sin(2H

H

cotcot()() sin(2

知，當（或）0°（或180°），（-）0°（或180°），（或）0°（90°）時，利用公式（9.18）計算氣球高度相對誤差

方位角(或)358,(或)方位角4,

0出現(xiàn)以上情況時可采用

＆9.4.2計算測風氣球高度的垂直面投影將P點投影到基線所在的垂直面上 點以P′表示（PP′是與水平面平行的直水平面上的投影點；而PA′、PB′則分別是PA、PB在基線所在垂直面上的投點；APA與APA′是A點所在水平面上的水平線，BPB與BPB′是B點所在水平面上的水平線；AP′及BP′是視線AP及BP在垂直面上自A點觀測P的仰角為、P′的仰角為′；自B點觀測P的仰角為、P′的仰角為′。

距B點的高度H=P′PB′=PPB；AB之間的長度用C表示，AA在AP'P'中,H P'P'AP'sinAA在BP'P'中 PPBP'sin 只要求出AP'、BP'及'、'根據(jù)正弦定理,在ABP'AP' BP'sin('

sin[180('' sin(' sin(

Csin() Bsin(B Csin()sin sin( Csin()sin sin(

下面找出δ、、、

因為PPAPtanP'P'AP'tan,而且PPP'P' 所以APAtanAPAtan又因為APAPA是直角三角形，而 因此得到APAtanAPAcostantancostantansec

tansectan 利用（9.24）和（9.25）式可計算′和′，式中、、、都可由經(jīng)緯儀測得。有了′和′的數(shù)值，即可由（9.22）、（9.23）計算氣球高度。

('('

Csin()sin sin( Csin()sin sin(

('('

Csin()sin sin( Csin()sin sin(

氣球投影點在基線上方2709090或270

Csinsin, sin(

Csin()sinsin(氣球投影點在A側(cè)之外90或270 Csin()sin, sin(

Csin()sinsin(氣球投影點在B側(cè)之外90或

Htansin,H sin(

5km,b、基線測風觀測的記錄處理，是指將每次基線測風中A、3、處理數(shù)據(jù)的過程包括根據(jù)氣球在空中的位置及計算誤差的估計，選擇適當?shù)挠嬎惴椒ㄓ嬎愀饔^測時間的氣計算各觀測時間（各層）的風速、風＆9.5測 測風測風原理(定位 L 1c2

低和探空儀配合，利用探空儀的發(fā)射模兼具探空儀地

測風測風原單單天線：信號最大方雙天線：等信號

測角精度：0.05°,

＆9.6多普勒效應測發(fā)射電磁波為：e(t)aCos[0t0 0t(R)0t0R(t)2fd(R)

2

2f

vr

ff0(1rc

fdf0ff0 rc

基本方t(R)t2R(t)2 ff

如何檢測

，RANGETIME為單個發(fā)射脈沖的回波序列，SAMPLETIME為不同脈沖的采樣序列天氣多普 測風--相干收發(fā)對于收發(fā)一體體制，有：fdf0f I(t)Q(t)arctanQ/(tPRT)(t) 21A(tI(tiQ(t)a(t)ei(t)A(tTa2(tT)eitT)1A(t)A*(tT)a1(t)a2(tT)ei((t)(tTa1(t)a2(tT)cos((t)(tTia1(t)a2(tT)sin((t)(tTA(t)A*(tT)(I(t)iQ(t))*(I(tT)iQ(tT(I(t)I(tT)Q(t)Q(tT))i(I(tT)Q(t)I(t)Q(tT(tT)(t)arctanI(t)Q(tT)I(tT)Q(tI(t)I(tT)Q(t)Q(tT

風場模板風場模板 樓風廓CFL-

香河 WP-

Bragg散射在局地均勻、各向同性湍流的慣性子區(qū)內(nèi)，反射率為n0.38C21/n其中，λ為入射電磁的波長，單位為m，cn2為折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，單位為m-2/3，η的單位為。湍流散射回波信號的強弱直接與2值nn結(jié)構(gòu)函折射率結(jié)構(gòu)函折射率結(jié)構(gòu)常結(jié)構(gòu)函

Duvw(x1,x2)[u(x1)u(x2)][v(x1)v(x2)][w(x1)w(x2折射率結(jié)構(gòu)函

D(r)(n(x)n(x))2(n(x)n(x 中性大氣折射

N77.6p T

D(r)C2r2/ 折射率結(jié)構(gòu)常Reynolds方

C2a2C2b2C2 nn

各波束的徑向風當波束垂直指向水平風由傾斜波3波束--根據(jù)波束天頂角、兩個傾斜波束分別得到u、v分量合5波束--將相對波束取平均，再按3波束算法計

vr(,)usinsinvsincoswcos垂直速度的獲5波束風廓線獲取垂直速度有兩種方法垂直波束直接測量垂直速3波束風廓線只能用垂直波束直接測量垂直速度測激光風速儀（LaserDopplerAnemometerLDA；LaserDopplerVelocimeterLDV)是建立在激光技術和多普勒頻移原理基礎上，通過激光通過大氣層時，大氣層中的氣溶膠粒子對入射光有散射效應，而運動的氣溶膠粒子將使散射光的頻率產(chǎn)生多普勒頻移效應。在（Aerosolparticle)的氣流速激光風速儀（LDA）有兩大可遠距離遙測，響應速度快完全不干擾自然流場

差動式頻移LDV系統(tǒng)示意激光風速儀的結(jié)激光器入射光學單元光學接收單元多普勒信號處理數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

激光入射光學單

2usin 多普勒頻移頻光學接收單

fD

2,u

2sin fD2接收運動流體中粒子的散射光，得到多普勒頻移頻率fD多普勒信號處理頻 ，計數(shù)式處理器，光子相關器模擬量、數(shù)字量轉(zhuǎn)換成風速應后，粒子接收到的光波頻率為 00

ff(1u

子作運動光源以此率向周發(fā)散射。當止的觀測者（光檢測器）某方向觀測子的射光，由于們之存在對運， 接到的射光率又與粒子頻為：fsf1(1ues

es粒子散射光單位向量，c為介質(zhì)中的光ues取正是為選e向量由粒子朝向光檢測器。將（8.64）cs式，當u<<c時，忽略高次項，可得經(jīng)兩次多普勒效應后的頻關系式為 f(1u(ee)

最后可得它與光源頻率之差（多普勒頻移），

如下圖所示，由兩同頻率fi的入射光，入射光單位向量分別為ei1、ei2，照射到運動速度的粒子P上，產(chǎn)生且方向相同，即

s

由前面多普勒 f(1u e) 對第一束入射光 接收到 散射光的頻率 f(1u

) 射光的頻率為 f(1u(ee) s i這兩部分散射光 上混頻后可測得差頻為

fu e)cu

e)

i iic

當es1=es2，多普勒頻移fD是兩部分光波頻率之入射光的單位矢量ei1、ei2與風速u的點乘積關系

i 是兩束入射光的夾角，將（8.69）代入（8.68）u 2

由（0）可見，當和f成正比。就是說，可以通過測量多普勒頻移到風速

其他激光直接探測技1原子吸收線，例如Na、K和Fe，使用全部吸收譜線），或光儀（如F-P法布里-帕羅標準具）光儀條紋圖像(Fringepatternu

u

100%(1)100%,u這就是激光測速技術

VR()vh()cos(0)cos()vf()sin=0+，VR=0VRvh

vmax2 vmax 2sin

風場反演方法-線性風VR()vh()cos(0)cos()vf()sin1Rcos(vxvy) sin

0

coscos0

cossin

vxx

Rcos x y)cos 1Rcos(vyvx)sin

vy

vyxvy

xRc