第十章-探空仪

1、第十章探空仪意意 义义 大气中各高度上的温度、湿度、气压以及大气中各高度上的温度、湿度、气压以及风场资料，是研究大气中各种热力、动力风场资料，是研究大气中各种热力、动力过程，以及天气分析和预报的最重要的资过程，以及天气分析和预报的最重要的资料料 当前热点科学问题：对流层当前热点科学问题：对流层-平流层相互平流层相互影响影响主要内容主要内容 10.1 高空温湿压的综合探测高空温湿压的综合探测 10.2 高空风的探测高空风的探测 10.3 气象应用气象应用 10.4 复习思考题复习思考题10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 概概 述述飞机探测卫星遥感探测火箭探测无线电探空雷达探测10.

2、1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 概概 述述 目前气象常规观测中，大量使用的是无线电探空，即采用无线电遥测技术，由充有氢气的探空气球携带无线电探空仪上升，进行温、湿、压的测量 高高 空空 探探 空空 仪仪系留气艇探空10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 概概 述述 无线电探空仪无线电探空仪是一种遥测仪器，是一种遥测仪器，它可以将感应的气象要素值转换为它可以将感应的气象要素值转换为无线电信号，不断地向地面发送，无线电信号，不断地向地面发送，地面上的接收设备同时接收和处理地面上的接收设备同时接收和处理探空信号，即可迅速获得探测结果探空信号，即可迅速获得探测结果 10.1 10

3、.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 （已淘汰）（已淘汰） GZZ2-1 GZZ2-1型探型探空仪（又称空仪（又称五九型探空五九型探空仪）仪） 我国常用我国常用的机械式电的机械式电码探空仪码探空仪10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 探空仪的测量范围探空仪的测量范围 温度：温度：+40+40 -75 -75 相对湿度：相对湿度：100% 100% 15% 15% 气压：气压：1050 1050 10hPa 10hPa 为使所测气象要素值超过测量范围仍为使所测气象要素值超过测量范

4、围仍能查算数据，因此，仪器的气温外延到能查算数据，因此，仪器的气温外延到- -8585，相对湿度外延到，相对湿度外延到5%5%，气压校准曲线外，气压校准曲线外延到延到5hPa5hPa，外延部分的资料仅供参考使用，外延部分的资料仅供参考使用探空仪探空仪10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 温度感应器由双金属片、指针和支架等组温度感应器由双金属片、指针和支架等组成，将厚度约成，将厚度约0.2mm0.2mm的薄双金属片，卷曲成螺旋的薄

5、双金属片，卷曲成螺旋形，固装在支架上，并与支架绝热，在螺旋形双形，固装在支架上，并与支架绝热，在螺旋形双金属片中心，焊有一根截面呈三角形、空心、质金属片中心，焊有一根截面呈三角形、空心、质量很轻的指针量很轻的指针 湿度感应器由鼓膜状肠膜、中心连杆、扭湿度感应器由鼓膜状肠膜、中心连杆、扭力弹簧和湿度指针所组成力弹簧和湿度指针所组成 气压感应元件是两个波纹形金属扁空盒。气压感应元件是两个波纹形金属扁空盒。空盒的一端焊有尾杆，通过它将空盒紧固在框架空盒的一端焊有尾杆，通过它将空盒紧固在框架上；另一端焊有顶针座，顶针尖端插在顶针座内，上；另一端焊有顶针座，顶针尖端插在顶针座内，顶针的上端固定在双金属片

6、自由端支架上，指针顶针的上端固定在双金属片自由端支架上，指针架两端用轴承固定在框架上架两端用轴承固定在框架上 10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 主要由电码筒及驱动电码筒转主要由电码筒及驱动电码筒转动的微型电机和减速齿轮所组成。动的微型电机和减速齿轮所组成。探空仪工作时，电码筒以每分钟探空仪工作时，电码筒以每分钟5-5-9 9转的速度转动。它的主要作用是转的速度转动。它的主要作用是将气象要素的变化转换成电码讯号，将气象要素的变化转换成电码讯号，通过发射机发向地面接收站通过发射机发向地面接收站10.1 10.1 高高 空空 探探

7、 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 电码筒由电码片、电码筒支架，参考讯号片和尼龙电码筒由电码片、电码筒支架，参考讯号片和尼龙齿轮绝缘接头等组成。齿轮绝缘接头等组成。 电码片电码片是用具有槽纹、长是用具有槽纹、长70cm70cm的金属薄片卷曲而成。的金属薄片卷曲而成。槽纹上印有莫尔斯电码图案，在电码片上，白色部分是槽纹上印有莫尔斯电码图案，在电码片上，白色部分是导电的，棕色部分是绝缘的。当感应器的指针与电码片导电的，棕色部分是绝缘的。当感应器的指针与电码片的白色部分接触时，电路接通，发出电码讯号；指针与的白色部分接触时，电路接通，发出电码讯号；指针与棕色部分接触时

8、，电路不通，不发讯号。棕色部分接触时，电路不通，不发讯号。 在电码筒轴一端有扇形的在电码筒轴一端有扇形的参考讯号片参考讯号片。电码筒每转。电码筒每转一周，参考讯号片与机架上的导电簧片相接，发出一长一周，参考讯号片与机架上的导电簧片相接，发出一长声声“” 的参考讯号，此时电码片不与任何指针相接。的参考讯号，此时电码片不与任何指针相接。参考讯号用来区别各气象要素电码顺序。发出参考讯号参考讯号用来区别各气象要素电码顺序。发出参考讯号后，紧接着发温度讯号，然后是气压讯号和湿度讯号后，紧接着发温度讯号，然后是气压讯号和湿度讯号 12.1 12.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型

9、电码式探空仪型电码式探空仪 电码片上有两排导电花纹。上面一排代表电码电码片上有两排导电花纹。上面一排代表电码的十位，共的十位，共3535个码；下面一排代表电码的个位数，个码；下面一排代表电码的个位数，共共350350个电码。每一个十位数电码对应有十个个位个电码。每一个十位数电码对应有十个个位数电码，即每一个十位数占有十个槽纹的宽度，每数电码，即每一个十位数占有十个槽纹的宽度，每一个个位数只占一个槽纹宽度。一个个位数只占一个槽纹宽度。 探空仪工作时，感应器的指针首先与十位数电探空仪工作时，感应器的指针首先与十位数电码部分接触，然后与个位数电码部分接触。因此，码部分接触，然后与个位数电码部分接触。

10、因此，气象要素电码都是由两个电码组成。气象要素电码都是由两个电码组成。 由于电码筒是连续运转的，因此发讯工作不间由于电码筒是连续运转的，因此发讯工作不间断地进行，电码讯号拍发次序为：参考讯号断地进行，电码讯号拍发次序为：参考讯号温度温度讯号讯号气压讯号气压讯号湿度讯号湿度讯号，依次循环往复，依次循环往复 10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GZZ2-1GZZ2-1型电码式探空仪型电码式探空仪 发射装置的作用是将探空仪各发射装置的作用是将探空仪各感应器所测到的温、湿、压讯号，以感应器所测到的温、湿、压讯号，以无线电波的形式传递到地面。无线电波的形式传递到地面。 发射机产生发射机产生

11、24.5MHz24.5MHz（配用（配用701701雷达接收时为雷达接收时为400MHz400MHz）的高频电磁波，）的高频电磁波，由单端半波天线发射出去。由单端半波天线发射出去。五九型转筒式电码探空仪的性能五九型转筒式电码探空仪的性能测量温度的误差测量温度的误差主要是滞后误差主要是滞后误差(双金属片的热滞双金属片的热滞系数系数)和辐射误差和辐射误差(太阳辐射加热太阳辐射加热)还有因元件沾湿和气球的热空气还有因元件沾湿和气球的热空气尾流引起的误差尾流引起的误差五九型转筒式电码探空仪的性能五九型转筒式电码探空仪的性能测量气压的误差测量气压的误差 使用测压膜盒，因金属的弹性随温度使用测压膜盒，因金

12、属的弹性随温度和时间有变化，使测压有误差。由锡、和时间有变化，使测压有误差。由锡、磷、青铜制成的膜盒温度系数较大磷、青铜制成的膜盒温度系数较大 经检测对比，五九型转筒式电码探空经检测对比，五九型转筒式电码探空仪在低压测量精度较差仪在低压测量精度较差五九型转筒式电码探空仪的性能五九型转筒式电码探空仪的性能测量湿度的误差测量湿度的误差各种湿度元件不同程度存在多种误差各种湿度元件不同程度存在多种误差五九型的测湿元件五九型的测湿元件肠膜，因其性能不稳肠膜，因其性能不稳定，不同时间的检定曲线不能重合，相对湿定，不同时间的检定曲线不能重合，相对湿度平均偏差可达度平均偏差可达4（检定曲线检定曲线表示探空仪信

13、号与气象要素表示探空仪信号与气象要素值关系的曲线。每个探空仪都应该有温度、值关系的曲线。每个探空仪都应该有温度、气压、湿度三条检定曲线）气压、湿度三条检定曲线）由于肠膜的滞后系数随温度降低而加大，在由于肠膜的滞后系数随温度降低而加大，在低温时的测湿误差较大，在低温时的测湿误差较大，在-30摄氏度以下几摄氏度以下几乎无法使用乎无法使用10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪（当前主流）（当前主流） 需与需与GFE(1)GFE(1)型二次测风雷型二次测风雷达配合使用达配合使用10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1

14、型数字高空探空仪型数字高空探空仪探空仪的测量范围探空仪的测量范围 温度：温度：+40- -80 +40- -80 tt0.20.2 相对湿度：相对湿度：95%-15% 95%-15% 环境温度环境温度-25-25，UU5%5% 环境温度环境温度-25500hPa500hPa，PP2hPa2hPa 气压气压500hPa500hPa，PP1hPa1hPa10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪探空仪的测量原理探空仪的测量原理A热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻湿敏电阻湿敏电阻压力传感器压力传感器R/V电池电池R/VR/VV/V多路开关多路开关

15、模数转换模数转换微处理器微处理器发射机发射机参考电压参考电压B 探空仪的基本结构探空仪的基本结构 GTS1GTS1型数字探空仪由传感器、智能转型数字探空仪由传感器、智能转换器、发射机三部分构成。换器、发射机三部分构成。 温度传感器采用棒状温度传感器采用棒状热敏电阻热敏电阻，在测量范围内，在测量范围内- -90-5590-55，阻值限定在，阻值限定在9K-700K,9K-700K,阻体长阻体长10mm10mm，直，直径径1mm1mm左右，表面有高反射率涂层，短波反射率优于左右，表面有高反射率涂层，短波反射率优于93%93%，长波吸收率超过，长波吸收率超过90%90% 湿度传感器采用湿度传感器采用

16、高分子湿敏电阻高分子湿敏电阻 气压传感器采用气压传感器采用硅阻固态压力传感器硅阻固态压力传感器，该传感器，该传感器对温度非常敏感，所以专门用一个热敏电阻测量该传对温度非常敏感，所以专门用一个热敏电阻测量该传感器的温度，用于对被测气压的补偿感器的温度，用于对被测气压的补偿 10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪 智能转换器作用智能转换器作用 将各传感器的物理量，按一将各传感器的物理量，按一定格式转换成二进制代码，以二进定格式转换成二进制代码，以二进制代码制代码“0”控制控制32.7kHz调制波信调制波信号号10.1 10.1 高高 空空

17、 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪 发射机发射机 组成组成由超高频晶体管、微带由超高频晶体管、微带线、可微调电容、鞭状天线、地网线、可微调电容、鞭状天线、地网和穿芯电容构成和穿芯电容构成 作用作用发送温湿压信息，接收发送温湿压信息，接收地面雷达发射的询问信号地面雷达发射的询问信号10.1 10.1 高高 空空 探探 空空 仪仪 GTS1GTS1型数字高空探空仪型数字高空探空仪其他探空仪其他探空仪 RS-80型型芬兰芬兰Vaisala公司生产，业务公司生产，业务上已经普遍使用，所有元件基本上是变电上已经普遍使用，所有元件基本上是变电容式的容式的 RS90型型RS

18、-80型的新型号型的新型号 带带GPS测风的无线电探空仪测风的无线电探空仪 芬兰RS一90探空仪 双湿度元件：克服沾湿的影响，可启动加热电路,蒸发掉元件表面所凝结的露或霜；设置双元件，交替使用。 测压元件：用硅单晶空盒代替金属空盒。 测温元件：电容式。进行改进，响应速度更快，测量滞后性更小。带GPS测风的无线电探空仪 目前大量使用的探空测风系统： 无线电经纬仪 一次、二次雷达 其主要缺点： 设备庞大；耗电量高 低仰角下测风精度低 地面设站按规划，不利于临时观测。带GPS测风的无线电探空仪（续） GPS定位系统的出现，提供了一种精度极高、使用较为方便的测风系统。 与原先的地断导航系统相比，GPS

19、可以覆盖全球，无线电导航信号的传播不受地形、地物的干扰，因而各个国家的飞机、船舶，甚至汽车的导航都纷纷转向GPS系统。带GPS测风的无线电探空仪（续） GPS卫星接收机可在市场上直接购买，通称OEM(原始设备制造商)板。 具体到GPS测风系统的探空仪的结构设计，可以将整块OEM板安装上去，但成本太高。 已投产的GPS探空仪只将OEM板的部分功能安装在探空仪上，而将GPS信号处理的功能移到地面接收站接收系统中。带GPS测风的无线电探空仪（续） 对已经定型的产品进行分析，其主要技术措施有：(1)探空仪上的压、温、湿信号采用模拟或数字调频式(2)GPS收到的定位信号与探测信号一起发回到地面站处理(3

20、)不直接计算探空仪各个时刻的绝对坐标，而是计算其相对位移速度，因而省去功能部件码相关发生器(4)为提高精度，将探空仪上的GPS信号不断与地面GPS信号进行差分对比。带GPS测风的无线电探空仪（续） GPS探空技术的核心就是探空仪上安装的超小型简易GPS接收机，各个公司都作为商业机密。 AIR公司称作GPS带宽压缩器，将信号带宽从原 先的2MHz压缩到1 MHz。 芬兰Vaisala公司称作数字信号探测器带GPS测风的无线电探空仪（续） 有关GPS探空仪的研制和推广工作，仍在不停的进展之中： 降低造价 提高探空仪垂直定位精度关于无线电探空仪关于无线电探空仪 无线电探空仪：无线电探空仪：资料具有较

21、高的精度和分辨率资料具有较高的精度和分辨率长期以来形成了较严密的全球探测长期以来形成了较严密的全球探测网，资料有一定的可比性网，资料有一定的可比性费用较低费用较低全球高空探测网分布示意图全球高空探测网分布示意图截止截止2001年年10月上半月月上半月全球高空探测网分布示意图 无线电探空仪的优势：无线电探空仪的优势：结果精度较高（但不如最新研制的探结果精度较高（但不如最新研制的探空仪，故面临更新）空仪，故面临更新）实时性强实时性强操作方便操作方便几乎不受天气条件限制几乎不受天气条件限制如配合适当的设备如配合适当的设备(无线电经纬仪或测无线电经纬仪或测风追踪雷达风追踪雷达)，可以同时获得高空风场，

22、可以同时获得高空风场的资料的资料 无线电探空仪还可以装配各种无线电探空仪还可以装配各种类型的特种探空仪，例如：类型的特种探空仪，例如：测量臭氧测量臭氧大气电场大气电场云内含水量云内含水量各种辐射通量各种辐射通量按其使用的方式，探空仪有三种装配方式：按其使用的方式，探空仪有三种装配方式：(1)常规探空仪常规探空仪 由上升气球携带，升空由上升气球携带，升空3040km 最长工作时间最长工作时间2h 信号传播距离信号传播距离200km 气球可携带重量气球可携带重量0.52kg 升速：升速：400mmin 探测项目：温、湿、压和风（使用探测项目：温、湿、压和风（使用“回答回答器器”，与，与701二次雷

23、达配合测风）。二次雷达配合测风）。探空仪即将施放探空仪即将施放 701雷达待命工作雷达待命工作(2)定高气球探空仪定高气球探空仪 由定高气球携带，沿等密度线飞行探测，由定高气球携带，沿等密度线飞行探测，可绕地球某个纬度带进行可绕地球某个纬度带进行 工作时间工作时间 数天数天 为节电，常间隔数小时定时发报，地面接为节电，常间隔数小时定时发报，地面接收站可设数个，采取接力方式接收收站可设数个，采取接力方式接收 探测项目：温、湿、压，一些专门项目。探测项目：温、湿、压，一些专门项目。(3)下投式和火箭探空仪下投式和火箭探空仪 多使用飞机、火箭或定高气球将仪器带到多使用飞机、火箭或定高气球将仪器带到一

24、定高度，然后将仪器弹射至携带舱外，一定高度，然后将仪器弹射至携带舱外，由气球或降落伞携带下落由气球或降落伞携带下落 工作距离工作距离 300km 工作时间工作时间 几个小时几个小时 可由地面站或飞机接收信号可由地面站或飞机接收信号 探测项目：温、湿、压等。探测项目：温、湿、压等。 探空仪使用的探测元件：探空仪使用的探测元件：注意要满足高空探测方面的基本精度要注意要满足高空探测方面的基本精度要求求 探测仪为一次性使用产品：探测仪为一次性使用产品：力求结构简单、体积小、重量轻，且较力求结构简单、体积小、重量轻，且较坚固坚固具有一定的防辐射、防云雨沾湿，以及具有一定的防辐射、防云雨沾湿，以及耐高空低

25、温的能力耐高空低温的能力 高空探测的特点：高空探测的特点：从地面到从地面到3040km的高空，大气中各要的高空，大气中各要素的值远大于地面站的年变化范围素的值远大于地面站的年变化范围气压：从气压：从1000hPa到到10hPa以下以下温度：从温度：从+40到到-60以下以下相对湿度：相对湿度：0到到100 可见，要满足在全量程范围内的低相对误可见，要满足在全量程范围内的低相对误差和绝对误差是较难办到的。差和绝对误差是较难办到的。 在较短时间在较短时间(1小时小时)，较大升空，较大升空(从地面到高从地面到高空空3040km)的条件下，探测元件必须的条件下，探测元件必须快快速响应速响应飞升各高度的

26、上的气象要素变化飞升各高度的上的气象要素变化 要求探测元件应具有足够小的滞后系数，要求探测元件应具有足够小的滞后系数，包括在高层低密度流量的条件下。包括在高层低密度流量的条件下。 探空仪信号解调之后，需利用检定曲探空仪信号解调之后，需利用检定曲线换算成对应的气象要素变量线换算成对应的气象要素变量 检定结果由厂家进行。检定结果由厂家进行。探空资料的整理及其软件设计探空资料的整理及其软件设计 资料整理的内容：资料整理的内容：(1)连续要素的时间曲线连续要素的时间曲线(2)求各规定等压面的温度、湿度（露点温度）求各规定等压面的温度、湿度（露点温度）(3)求各规定等压面的海拔高度，给出气球上求各规定等

27、压面的海拔高度，给出气球上升的时间高度曲线升的时间高度曲线(4)选择特性层：指该层的温度或湿度梯度与选择特性层：指该层的温度或湿度梯度与相邻的上、下层的温度或湿度梯度具有明相邻的上、下层的温度或湿度梯度具有明显的差异。显的差异。探空资料的整理及其软件设计探空资料的整理及其软件设计(5)选择对流层顶选择对流层顶(6)选择选择0层层(7)漏测层漏测层(8)最终探测高度最终探测高度(9)编写天气电码编写天气电码探空资料的整理及其软件设计探空资料的整理及其软件设计 由于探空仪的类型不同，在进行上述过程处理由于探空仪的类型不同，在进行上述过程处理前还得根据不同的情况进行原始资料的预处理：前还得根据不同的

28、情况进行原始资料的预处理： 进行多点的滑动平均，以判断和剔除一些明显错误进行多点的滑动平均，以判断和剔除一些明显错误的读数。的读数。 对于温度测量值还必须进行辐射误差订正。对于温度测量值还必须进行辐射误差订正。探空仪的观测误差以及探空仪的探空仪的观测误差以及探空仪的对比工作对比工作 探空仪的测量误差是各种因素导致的误差总和。探空仪的测量误差是各种因素导致的误差总和。 空盒气压表高空探测的精度空盒气压表高空探测的精度 测温元件的辐射误差测温元件的辐射误差 湿度元件的沾湿以及低湿条件下的瘫痪效应湿度元件的沾湿以及低湿条件下的瘫痪效应探空仪的观测误差以及探空仪的探空仪的观测误差以及探空仪的对比工作对

29、比工作 探空仪的对比方式：探空仪的对比方式： 不同类型的业务探空仪对比不同类型的业务探空仪对比 业务探空仪与各国自己的标准探空仪对比业务探空仪与各国自己的标准探空仪对比 各国标准探空仪之间的对比各国标准探空仪之间的对比 基准探空仪设计定型思路：基准探空仪设计定型思路： 采用辐射误差小的测温元件采用辐射误差小的测温元件 采用空盒和沸点气压表两套系统测压采用空盒和沸点气压表两套系统测压 使用露点仪改善测湿精度使用露点仪改善测湿精度典型探空结果典型探空结果 1.气球测风的基本原理气球测风的基本原理 2.单经纬仪定点测风单经纬仪定点测风 3.双经纬仪基线测风双经纬仪基线测风 4.雷达测风雷达测风 10

30、.2 高空风的探测高空风的探测 空中各个高度上的风向风速的测定，空中各个高度上的风向风速的测定，有助于了解高空大气环流状况，对天气分有助于了解高空大气环流状况，对天气分析预报、航空飞行以及环境污染研究等方析预报、航空飞行以及环境污染研究等方面都具有十分重要的意义。实际上各种大面都具有十分重要的意义。实际上各种大气系统都有不同大小的水平和垂直范围。气系统都有不同大小的水平和垂直范围。许多主要的天气现象都发生在大气底层，许多主要的天气现象都发生在大气底层，这个底层就包括了从地面到三十公里高度这个底层就包括了从地面到三十公里高度的范围。获得这个范围内不同高度上大气的范围。获得这个范围内不同高度上大气

31、运动及其变化的数据的方法，通称为运动及其变化的数据的方法，通称为“高高空测风空测风”或或“高空风的观测高空风的观测”观测意义？气球就会气球就会垂直上升垂直上升而无水平方向的位移而无水平方向的位移气球就会做合成运动，气球就会做合成运动，产生水平方向的位移，产生水平方向的位移，由于气球的质量很小，由于气球的质量很小，随气流移动的惯性很小，随气流移动的惯性很小，可以近似地看作是空气的质点，可以近似地看作是空气的质点，因此它的水平位移具有因此它的水平位移具有气流的方向和速率。气流的方向和速率。无风无风有风有风作用在气球上的力作用在气球上的力 测风气球充入氢气后，它在空中测风气球充入氢气后，它在空中受到

32、两个作用力受到两个作用力,一个是向上的浮力一个是向上的浮力,一一个是向下的重力个是向下的重力.根据阿基米德定理根据阿基米德定理,气气球受到的浮力大小应等于气球所排开球受到的浮力大小应等于气球所排开的同体积空气的重力的同体积空气的重力,即即: 式中式中F为浮力为浮力, 为单位体积内空气为单位体积内空气的质量的质量,V为气球的体积为气球的体积 F= gV1 气球测风的基本原理气球测风的基本原理气球测风的基本原理（大物）气球测风的基本原理（大物） 由于氢气本身有质量，它要产生一由于氢气本身有质量，它要产生一个向下的力，用个向下的力，用Vg表示（表示（ 为氢气的为氢气的质量密度）。另外气球的球皮和附加

33、物质量密度）。另外气球的球皮和附加物也有重量，也要产生一个向下的力，我也有重量，也要产生一个向下的力，我们设为们设为B。我们把与气球同体积的空气。我们把与气球同体积的空气重力与氢气重力之差，称为总举力。用重力与氢气重力之差，称为总举力。用E表示，即：表示，即： E=V（-)g 1 气球测风的基本原理气球测风的基本原理 我们把总举力与气球的球皮和我们把总举力与气球的球皮和附加物产生的重力之差称为附加物产生的重力之差称为净举力净举力。用用A表示表示 总举力不能够完全决定气球能总举力不能够完全决定气球能否上升，只有否上升，只有净举力净举力才能完全决定才能完全决定 A=E-B=V（-)g-B1 气球测

34、风的基本原理气球测风的基本原理任意任意高度上的高度上的A与与A0的关系的关系A0=V0（ 0-0)g-B1 气球测风的基本原理气球测风的基本原理 根据通常灌球的经验，由于球皮张力而造成的球内外的压力差仅仅只有几个mmHg,而且这个值在爆破之前基本保持常量，即在气球上升时可以认为球内部的气体压力接近于周围的空气压力。还有由于球内气体质量很小，球内温度与外界温度很快地趋于一致，即认为气球在上升时，气球内外的温度是相等的。另外，经验表明氢气的扩散逸出不足以构成对浮力的显著影响，因此，球内氢气的质量在放球观测的时段也可以认为基本不变1 气球测风的基本原理气球测风的基本原理 根据气体的状态方程，气体密度

35、根据气体的状态方程，气体密度（或单位体积内质量）的变化决定于（或单位体积内质量）的变化决定于气体的压力和温度。而据上所述，球气体的压力和温度。而据上所述，球内外压力和温度呈同步的变化内外压力和温度呈同步的变化气球在上升过程中球内气球在上升过程中球内氢气密度的变化氢气密度的变化正比例于外界空气密度的变化，正比例于外界空气密度的变化，而反比例于气球的体积的变化而反比例于气球的体积的变化1 气球测风的基本原理气球测风的基本原理即即V= V00=常量，常量，Vr=V0r0=常量常量VV000 我们再回到上面净举力的公式，就我们再回到上面净举力的公式，就可以得到可以得到A=A0=常量，即常量，即 当然，

36、这一结论的假设条件（等压、当然，这一结论的假设条件（等压、等温及不透气的条件）与实际情况会有些等温及不透气的条件）与实际情况会有些出入，但这个出入不大，假定的条件基本出入，但这个出入不大，假定的条件基本满足，所以该结论是可取的满足，所以该结论是可取的A0=V0（ 0-0)g-BA=E-B=V（-)g-B气球的上升速度气球的上升速度 1、气球的升速公式、气球的升速公式 3236cg41b361323BAA6cg4.1361BAAb2dMARRcsdtg R-空气阻力，空气阻力，s-气球的大圆面积，气球的大圆面积，式中式中/在球内、外等温等压的假定下，在球内、外等温等压的假定下，可看作是常量，约等

37、于可看作是常量，约等于1/14，空气密度，空气密度可由观测当时的气压、气温来确定，阻力可由观测当时的气压、气温来确定，阻力系数系数c虽然可以随球的大小而不同，但一虽然可以随球的大小而不同，但一般可以取般可以取c=0.4，A、B则可以称量出来则可以称量出来 361323BAA6cg4.1 为了使上面的升速公式计为了使上面的升速公式计算方便，引入一个空气标算方便，引入一个空气标准密度准密度0=1.205/ m3 （ 0 指气温为指气温为293K，气，气压为压为760mmHg时的密度时的密度值），这样，升速公式也值），这样，升速公式也可以写成可以写成 这就是目这就是目前常用的前常用的气球升速气球升速

38、公式公式其中其中6101bb36101BAA)(b A与与B影响：升速与净举力影响：升速与净举力A，球，球皮及附加物重量皮及附加物重量B重量有关，要使升重量有关，要使升速增大，必须要增大速增大，必须要增大A或减小或减小B2.影响气球升速的因子影响气球升速的因子 空气密度空气密度的变化：因为的变化：因为 -1/6， 即气球的升速是随空气密度的即气球的升速是随空气密度的减小而缓慢增大的，也就是说升速减小而缓慢增大的，也就是说升速随高度的增高而缓慢增大，根据资随高度的增高而缓慢增大，根据资料，其增加平均为每上升料，其增加平均为每上升1千米增大千米增大2 空气阻力系数空气阻力系数c：理论计算中，阻：理

39、论计算中，阻力系数取为常量力系数取为常量0.4。实际上，在乱流。实际上，在乱流很强时，空气阻力系数减小，使计算很强时，空气阻力系数减小，使计算值偏低，在低空，尤其在白天，这一值偏低，在低空，尤其在白天，这一因素影响很大因素影响很大 大气中垂直气流对升速的影响很大气中垂直气流对升速的影响很大，尤其是在山区，在山的迎风坡，大，尤其是在山区，在山的迎风坡，气流上升运动强，背风坡下降运动强，气流上升运动强，背风坡下降运动强，都直接影响升速都直接影响升速 渗透和扩散的影响渗透和扩散的影响;随着高随着高度的增加，渗透会越来越大，度的增加，渗透会越来越大，使升速逐渐减小使升速逐渐减小 畸形和上升中的翻滚，阻

40、力畸形和上升中的翻滚，阻力增大，气球升速变小增大，气球升速变小2、单经纬仪定点测风、单经纬仪定点测风 我们在观测点施放一个具有标准升速我们在观测点施放一个具有标准升速的气球，某一瞬时，气球在空间的位置对的气球，某一瞬时，气球在空间的位置对地面有一个垂直投影点，测得在某一个时地面有一个垂直投影点，测得在某一个时段内气球投影点的位移，就是气球在这段段内气球投影点的位移，就是气球在这段时间里的水平位移，据此就可以测定这一时间里的水平位移，据此就可以测定这一时段所对应的高度上的风向和风速时段所对应的高度上的风向和风速 单经纬仪定点测风就是使用一台经单经纬仪定点测风就是使用一台经纬仪，在一个固定的地点，

41、观测气球移纬仪，在一个固定的地点，观测气球移动的轨迹来确定高空的风向风速动的轨迹来确定高空的风向风速 如图所示，如图所示，O为测点位置，为测点位置，Pi为某瞬时气球在空间的位置，为某瞬时气球在空间的位置，Ci为为其在地面上的投影点，其在地面上的投影点，OCi为投影点离测站的水平距离，为投影点离测站的水平距离，Hi（Pi Ci )为气球离地面的高度，在单经纬仪观测中，气球的升速假定是已知为气球离地面的高度，在单经纬仪观测中，气球的升速假定是已知的固定值（单位是米的固定值（单位是米/分），因此分），因此Hi可根据气球的升速乘以气球上升可根据气球的升速乘以气球上升的时间而得到，水平距离的时间而得到，

42、水平距离OC i=HIctg， 为仰角。用所得到的水为仰角。用所得到的水平距离和气球的方位角平距离和气球的方位角，即可确定某一瞬时气球投影点的位置。，即可确定某一瞬时气球投影点的位置。图中的图中的C1，C2，为气球施放后每分钟的投影点，计算出相应，为气球施放后每分钟的投影点，计算出相应OC1、OC2、，各分钟内气球在各层中所移动的距离，并分别，各分钟内气球在各层中所移动的距离，并分别用所经过的时间（用所经过的时间（60秒）去除，就得到每一层高度上单位时间的平秒）去除，就得到每一层高度上单位时间的平均风速（米均风速（米/秒）秒）2单经纬仪定点测风 设测风气球的升速设测风气球的升速w=100米米/

43、分，分， 第第2分钟的仰角分钟的仰角2= 45，方位角，方位角2= 30， 第第4分钟的仰角分钟的仰角4= 30，方位角，方位角4=45， 求求24分钟的平均风速分钟的平均风速v及风向？及风向？ OOP4P2C2C4 已知：测风气球的升速已知：测风气球的升速w=100米米/分分 第第2分钟的仰角分钟的仰角2= 45，方位角，方位角2= 30 第第4分钟的仰角分钟的仰角4= 30，方位角，方位角4=45 求第求第2-4分钟平均风速和风向分钟平均风速和风向200m200m400m692.82m3400C2P4P2C424C529.16V4.4/(42) 60120Cm sON23611225451

44、80G692.82m529.16m 已知：测风气球的升速已知：测风气球的升速w=100米米/分分 第第2分钟的仰角分钟的仰角2= 30，方位角，方位角2=45 第第4分钟的仰角分钟的仰角4= 45，方位角，方位角4= 30 求第求第2-4分钟平均风速和风向分钟平均风速和风向OOP4P2C2C4200m400m400mm41.4633200C2P4P2C424C200V1.7/(42) 60120Cm sONG?346.41m200m 已知：风气球的升速已知：风气球的升速w=100米米/分分 第第2分钟的仰角分钟的仰角2= 30，方位角，方位角2=45 第第4分钟的仰角分钟的仰角4= 76，方位

45、角，方位角4= 30 求第求第2-4分钟平均风速和风向分钟平均风速和风向OOP2P4C4C2800m200m400m692.82m3400C4P2P4C2smC/4 . 412016.52960)24(CV21ON56114545G692.82m529.16m200m 双经纬仪基线测风，双经纬仪基线测风，就是用两架经纬仪架设就是用两架经纬仪架设在已知距离的两个测点在已知距离的两个测点上，同时观测气球的运上，同时观测气球的运动，读出仰角和方位角动，读出仰角和方位角并通过计算求出气球的并通过计算求出气球的高度高度 然后，与单经纬仪然后，与单经纬仪定点测风一样，计算出定点测风一样，计算出各高度上的风

46、向、风速各高度上的风向、风速 两观测点之间的两观测点之间的连线称为基线。连线称为基线。由于气球高度是由于气球高度是实测的，因而准确实测的，因而准确度较高。这种方法度较高。这种方法也可用来测定云高也可用来测定云高或云中个体或云中个体3 双经纬仪定点测风双经纬仪定点测风3. 双经纬仪定点测风双经纬仪定点测风（一）基线的选择（一）基线的选择（二）气球高度的计算（二）气球高度的计算 （1）投影法计算气球高度）投影法计算气球高度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度（三）计算风向风速（三）计算风向风速（一）基线的选择（一）基线的选择 基线的长度和方位对测风精度有直接影响。一般基基线的长度和方位对

47、测风精度有直接影响。一般基线应选择在与当地盛行风向相垂直的方位上；另外再选择线应选择在与当地盛行风向相垂直的方位上；另外再选择与盛行风向相平行的第二条基线，两条基线互相垂直。以与盛行风向相平行的第二条基线，两条基线互相垂直。以保证任何时候都能选择一条与高空风交角较大的基线保证任何时候都能选择一条与高空风交角较大的基线 基线越长，计算精度越高，但是基线太长会给通讯联基线越长，计算精度越高，但是基线太长会给通讯联络带来不便，也会影响两架经纬仪的相互瞄准，因此，应络带来不便，也会影响两架经纬仪的相互瞄准，因此，应该在保证测量精度的前提下，选择合适的基线长度该在保证测量精度的前提下，选择合适的基线长度

48、 一般基线长度选为气球飞升最大高度的五分之一到五一般基线长度选为气球飞升最大高度的五分之一到五分之二左右分之二左右。如气球飞升最大高度为。如气球飞升最大高度为20002000米，则基线长度米，则基线长度至少应为至少应为400400米，气球飞升高度较高时，基线长度可定为米，气球飞升高度较高时，基线长度可定为18001800米左右米左右 基线长度的测量可直接用皮卷尺测定；也可用经纬仪基线长度的测量可直接用皮卷尺测定；也可用经纬仪测定，再用三角法计算测定，再用三角法计算 （一）基线的选择（一）基线的选择 基线两端的双经纬仪互相瞄准时，第一测点基线两端的双经纬仪互相瞄准时，第一测点（原（原点）对第二测

49、点点）对第二测点的方位角定为的方位角定为180180；点对点对点的方点的方位角定为位角定为 0 0，基线的方位是从，基线的方位是从点到点到点的方向与地点的方向与地理子午线的交角，可用罗盘测定。这样确定基线方位对理子午线的交角，可用罗盘测定。这样确定基线方位对计算比较方便计算比较方便 两观测点可以有一定的高度差，但一般情况下，两观测点可以有一定的高度差，但一般情况下，两两架经纬仪互望时，其仰角或俯角不应超过架经纬仪互望时，其仰角或俯角不应超过 1 1。测量高。测量高度差可用水平仪，也可用三角法计算度差可用水平仪，也可用三角法计算 NAB13. 双经纬仪定点测风双经纬仪定点测风基线的选择基线的选择

50、气球高度的计算气球高度的计算 （1）投影法计算气球高度）投影法计算气球高度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度水平面水平面投影法投影法3. 双经纬仪定点测风双经纬仪定点测风基线的选择基线的选择气球高度的计算气球高度的计算 （1）投影法计算气球高度）投影法计算气球高度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度铅直面铅直面投影法投影法3. 双经纬仪定点测风双经纬仪定点测风基线的选择基线的选择气球高度的计算气球高度的计算 （1）投影法计算气球高度）投影法计算气球高度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度 投影法计算时是假定基线两端的两架经纬仪投影法计算时是假定基线两端的两架经纬

51、仪观测空间气球位置的两条视线是相交的，而矢量观测空间气球位置的两条视线是相交的，而矢量法计算是假定两架经纬仪观测空间气球的两条视法计算是假定两架经纬仪观测空间气球的两条视线是不相交的。气球在空中飘移，两经纬仪观测线是不相交的。气球在空中飘移，两经纬仪观测的同时性很难满足，视线不相交于同一点的假定的同时性很难满足，视线不相交于同一点的假定比较符合实际情况。由此，根据观测数据计算出比较符合实际情况。由此，根据观测数据计算出的气球三维坐标值是唯一的，从而提高了计算精的气球三维坐标值是唯一的，从而提高了计算精度度 另外，矢量法能够计算出观测误差的指标，另外，矢量法能够计算出观测误差的指标，即两条视线之

52、间的即两条视线之间的“短线短线”距离，以检验原始观距离，以检验原始观测数据的可靠性，并给出最大误差的允许值测数据的可靠性，并给出最大误差的允许值（2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度hR2BCMR3DR1AB矢量法确定气球在空间的位置矢量法确定气球在空间的位置hR2BCMR3DR1AhR2BCMR3DR1AhR2BCMR3DR1A3. 双经纬仪定点测风（一）基线的选择（一）基线的选择（二）气球高度的计算（二）气球高度的计算 （1）投影法计算气球高度）投影法计算气球高度 （2）矢量法计算气球高度）矢量法计算气球高度（三）计算风向风速（三）计算风向风速4.4.雷达测风雷达测风 tcS21 随

53、着测风工作的不断发展，雷达已被广泛用来测定高空风随着测风工作的不断发展，雷达已被广泛用来测定高空风向和风速向和风速 我们知道，要对空间一点进行定位，须知道它的三个座标。我们知道，要对空间一点进行定位，须知道它的三个座标。经纬仪测风是借助经纬仪测风是借助仰角、方位角和高度仰角、方位角和高度进行定位的，而雷达则进行定位的，而雷达则是借助是借助仰角、方位角和斜距仰角、方位角和斜距来定位的来定位的 雷达测风的原理很简单，对于普通的一次雷达，当雷达天雷达测风的原理很简单，对于普通的一次雷达，当雷达天线发射出的高频电磁波在空中行进时，碰上目标物被反射回来，线发射出的高频电磁波在空中行进时，碰上目标物被反射

54、回来，然后又被雷达天线接收。因此，只要测出从发射高频脉冲（主然后又被雷达天线接收。因此，只要测出从发射高频脉冲（主波）到接收到反射讯号（回波）所经过的时间，则目标至雷达波）到接收到反射讯号（回波）所经过的时间，则目标至雷达站的斜距站的斜距便可用下式计算出来便可用下式计算出来 其中其中是电磁波在空间的传播速度，约为是电磁波在空间的传播速度，约为3 310108 8 米秒米秒tcS214 雷达测风雷达测风一次雷达的缺点一次雷达的缺点 要求雷达发射机有较大的发射功率。电力要求雷达发射机有较大的发射功率。电力消耗大，不经济消耗大，不经济 探测高度低，平均高度约探测高度低，平均高度约10 km，斜距最大

55、，斜距最大约约60 km 当高度较高、距离较远时，回波讯号太弱当高度较高、距离较远时，回波讯号太弱 不能同时进行高空气压、温度、湿度等气不能同时进行高空气压、温度、湿度等气象要素的探测象要素的探测二次雷达二次雷达 定义：所跟踪的目标物是有源的定义：所跟踪的目标物是有源的 该有源目标物就是具有发射能力的该有源目标物就是具有发射能力的“无线无线电电回答器回答器”。回答器受雷达发射的。回答器受雷达发射的“询问询问”脉冲所触发，同时它以和雷达相同的工作脉冲所触发，同时它以和雷达相同的工作频率，从空中发回频率，从空中发回“回答回答”脉冲（探空信脉冲（探空信号）。这种一问一答的工作状态就构成了号）。这种一

56、问一答的工作状态就构成了二次雷达的基本特点二次雷达的基本特点常用二次测风雷达常用二次测风雷达 701二次测风雷达二次测风雷达 工作波长工作波长 75cm 测角精度测角精度0.15-0.2 探测高度探测高度 30km 测距精度测距精度 80m CFE（L）1型二次测风雷达（型二次测风雷达（L波段）波段） 发射机频率发射机频率 远程远程 1675MHz；近程；近程1687MHz雷达波段划分雷达波段划分 大多数雷达工作在超短波及微波波段，其频率大多数雷达工作在超短波及微波波段，其频率范围在范围在30300000兆赫，相应波长为兆赫，相应波长为10米至米至1毫米，包括甚高频毫米，包括甚高频(VHF)、

57、特高频、特高频(UHF)、超、超高频高频(SHF)、极高频、极高频(EHF)4个波段个波段 第二次世界大战期间，为了保密，用大写英文第二次世界大战期间，为了保密，用大写英文字母表示雷达波段。将字母表示雷达波段。将2301000兆赫称为兆赫称为P波段波段、10002000兆赫称为兆赫称为L波段波段、20004000兆赫称为兆赫称为S波段波段、40008000兆赫称为兆赫称为C波段波段、800012500兆赫称为兆赫称为x波段波段、12.518千兆赫称千兆赫称Ku波段波段、1826.5千兆赫称千兆赫称K波段波段、26.540千兆赫千兆赫 称称Ka波段波段。上述波段一直沿用。上述波段一直沿用至今至今

58、4 雷达测风雷达测风雷达的组成及其各部分的作用雷达的组成及其各部分的作用 1.定时器定时器 2.发射机发射机 3.天线及馈线系统天线及馈线系统 4.接收机接收机 5.测距显示器测距显示器 6.测角显示器测角显示器 7.电源电源 测距原理测角原理4 雷达测风雷达测风 定时器定时器：是全机工作的是全机工作的控制中心，它产生各种控制中心，它产生各种脉冲作为计时的基准去脉冲作为计时的基准去控制其他几个有关的分控制其他几个有关的分机，使全机协调一致地机，使全机协调一致地工作工作4 雷达测风雷达测风发射机发射机：是全机的高频功率是全机的高频功率源。在定时器送来的正触发脉源。在定时器送来的正触发脉冲控制下，

59、定时地产生宽度约冲控制下，定时地产生宽度约为为微秒的高压脉冲去调制超微秒的高压脉冲去调制超高频振荡器，使产生约微秒高频振荡器，使产生约微秒宽的强功率超高频发射脉冲宽的强功率超高频发射脉冲4 雷达测风雷达测风 天线及馈线系统天线及馈线系统：天线是用来定向发射天线是用来定向发射和接收无线电波用的。（它由和接收无线电波用的。（它由1616根引向振根引向振子及其反射网组成。每四根振子按菱形排子及其反射网组成。每四根振子按菱形排列成一小组天线，分成上、下、左、右四列成一小组天线，分成上、下、左、右四个小组，四个小组天线仍按菱形编组排列，个小组，四个小组天线仍按菱形编组排列，组成总体天线阵。天线阵由天线转

60、动装置组成总体天线阵。天线阵由天线转动装置控制它作方位控制它作方位360360转动和上下俯、仰转动和上下俯、仰9090）。馈线系统的作用是将发射机产生）。馈线系统的作用是将发射机产生的超高频发射脉冲有效的送到天线阵的各的超高频发射脉冲有效的送到天线阵的各个引向振子上，并有效地将天线阵接收到个引向振子上，并有效地将天线阵接收到的超高频回答脉冲（探空信号）送到接收的超高频回答脉冲（探空信号）送到接收机机4 雷达测风雷达测风 接收机接收机：将接收到的回答脉将接收到的回答脉冲（探空信号）加以变频、冲（探空信号）加以变频、放大、检波，把回答脉冲从放大、检波，把回答脉冲从高频转变为视频脉冲，供给高频转变为