现代大气探测学-第七讲-地面风的测量-夏俊荣

1、南京信息工程大学南京信息工程大学 夏俊荣夏俊荣 致 谢 本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授的同类教材基础之上修改完成，此外还得到了其他诸位老师的帮助，在此谨表示衷心感谢。 第七讲 地面风的观测 知识结构知识结构ELEL型电接风向风速型电接风向风速计计3测风仪器的安装测风仪器的安装 5概述概述1风的传感器风的传感器2其他测风仪器其他测风仪器 4气象应用气象应用68.1 概述.什么是风风风- -空气的水平运动，矢量空气的水平运动，矢量风向风向风速风速2.风向 风向风向- -风的风的来向来向十六方位十六方位3.风速风速风速- -空气质点在单位时间内所空气质点在单位时间内所移动的水平距离移动的水平

2、距离单位单位- -米米/ /秒秒记录记录- -定时观测取整数，自记记定时观测取整数，自记记录取一位小数录取一位小数等等级级 名名 称称陆陆 上上 地地 物物 征征 象象相相 当当 风风 速速范围范围(m/s)中数中数0静风静风静，烟直上静，烟直上0.00.201软风软风烟能表示风向，树叶略有摇动烟能表示风向，树叶略有摇动0.31.512轻风轻风人面感觉有风，树叶有微响，风向标能转动，旗飘动人面感觉有风，树叶有微响，风向标能转动，旗飘动1.63.323微风微风树叶及小枝摇动不息，旗展开，高的草摇动不息树叶及小枝摇动不息，旗展开，高的草摇动不息3.45.444和风和风能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇

3、。高的草呈波浪起伏能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇。高的草呈波浪起伏5.57.975劲风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8.010.796强风强风大树枝摇动，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10.813.8127疾风疾风全树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不便全树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不便13.917.1168大风大风可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大17.220.7199烈风烈风草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树

4、枝可折断草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断20.824.42310狂风狂风树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏24.528.42611暴风暴风大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏28.532.63112飓风飓风陆上少见，其摧毁力极大陆上少见，其摧毁力极大32.6334.如何取得具有代表性的风资料？(12大探) 风的观测一般是风的观测一般是取某一时段内的平均风速取某一时段内的平均风速和最多风向和最多风向 气象台站观测中，一般是取气象台站观测中，一般是取两分钟两分钟的平均的平均风速和最多风向，风速和最多风向，自记仪器自记仪器是取是取十分钟

5、十分钟的平均风的平均风速和最多风向速和最多风向风速风向平均风速 算术平均法计算平均风向时存在的问题： 在处理风向平均时需要特别注意风向过北（即风向变化跨0）时导致结果失真的问题 四种方法： 算术平均法、标量平均法、矢量平均法以及单位矢量法 cossinxyVVVV 1111nxxiinyyiiVVnVVnVVxVy0风矢量示意图风矢量示意图 arctan(/)xyVV矢量平均法5.5.阵风阵风 阵风（风的阵性）阵风（风的阵性）- -瞬时风向风速在平瞬时风向风速在平均值附近涨落的变化和分布特性。均值附近涨落的变化和分布特性。WMOWMO定义定义- -在规定时间间隔（指十分钟）在规定时间间隔（指十

6、分钟）内，风速偏离其平均值的一个正的或内，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负的偏距，其持续时间不超过两分钟者。者。测平均风速时，仪器要有优良的积分测平均风速时，仪器要有优良的积分性能（即自动平均能力）；性能（即自动平均能力）；测阵风，仪器应能反映瞬时风速，自测阵风，仪器应能反映瞬时风速，自动平均能力良好反而不利动平均能力良好反而不利8.2 风的传感器风的感应器头部（平衡锤）头部（平衡锤）水平杆水平杆尾翼尾翼风向感应器8.2 风的传感器 灵敏性灵敏性稳定稳定性性 当尾翼所受风压力矩当尾翼所受风压力矩 风向标静摩擦力矩时，即在一风向标静摩擦力矩时，即在一定的起动风速定的

7、起动风速V V下，风向标才能转动。各种风向标下，风向标才能转动。各种风向标的起动风速都不相同的起动风速都不相同风向标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 风向标起动风速风向标起动风速 一般风向标一般风向标 0.5 m/s 较好的风向标较好的风向标 0.3m/s 风速资料处理注意要点？风速资料处理注意要点？常见的风向标双叶型风向标菱形风向标流线型风向标8.2 8.2 风的传感器风的传感器风杯风速器风杯风速器 风速感应器过高效应？过高效应？ 1）惯性）惯性 2） 垂直气流垂直气流 3） 风向脉动风向脉动 一般的风杯风速表一般

8、的风杯风速表 过高效应过高效应 10%风向和风速的传送风向标：风向标：机械传送、电接式传送、电位计机械传送、电接式传送、电位计式传送、光电转换即格雷码盘等，其中最式传送、光电转换即格雷码盘等，其中最常用的是常用的是格雷码盘格雷码盘风速：风速：机械式、电接式、电机式、磁感式机械式、电接式、电机式、磁感式和光电式即多齿光盘等，其中最常用的风和光电式即多齿光盘等，其中最常用的风速传感器是速传感器是多齿光盘多齿光盘 格雷码盘格雷码盘8.3 EL8.3 EL型电接风向风速计型电接风向风速计 （已淘汰）（已淘汰）1.1.基本组成基本组成 （1 1）感应器）感应器 a.a.风速部分的组成及各部分的作用风速部

9、分的组成及各部分的作用 b.b.风向部分的组成及各部分的作用风向部分的组成及各部分的作用 （2 2）指示器）指示器 a.a.瞬时风速指示部分瞬时风速指示部分 b.b.瞬时风向指示部分瞬时风向指示部分 （3 3）记录器）记录器 a.a.瞬时风速记录部分瞬时风速记录部分 b.b.瞬时风向记录部分瞬时风向记录部分8.3.1感应器 风向部分由风风向部分由风向标、风向方位块、向标、风向方位块、导电环、接触簧片导电环、接触簧片等组成；等组成； 风速部分由风速部分由风杯、交流发电机、风杯、交流发电机、蜗轮等组成蜗轮等组成 8.3 EL型电接风向风速计 （淘汰）指示器指示器瞬时风速指示部分瞬时风向指示部分瞬时

10、风向指示部分记录器记录器风速记录部分风速记录部分风向记录部分风向记录部分EL电接风向风速电接风向风速计计记录器记录器EL电接风向风速电接风向风速计计指示器指示器8.4 其他测风仪器热线风速表热线风速表 声风速表声风速表轻便风向风速表轻便风向风速表 ENEN型系列测风数据处理仪型系列测风数据处理仪单翼风向风杯风速传感器传感器单翼风向风杯风速传感器传感器螺旋桨式风向风速感应器螺旋桨式风向风速感应器海岛自动测风系统海岛自动测风系统 热线风速表热线风速表是利用一根被加是利用一根被加热的金属丝置于热的金属丝置于空气中，散热速空气中，散热速率与周围空气的率与周围空气的流速有关，利用流速有关，利用这种特性来

11、测量这种特性来测量风速。风速。 声风速表是利声风速表是利用声波在空气中的用声波在空气中的传播速度与风速之传播速度与风速之间的函数关系测量间的函数关系测量风速的。风速的。8.4 其他测风仪器热线风速表热线风速表 声风速表声风速表轻便风向风速表轻便风向风速表 ENEN型系列测风数据处理仪型系列测风数据处理仪单翼风向风杯风速传感器传感器单翼风向风杯风速传感器传感器螺旋桨式风向风速感应器螺旋桨式风向风速感应器海岛自动测风系统海岛自动测风系统 轻便风向轻便风向风速表是测量风速表是测量风向和一分钟风向和一分钟内平均风速的内平均风速的仪器，它用于仪器，它用于野外考察或气野外考察或气象站仪器损坏象站仪器损坏时

12、的备份。时的备份。 8.4 其他测风仪器热线风速表热线风速表 声风速表声风速表轻便风向风速表轻便风向风速表 ENEN型系列测风数据处理仪型系列测风数据处理仪单翼风向风杯风速传感器单翼风向风杯风速传感器螺旋桨式风向风速感应器螺旋桨式风向风速感应器海岛自动测风系统海岛自动测风系统 ENEN型系列测风数据型系列测风数据处理仪与特定感应器配处理仪与特定感应器配套可以组成套可以组成EN1EN1型和型和EN2EN2型两种自动测风仪。主型两种自动测风仪。主要功能有：定时打印输要功能有：定时打印输出二分钟、十分钟平均出二分钟、十分钟平均风向风速；打印输出大风向风速；打印输出大风报警及解除警报的风风报警及解除警

13、报的风向、风速及其出现时间，向、风速及其出现时间，发出报警信号发出报警信号 风向感应器为风向感应器为单翼风标。当风标单翼风标。当风标转动时，带动格雷转动时，带动格雷码盘，按照码盘切码盘，按照码盘切槽的设计，码盘每槽的设计，码盘每转动转动2.82.8，光电，光电管组就会产生新的管组就会产生新的七位并行格雷码输七位并行格雷码输出。出。 该感应器的头该感应器的头部是一组螺旋桨叶部是一组螺旋桨叶片，风向标部分制片，风向标部分制成飞机机身相似的成飞机机身相似的外形，保持良好的外形，保持良好的流线型。流线型。该系统是专该系统是专门为测量海岛出门为测量海岛出现的强风而设计现的强风而设计的，其特点是具的，其特

14、点是具有较好的测强风有较好的测强风能力。能力。 根据风速随高度根据风速随高度的变化情况以及为了的变化情况以及为了观测和维护的方便，观测和维护的方便，同时不受地形地物的同时不受地形地物的影响，测风仪器的安影响，测风仪器的安装高度最好在装高度最好在10102020米之间米之间8.5 测风仪器的安装测风仪器安装的测风仪器安装的地点要求尽量开阔空地点要求尽量开阔空旷，远离障碍物，使旷，远离障碍物，使之不受气流涡旋的影之不受气流涡旋的影响。因为建筑物、凹响。因为建筑物、凹地、山谷等地形作用地、山谷等地形作用会使气流产生涡流、会使气流产生涡流、辐合、辐散，使风的辐合、辐散，使风的资料只有小气候方面资料只有

15、小气候方面的意义，而缺少代表的意义，而缺少代表性性 测风仪器必须垂直测风仪器必须垂直安装；安装测风仪器的安装；安装测风仪器的杆不能太粗，否则会改杆不能太粗，否则会改变气流的自然状况；仪变气流的自然状况；仪器应安装在杆的顶端，器应安装在杆的顶端，如果需要安装在杆的中如果需要安装在杆的中间，则应使用一定长度间，则应使用一定长度的横臂，以使风速仪器的横臂，以使风速仪器远离杆柱远离杆柱8.6气象应用 风在天气预报中有着重要的作用，常作为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；风是一种自然力。我们可以利用风力发电；飞机选

16、择适当的航线，就可以缩短飞行时间，飞机选择适当的航线，就可以缩短飞行时间，减少油料消耗；风也可以将湿空气带到干旱地减少油料消耗；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，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，破坏海岸建筑物海岸，破坏海岸建筑物8.6气象应用 1 1、在天气预报方面、在天气预报方面 气旋与锋面逼近时，风力一般都要加大；反气旋中心移近时，风力气旋与锋面逼近时，风力一般都要加大；反气旋中心移

17、近时，风力就要减弱。气压系统加强或气压梯度加大时风力就要大；而气压系统减就要减弱。气压系统加强或气压梯度加大时风力就要大；而气压系统减弱或气压梯度变小时，风力就会减小弱或气压梯度变小时，风力就会减小 大风多具灾害性，对航运、渔业生产及军事活动的影响甚大，所以大风多具灾害性，对航运、渔业生产及军事活动的影响甚大，所以大风预报是风的预报的重点。大风的预报内容主要包括起风的时间、风大风预报是风的预报的重点。大风的预报内容主要包括起风的时间、风向、风力和大风持续时间等。考虑在预报地区范围中今后是否会出现产向、风力和大风持续时间等。考虑在预报地区范围中今后是否会出现产生大风的气压场形势，如有无锋面过境。

18、有无气旋发生发展，会不会出生大风的气压场形势，如有无锋面过境。有无气旋发生发展，会不会出现南高北低或东高西低的气压形势，或其他可能产生大风的天气系统现南高北低或东高西低的气压形势，或其他可能产生大风的天气系统 此外，风对于霜的形成也有影响。有微风的时候，空气缓慢地流过此外，风对于霜的形成也有影响。有微风的时候，空气缓慢地流过冷物体表面，不断地供应着水汽，有利于霜的形成。但是，风大的时候，冷物体表面，不断地供应着水汽，有利于霜的形成。但是，风大的时候，由于空气流动得很快，接触冷物体表面的时间太短，同时风大的时候，由于空气流动得很快，接触冷物体表面的时间太短，同时风大的时候，上下层的空气容易互相混

19、合，不利于温度降低，从而也会妨碍霜的形成。上下层的空气容易互相混合，不利于温度降低，从而也会妨碍霜的形成。大致说来，当风速达到大致说来，当风速达到3 3级或级或3 3级以上时，霜就不容易形成了级以上时，霜就不容易形成了8.6气象应用 2 2、在城市规划方面、在城市规划方面 为了尽可能地减少工厂排放的烟尘、废气对居住区为了尽可能地减少工厂排放的烟尘、废气对居住区的污染，城市规划尤其要考虑风的影响。各地都可根据的污染，城市规划尤其要考虑风的影响。各地都可根据该地的风频统计进行布局规划该地的风频统计进行布局规划 规律一：在常年盛行一种主导风向的地区进行城市规律一：在常年盛行一种主导风向的地区进行城市

20、规划时，应将向大气排放有害物质的工业企业布局在盛规划时，应将向大气排放有害物质的工业企业布局在盛行风的下风向，居住区布局在上风向行风的下风向，居住区布局在上风向 规律二：在风向随季节变化的地区进行城市规划时，规律二：在风向随季节变化的地区进行城市规划时，应使向大气排放有害物质的工业企业避开冬夏季对吹的应使向大气排放有害物质的工业企业避开冬夏季对吹的风向，布局在当地最小风频风向的上风向，居住区布局风向，布局在当地最小风频风向的上风向，居住区布局在下风向在下风向8.6气象应用 3 3、在森林防火方面、在森林防火方面 风力的大小还与森林火灾的发生关系十分密切。风不仅能把植被吹风力的大小还与森林火灾的

21、发生关系十分密切。风不仅能把植被吹干，有助于燃烧，而且在火灾发生后，还能使火源得到充分的氧气供应，干，有助于燃烧，而且在火灾发生后，还能使火源得到充分的氧气供应，加速燃烧，同时使火花飞溅，影响火灾的形状，延伸火灾的外形，扩大火加速燃烧，同时使火花飞溅，影响火灾的形状，延伸火灾的外形，扩大火灾面积，使地面火变为树冠火。及时准确的预报会减免火灾的发生和将损灾面积，使地面火变为树冠火。及时准确的预报会减免火灾的发生和将损失减到最小失减到最小 4 4、在军事气象方面、在军事气象方面 风是海洋气象因素之一，它对海军平战时的活动影响很大。风力超风是海洋气象因素之一，它对海军平战时的活动影响很大。风力超过一

22、定限度，还会影响海军兵器的使用，影响海军航空兵各种飞机的起降，过一定限度，还会影响海军兵器的使用，影响海军航空兵各种飞机的起降，甚至使飞机偏离预定航线。在海上防化学作战时，风向、风速也是必须考甚至使飞机偏离预定航线。在海上防化学作战时，风向、风速也是必须考虑的因素之一。另外，风速对舰艇上无掩蔽人员的战斗力影响也很大。台虑的因素之一。另外，风速对舰艇上无掩蔽人员的战斗力影响也很大。台风的影响就更大了，它使舰艇难以航行，飞机不能起飞，海上一切活动和风的影响就更大了，它使舰艇难以航行，飞机不能起飞，海上一切活动和训练演习都将被迫停止。所以，准确的预报对航行有重大意义训练演习都将被迫停止。所以，准确的

23、预报对航行有重大意义 8.6气象应用 5 5、其它、其它 风速风向资料还广泛应用于建筑设计、输电线路设计、大气污染评风速风向资料还广泛应用于建筑设计、输电线路设计、大气污染评价、风能资源开发等领域。风能主要被用于发电、电池充电、抽水或加价、风能资源开发等领域。风能主要被用于发电、电池充电、抽水或加工粮食等用途。大型现代化的风力涡轮可向用电设备供电，而小型的风工粮食等用途。大型现代化的风力涡轮可向用电设备供电，而小型的风力涡轮则多用于家庭和偏僻的乡村从而用来解决居民的能源需求。风能力涡轮则多用于家庭和偏僻的乡村从而用来解决居民的能源需求。风能与其它能源相比，既有其明显的优点，又有其突出的局限性。

24、风能具有与其它能源相比，既有其明显的优点，又有其突出的局限性。风能具有四大优点和三大弱点。四大优点是：蕴含量巨大、可以再生、分布广泛、四大优点和三大弱点。四大优点是：蕴含量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染。没有污染。 三大弱点是：密度低、不稳定、地区差异大。对于缺水、三大弱点是：密度低、不稳定、地区差异大。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为地利用风力发电，非常适合，大有可为 总之，风既可以给我们带来福，也能带来灾。因此，在利用风力、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风的资料 复 习 思 考 题1 1气象站地面风的观测项目有哪些，常用的测风仪器是气象站地面风的观测项目有哪些，常用的测风仪器是什么？什么？2 2试述风向标测定风向的原理。各种风标各有什么优点？试述风向标测定风向的原理。各种风标各有什么优点？3 3从风标响应的观点来说，对风标应有怎样的要求？从风标响应的观点来说，对风标应有怎样的要求？4 4试述杯形