第09章高空风观测物理学院大气科学系

物理学院大气科学第九章高空风的测量＆9.1＆9.2＆9.3＆9.4 &9.7单、双经纬仪高空风的测量方法气球升速的计算方灌制标准升速的气＆9.1概述为什么测量高空风(对流层内测量高空风的方 天气：云雨粒子(天气 导航测风：气球(漂移经纬仪测风:气球(漂

方位、仰角、高度(斜距、水平距＆9.2单经纬仪测水平风原理已知：等速上升气球的升速为：方位δ：仰角P,在t 为

VV

如图：第一点风向G11第二点风向

180θ2是C1C2与L2的夹角。通过C1向L2作垂线C1x，则有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气球的上升速度 气中受到向上的浮力F=ρ·V·g，其中：ρ为大气密度。气球在上由气体状态方 nRHT,

FgVn

Ra 定义净举力A为气球所受浮力与重力之AFmg(H)VgAE

Eh

R1Cr2w R

是空气动力粘性系数，在标准状态下=1.73×10-5kgm-1s-mdwFmgRdt

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

A

1 r2w dz dw

CDr2

w22A

dz 如果取一薄层大气，CD,r,R,ρ时，w=0,（9.36）w2

2DCr2D

[1exp(

CDr2m

z)]

由（9.37）式得气球的上升速度计算公w

Crexp(Crm

1/

2A1z有：w2A1

如果计算升速达到0.98w时的高度z，则有：1 Cr2 1exp

z

0.98 Cr2

exp z0.04 若m=60gr=35cm

DCr2zDm

ln

z DCr2D

如果计算升速达到0.99w时的高度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

度时的气球半径可由（9.30）式及将球体积V=4πr3/3带入得：A4r3( )g r[(AB 4(H)

]1/

由气球内外温度和压力相等有 Ra ，取1 （氢气

1)，代入（9.40）r[(A

]1

由（9.41）式可见，r13，上升中ρ变小，r增大

将（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℃, (标准度)时的升速w

b

1/

A1/E1/

w(0)1/

表9.1气球升速因密度因素随高度高度02468由表9.1可见，气球升速在5km高度处将比地面大10km高度处大20%

如果令b1=bρ0-1/6，取、E单位为为式(9.43)可得与之间关系，我国采用实验确定的与A表 与的关系 A1/wb( 0)1/6

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

1/

A1/E1/

A AB

（9.47）式制成的净举力查算表如

表9.5净举力查算表 表9.6净举力查算表 充灌标准升速气球的步骤观测气压P，温度由P、T查标准密度升速值由w0和球重B（球皮+附加物），查出净举力计算出砝码重=净举力A注意事项检查气球是否漏平衡器加上砝码，灌气球在空中平衡取下平衡器将气球口扎紧待放＆9.4双经纬仪测风通常b=500~2000m＆9.4.1计算测风 h=H-

平线，为AP在A点所在水平面上的投影线，A´PB就是AP 令APLBPL，表示投影点距观测点A´和B的 在平面三角形A´BPB中，设A´PBB=，则有=180°- 根据正弦定理

sin bsinLA

同理可得到PB对B站的水平距离bLBsin

由于APAP和BPBP都是直角三角形HLAtan HrLBtan

bsintan sin bsintan sin

其中180°-（+）。因此，由两架经纬仪观测同一气球，测量其方位角（、）和仰角（、），将其数值及基线长度b代入公式（9.15）和（9.16），即可计算出此时气球的准确高度H、H。趋于或度时，计算误差增大。

HHHm2

如果计算的（H-H）与h相差 观测中、、、读数存在

为了计算方便，在双经纬仪测风时，A、B当B站经纬仪对准A站经纬仪时，调整B站方位盘，使其读数为0A站对准B盘刻度调整为180°。

以´表示A站经纬仪(互对方位后)的方位角读数，´表北方向）上方（东面）PB´点时，则有：180180()180(180)

当气球投影点在基线下方（西面）PB点时，则有360180180(180360)

将两站经纬仪的方位角读数´、´直接代替、代入公式（9.15）角也可以用|´-´|写成如下一般形bsintanbsintanH sin sin(HbsintanbsintanH sin sin(

由公式（9.18）和（9.19）可以推导出球高计算的相对误差HH

cotcot()() sin(2H

H

cotcot()() sin(2

知，当（或）0°（或180°），（-）0°（或180°），（或）0°（90°）时，利用公式（9.18）计算气球高度相对误差

方位角(或)358,(或)方位角4,

0出现以上情况时可采用

＆9.4.2计算测风气球高度的垂直面投影将P点投影到基线所在的垂直面上 点以P´表示（PP´是与水平面平行的直水平面上的投影点；而PA´、PB´则分别是PA、PB在基线所在垂直面上的投点；APA与APA´是A点所在水平面上的水平线，BPB与BPB´是B点所在水平面上的水平线；AP´及BP´是视线AP及BP在垂直面上自A点观测P的仰角为、P´的仰角为´；自B点观测P的仰角为、P´的仰角为´。

距B点的高度H=P´PB´=PPB；AB之间的长度用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'、'根据正弦定理,在ABP'AP' BP'sin('

sin[180('' sin(' sin(

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

下面找出δ、、、

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

tansectan 利用（9.24）和（9.25）式可计算´和´，式中、、、都可由经纬仪测得。有了´和´的数值，即可由（9.22）、（9.23）计算气球高度。

('('

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

('('

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

气球投影点在基线上方2709090或270

Csinsin, sin(

Csin()sinsin(气球投影点在A侧之外90或270 Csin()sin, sin(

Csin()sinsin(气球投影点在B侧之外90或

Htansin,H sin(

5km,b、基线测风观测的记录处理，是指将每次基线测风中A、3、处理数据的过程包括根据气球在空中的位置及计算误差的估计，选择适当的计算方法计算各观测时间的气计算各观测时间（各层）的风速、风＆9.5测 测风测风原理(定位 L 1c2

低和探空仪配合，利用探空仪的发射模兼具探空仪地

测风测风原单单天线：信号最大方双天线：等信号

测角精度：0.05°,

＆9.6多普勒效应测发射电磁波为：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

如何检测

，RANGETIME为单个发射脉冲的回波序列，SAMPLETIME为不同脉冲的采样序列天气多普 测风--相干收发对于收发一体体制，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

风场模板风场模板 楼风廓CFL-

香河 WP-

Bragg散射在局地均匀、各向同性湍流的惯性子区内，反射率为n0.38C21/n其中，λ为入射电磁的波长，单位为m，cn2为折射率结构常数，单位为m-2/3，η的单位为。湍流散射回波信号的强弱直接与2值nn结构函折射率结构函折射率结构常结构函

Duvw(x1,x2)[u(x1)u(x2)][v(x1)v(x2)][w(x1)w(x2折射率结构函

D(r)(n(x)n(x))2(n(x)n(x 中性大气折射

N77.6p T

D(r)C2r2/ 折射率结构常Reynolds方

C2a2C2b2C2 nn

各波束的径向风当波束垂直指向水平风由倾斜波3波束--根据波束天顶角、两个倾斜波束分别得到u、v分量合5波束--将相对波束取平均，再按3波束算法计

vr(,)usinsinvsincoswcos垂直速度的获5波束风廓线获取垂直速度有两种方法垂直波束直接测量垂直速3波束风廓线只能用垂直波束直接测量垂直速度测激光风速仪（LaserDopplerAnemometerLDA；LaserDopplerVelocimeterLDV)是建立在激光技术和多普勒频移原理基础上，通过激光通过大气层时，大气层中的气溶胶粒子对入射光有散射效应，而运动的气溶胶粒子将使散射光的频率产生多普勒频移效应。在（Aerosolparticle)的气流速激光风速仪（LDA）有两大可远距离遥测，响应速度快完全不干扰自然流场

差动式频移LDV系统示意激光风速仪的结激光器入射光学单元光学接收单元多普勒信号处理数据处理系统

激光入射光学单

2usin 多普勒频移频光学接收单

fD

2,u

2sin fD2接收运动流体中粒子的散射光，得到多普勒频移频率fD多普勒信号处理频 ，计数式处理器，光子相关器模拟量、数字量转换成风速应后，粒子接收到的光波频率为 00

ff(1u

子作运动光源以此率向周发散射。当止的观测者（光检测器）某方向观测子的射光，由于们之存在对运， 接到的射光率又与粒子频为：fsf1(1ues

es粒子散射光单位向量，c为介质中的光ues取正是为选e向量由粒子朝向光检测器。将（8.64）cs式，当u<<c时，忽略高次项，可得经两次多普勒效应后的频关系式为 f(1u(ee)

最后可得它与光源频率之差（多普勒频移），

如下图所示，由两同频率fi的入射光，入射光单位向量分别为ei1、ei2，照射到运动速度的粒子P上，产生且方向相同，即

s

由前面多普勒 f(1u e) 对第一束入射光 接收到 散射光的频率 f(1u

) 射光的频率为 f(1u(ee) s i这两部分散射光 上混频后可测得差频为

fu e)cu

e)

i iic

当es1=es2，多普勒频移fD是两部分光波频率之入射光的单位矢量ei1、ei2与风速u的点乘积关系

i 是两束入射光的夹角，将（8.69）代入（8.68）u 2

由（0）可见，当和f成正比。就是说，可以通过测量多普勒频移到风速

其他激光直接探测技1原子吸收线，例如Na、K和Fe，使用全部吸收谱线），或光仪（如F-P法布里-帕罗标准具）光仪条纹图像(Fringepatternu

u

100%(1)100%,u这就是激光测速技术

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

vmax2 vmax 2sin

风场反演方法-线性风VR()vh()cos(0)cos()vf()sin1Rcos(vxvy) sin

0

coscos0

cossin

vxx

Rcos x y)cos 1Rcos(vyvx)sin

vy

vyxvy

xRc