第八章地面风观测.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 地面风的观测,1,知识结构,EL型电接风向风速计,3,测风仪器的安装,5,概述,1,风的传感器,2,其他测风仪器,4,气象应用,6,2,8.1 概述,.什么是风？,.风有什么观测意义？,.风向,.风速,.如何取得具有代表性的风资料？,.阵风,3,.什么是风,我们知道空气处于不停的运动之中。将空气的运动分解成垂直的和水平的两个分量，垂直分量称为空气的垂直运动（如对流运动），水平分量即是风。,简而言之，,风就是指空气的水平运动,，风的运动既有速度又有方向，说明了,风是一个矢量,，因此,风的观测包括风向和风速两项,。,4,.风有什么观测意义？,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。,风是一种自然力,。我们可以利用风力发电；飞机选择适当的航线，就可以缩短飞行时间，减少油料消耗，并且也安全可靠；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，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，也可变成怒涛冲击海岸，破坏海岸建筑物。,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风的资料。,5,.风向,风向是指风的来向。,人工观测：,用十六方位表示，以拉丁文缩写记录；,自动观测：,以度（）为单位。,6,.风速,风速是空气质点在单位时间内所移动的水平距离,。,以,米/秒（m/s）,为单位，定时观测取整数，自记记录取一位小数。,最大风速,：是指在某个时段内出现的最大,10min,平均风速值。,极大风速,（阵风）：是指某个时段内出现的最大瞬时风速值。,瞬时风速,：是指,3s,的平均风速。,7,.风速 （续）,风的平均量,：是指在规定时间段的平均值，有3s、1min、,2min,和10min的平均值。,风速的常用单位是m/s。,与其他风速单位的换算关系为：,1m/s=3.6km/h,=3.3尺/s,=1.49里/h(节 knots),=2.24哩/h,8,.如何取得具有代表性的风资料？,在观测中为了取得具有一定代表性的风向、风速资料，风的观测一般是,取某一时段内的平均风速和最多风向,。,实验表明：取十分钟时段内的平均值即可以达到一定代表性的要求，在大多数风的阵性涨落不大的情况下，取23分钟时段内的平均值，也可达到一定代表性的要求。,气象台站观测中，一般是取,两分钟,的平均风速和最多风向，自记仪器是取,十分钟,的平均风速和最多风向。,11,.阵风,所谓,阵风,（风的阵性）是,指瞬时风向风速在平均值附近涨落的变化和分布特性,。,WMO关于“阵风”的定义是：在规定时间间隔（指十分钟）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者。,风的阵性在航空、航海、建筑、大气污染和放射性微尘的扩散等方面都有广泛的应用。另外由于风的阵性变化（包括风向的突变或风速的迅变）常常伴随着其它气象要素的变化，标志着某种天气过程的发生或演变，因此，对风的阵性研究很受重视。,12,不难理解，,测定平均风速时,，仪器要有优良的,积分性能,（即自动平均能力）；要是,测定阵风,，仪器应能,反映瞬时风速,，自动平均能力良好反而不利。因此,选择仪器要根据观测的要求来进行！,13,8.2 风的传感器,风的传感器,风向感应器,风速感应器,14,风向标,是各种测风仪器中用以指示风向的最主要的部件。,分为头部（维持平衡也称平衡锤）、水平杆与尾翼,三部分,。,整个风向标可,绕垂直轴旋转,。它的重心正好在转动轴的轴心上。,风向感应器,8.2.1 风的感应器,15,风向标,16,风向标作用原理,当风的来向与风向标成某一个交角时，风对风向标产生压力，这个力可分解成平行和垂直于风向标的两个分力。由于风向标头部受风面积较小，尾翼受风面积较大，因而感受的风压不相等，垂直于尾翼的风压产生风压力矩，使风向标绕垂直轴旋转，直至风向标头部正好对着风的来向时，由于翼板两边受力平衡，风向标就稳定在某一位置。,17,风向标都应满足,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,灵敏性,稳定性,18,19,常见的风向标,双叶型风向标,菱形风向标,流线型风向标,它们各有什么优缺点呢？,20,21,双叶型风向标,：尾翼由两个分开的叶片组成，两翼有20左右的张角，增大了垂直方向上的风压，所以灵敏性较好。同时由于张角的存在，当风标做惯性转动时，受到摆回平衡位置的力也要大些，所以稳定性也较好。双叶型尾翼的最大缺陷，是尾翼对气流的破坏较严重，引起了尾翼后的涡流。,菱型风向标,：是比较理想的风向标，它的体积和重量都较小；另外，尾翼透空，气流从尾翼透空部分通过，形成一股强气流，使得尾翼不易摆动，并将尾部形成的涡流带走，使得气流稳定。所以它的灵敏性、稳定性都很好。,流线性风向标,：具有菱型风向标的优点。但是，制造上较难，容易变形。,它们各有什么优缺点呢？,22,8.2.2 风向传感器,传送和指示风向标所在方位的方法,：,机械传送,电接式传送,电位计式传送,光电转换（,格雷码盘,）,格雷码盘将风向标轴的转动角度的度数变换成一个二进制的数字信号。当风向标随着气流的运动而转动时，风向轴带动格雷码盘与风向标同时转动,从而输出七位格雷码信号，将机械位置信号转换成电信号。,十进制与通用二进制码以及格雷码的转换见表,8-3,。,23,24,二进制代码与格雷码相互转换,25,8.2.3 风杯式风速感应器,风速感应器,目前普遍采用的测定风速的仪器为,风杯形风速器,，它的感应部分是由三个或四个圆锥形或半球形固定在架子上的风杯组成。,整个架子连同风杯装在一个可以自由转动的轴上，所有的风杯都顺着一面。在风压的作用下，风杯就顺着圆锥（球形）的凸面方向自由旋转。,26,27,8.2.3 风杯式风速感应器,当风从左方吹来时，风杯（1）与风向平行，风对风杯（1）的压力在最直于风杯轴方向上的分力近似为零。风杯（2）与（3）同风向成60角相交，对风杯（2）而言，其凹面迎着风，承受的风压最大;风杯（3）其凸面迎风，风的绕流作用使其所受风压比风杯（2）小，由于风杯（2）与风杯（3）在垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动越快。,但风杯开始转动后，由于杯（2）顺着风的方向转动，受风的压力相对减小，而杯（3）迎着风以同样的速度转动，所受风压相对增大，风压差不断减小，经过一段时间后（风速不变时），作用在三个风杯上的分压差为零时，风杯就变作匀速转动。这样根据风杯的转速（每秒钟转的圈数）就可以确定风速的大小。,测风原理,28,8.2.4 螺旋桨式风速感应器,工作原理：螺旋桨式风速感应器对准气流的叶片系统受到风压作用，产生一定的扭力矩，使叶片系统转动。它的转速与风速能保持一定的关系（满足一定条件时，转速与风速成正比）。,29,8.2.5 风速传感器,传送和指示风速的方法：,机械式,电接式,磁感式,光电式（多齿光盘）,多齿光盘,固定在风杯轴上，盘上有等距的孔，光盘上面装有,发光二极管,，下面装有,光敏三极管,。当风杯带着光盘转动时，由于孔的不连续性，光敏三极管时而导通时而截止，形成,光脉冲信号,，每一个脉冲信号代表一定的风程。这样就能得到与风杯转速成正比的频率信号。由计数器计数，经转换即可得到实际的风速。,30,8.3 EL型电接风向风速计,1.基本组成,（1）感应器,a.风速部分的组成及各部分的作用,b.风向部分的组成及各部分的作用,（2）指示器,a.基本组成,b.瞬时风速指示部分,c.瞬时风向指示部分,（3）记录器,31,8.3.1感应器,风向,部分由：,风向标,风向方位块,导电环,接触簧片等组成；,风速,部分由：,风杯,交流发电机,蜗轮等组成。,32,33,34,8.3 EL型电接风向风速计,指示器,瞬时风速指示部分,瞬时风向指示部分,记录器,风速记录部分,风向记录部分,35,电接风向风速计指示器,瞬时风速指示电路,36,瞬时风向指示电路,直流电源保护装置接线图,37,电接风向风速计记录器,由八个风向电磁铁、一个风速电磁铁、,自记钟、自记笔、笔杆、干电池接头等组成,38,风速记录机构,风向记录机构,39,8.4 其他测风仪器,热线风速表,声风速表,轻便风向风速表,EN型系列测风数据处理仪,单翼风向风杯风速传感器,螺旋桨式风向风速感应器,海岛自动测风系统,40,8.4 其他测风仪器,热线风速表,热线风速表是利用,一根被加热的金属丝,置于空气中，,散热速率与周围空气的流速有关,，利于这种特性来测量风速。,热线风速表有旁热型和直热型两种类型。相比较直热型的时间常数比旁热型要小，这样能更精确地测量风速随时间的瞬间变化。直热型风速表可以采用两种工作方式：恒流式和恒阻（恒温）式。,气温变化、仪器本身的灵敏度变化、热线方向与气流方向不垂直以及空气密度都将对热线风速表测量风速造成影响。,41,8.4 其他测风仪器,声风速表,声风速表是利用,声波在空气中的传播速度与风速之间的函数关系测量风速,的。,42,8.4 其他测风仪器,轻便风向风速表,轻便风向风速表是测量风向和一分钟内平均风速的仪器，它用于野外考察或气象站仪器损坏时的备份。,构造：,风杯感应部分,机械指示部分,感应部分,：四个半球形风杯,刻度盘中心大指针指示十位数和个位数，右边小指针指示百位数，左边小指针指示千位数。,43,仪器的右下方有一启动开关。将它拉起或按下，就可以使刻度盘内的齿轮部分与中心轴下部的螺纹相接或离开。,轻便风速表一般用于小气候观测 或 特殊观测。,8.4 其他测风仪器,轻便风向风速表,DEM6型轻便风向风速表,：测定风向风速，携带方便,DEM5-1型磁感风向风速表,：测定风向风速，携带方便,44,使用：,仪器安置在四面开阔不阻碍风速的地方，高度可以根据观测目的来确定，要注意保持表身垂直且读数方便。,风速表在观测前，应读出所有指针示度记入观测薄中。,到观测时间，拉启动开关，使风杯与数字盘接通，同时，应开动秒表，观测者需向仪器背风面后退数步，以免影响仪器附近的空气自由流通。,到了预定时间时，关闭启动开关，记下第二次指针示度。,根据两次读数算出其差数，并记入观测薄内。,其差值表示：开关从打开到关闭时间间隔内，风速表指针所走过的刻度数（米），将此差数除以指针所走的持续时间（秒），则为每秒刻度，准确到一位小数。,计算出的刻度数经过所附检定表订正后，就得到所测的风速。,8.4 其他测风仪器,轻便风向风速表,45,8.4 其他测风仪器,热线风速表,声风速表,轻便风向风速表,EN型系列测风数据处理仪,单翼风向风杯风速传感器,螺旋桨式风向风速感应器,海岛自动测风系统,EN型系列测风数据处理仪,与特定感应器配套,可以组成EN1型和EN2型两种,自动测风仪,。,主要功能有：定时打印输出二分钟、十分钟平均风向风速；打印输出大风报警、航危报大风报警及解除警报的风向、风速及其出现时间，发出报警信号,46,EN型自动测风仪,：定时打印输出瞬时、平均风向风速，并能挑选极值，进行统计。,47,8.4 其他测风仪器,热线风速表,声风速表,轻便风向风速表,EN型系列测风数据处理仪,单翼风向风杯风速传感器,螺旋桨式风向风速感应器,海岛自动测风系统,风向感应器为单翼风标。当风标转动时，带动格雷码盘，按照码盘切槽的设计，码盘每转动2.8，光电管组就会产生新的七位并行格雷码输出。,48,8.4 其他测风仪器,热线风速表,声风速表,轻便风向风速表,EN型系列测风数据处理仪,单翼风向风杯风速传感器,螺旋桨式风向风速感应器,海岛自动测风系统,该感应器的头部是一组螺旋桨叶片，风向标部分制成飞机机身相似的外形，保持良好的流线型。,49,8.4 其他测风仪器,热线风速表,声风速表,轻便风向风速表,EN型系列测风数据处理仪,单翼风向风杯风速传感器,螺旋桨式风向风速感应器,海岛自动测风系统,该系统是专门为测量海岛出现的强风而设计的，其特点是具有较好的测强风能力。,50,8.5 测风仪器的安装,测风仪器的安装，根据不同的观测目的，其要求也不同。气象台站观测，主要是提供天气预报和气候资料，一般测风仪器在正确装置的情况下，大多能满足其准确度的要求。但对于像水文气象、农业气象、污染气象等为特殊目的而进行的观测，其精度要求高一些，因此对仪器的安装要求也不同。,在近地面几十米以内，风向随高度的变化比起风速的变化来要小得多，因此对测定风向仪器的安装没有更高的要求，只要求适当地高，避免地面突出障碍物的影响就可以了,但对测定风速仪器的安装，就需要考虑以下几个问题：,51,.安装高度,根据风速随高度的变化情况以及为了观测和维护的方便，同时不受地形地物的影响，测风仪器的安装高度最好在1020米之间。,52,.安装高度,.安装地点,测风仪器安装的地点要求尽量开阔空旷，远离障碍物，使之不受气流涡旋的影响。因为建筑物、凹地、山谷等地形作用会使气流产生涡流、辐合、辐散，使风的资料只有小气候方面的意义，而缺少代表性。,53,.安装高度,.安装地点,.安装要求,测风仪器必须垂直安装；安装测风仪器的杆不能太粗，否则会改变气流的自然状况；仪器应安装在杆的顶端，如果需要安装在杆的中间，则应使用一定长度的横臂，以使风速仪器远离杆柱。,54,8.6气象应用,1、在天气预报方面,2、在城市规划方面,3、在森林防火方面,4、在军事气象方面,5、其它,55,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。,预报着眼点放在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。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。若预报有大风出现的可能，则要考虑出现大风的起止时间及风力多大。一般气象站所用的方法是，在产生大风的天气系统移来的方向上游选取几个指标站，用历史资料统计出指标站的气象要素，或指标站与本站之间的要素差值（近似的梯度值）与本站出现大风的时间与风力的关系。,8.6气象应用,在天气预报方面,56,8.6气象应用,在天气预报方面,在做风的预报时，首先应该,分析气压场,的预报，即预报未来影响本论的气区系统如何移动，强度怎样变化，是否有锋面过境，从而预报本站风向的变化。,预报风力则可按照,气压梯度,的变化，根据地转风和梯度风原则，估计出第一近似值。具体地说，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。,57,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。,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。,8.6气象应用,在,城市规划方面,58,8.6气象应用,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。,59,8.6气象应用,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。,60,8.6气象应用,在其它方面,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、没有污染。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，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。,61,Thanks！,62,