大气探测学 (10)

以基线为南北方向， 以基线为南北方向，说明基线对方位
站经纬仪的方位角读数， 表示B站经纬仪 以α´表示A站经纬仪的方位角读数，β´表示 站经纬仪 表示 站经纬仪的方位角读数 的方位角读数。当气球投影点在基线上方（东面） ´ 的方位角读数。当气球投影点在基线上方（东面）P´B 点时， 点时， α = 180° − α ′, 则有： 则有：
b sin β tan δ b sin β tan δ Hδ = = sin ϕ sin(α − β )
b sin α tan γ b sin α tan γ Hγ = = sin ϕ sin(α − β )
（9.18)
（9.19)
思考题：基线定方位法对于计算球高是方便的，如果实际工作中， 思考题：基线定方位法对于计算球高是方便的，如果实际工作中， 由于受场地等限制，基线不可能是正南正北方向时， 由于受场地等限制，基线不可能是正南正北方向时，计算中如何 处理？ 处理？
风向Gn的确定：
2.风速的计算： 风速的计算： 风速的计算 风速是单位时间内空气水平位移的距离。 风速是单位时间内空气水平位移的距离。 时段内，气球的水平位移为D 在0~t1时段内，气球的水平位移为 2
D2 = v2 =
Lr 2 2 + Lt 2 2 Lr 2 2 + Lt 2 2 t 2 − t1
AP为自 点经纬仪仰视气球的瞄准线，APA是水平线，为AP 为自A点经纬仪仰视气球的瞄准线 是水平线， 为自 点经纬仪仰视气球的瞄准线， 点所在水平面上的投影线， ´ 就是AP在 点所在水平面 在A点所在水平面上的投影线，A´PB就是 在B点所在水平面 点所在水平面上的投影线 上的投影线。由图显然有， ´ 上的投影线。由图显然有，A´PB=APA，这是气球投影点距观 测点A的水平距离 的水平距离。 测点 的水平距离。
＆9.3 双经纬仪测风
三、计算测风气球高度的水平面投影法
将气球实际位置投影到 两点水平面上， A、B两点水平面上，计 算球高的方法， 算球高的方法，称水平 面投影法。 面投影法。 如图所示，观测点 的位置比 的位置比B点 如图所示，观测点A的位置比 点 高h（AA´=h)，基线长度为 （ ´ ，基线长度为b(A´B=b)。 ´ 。 在某一瞬时，如气球位置距离通过基 在某一瞬时， 线的铅垂面较远时，气球在P点 线的铅垂面较远时，气球在 点，这 时应采用水平面投影法。即，将气球 时应采用水平面投影法。 位置投影到B点所在的水平面上 点所在的水平面上， 位置投影到 点所在的水平面上，然 后利用A、 两点观测得到的 两点观测得到的P点方位 后利用 、B两点观测得到的 点方位 仰角，计算出P点的高度 点的高度。 角、仰角，计算出 点的高度。 气球位置P在 点所在水平面上的 气球位置 在A点所在水平面上的 投影为P 投影为 A，在B点所在水平面上的投 点所在水平面上的投 影点为P 影点为 B，设PPA=Hδ，PPB=Hγ， Hδ， Hγ分别为气球相对于 点及 点的高度， 分别为气球相对于A点及 点的高度， 点及B点的高度 两点间的高度差为h，所以有： 因A、B两点间的高度差为 ，所以有： 、 两点间的高度差为 Hδ=Hγ-h
tn-1~tn时间段内的平均风向，则：
Lrn = Ln − Ln −1 cos(α n − α n −1 ) Ltn = Ln −1 sin(α n − α n −1 )
所以：
θn
L tn = a rc ta n L rn
n
(9.5) (9.6)
Gn = α
± 1800 ± θ n
其中：
Ln −1 = H n −1ctg δ n −1 , H n −1 = ω t n −1 Ln = H n ctg δ n , H n = ω t n
由图可见，（ 由图可见，（9.15) 和（9.16)计算的球高应符合 ，（ 计算的球高应符合 Hδ=Hγ-h的关系。实际上由于观测中α、β、δ、γ的 的关系。 的关系 实际上由于观测中α 观测误差，使计算出的H 存在误差， 观测误差，使计算出的 δ、Hγ存在误差，因而不满 足这一关系。为了求得较准确的气球高度， 足这一关系。为了求得较准确的气球高度，一般 计算的球高的平均值， 取（9.15) 和（9.16)计算的球高的平均值，为气球 计算的球高的平均值 高度， 高度，既、即
（9.12)
∆APA P和∆BPB P都是直角三角形∆
H δ = LA tan δ H r = LB tan r
(9.13) (9.14)
b sin β tan δ sin ϕ b sin α tan r Hr = sin ϕ Hδ =
将（9.11）和（9.12）中的 A、 ） ）中的L LB分别代入（9.13)、(9.14)就得 分别代入（ 、 就得 两点的高度计算公式： 到A、B两点的高度计算公式： 、 两点的高度计算公式 (9.15)
注意互换方位： 注意互换方位：
在双经纬仪测风时， 、 两站经纬仪架设固 在双经纬仪测风时，A、B两站经纬仪架设固 调好水平后，要互相瞄准对方， 定、调好水平后，要互相瞄准对方，当B站经纬仪 站经纬仪 对准A站经纬仪时 调整B站方位盘刻度 站经纬仪时， 站方位盘刻度， 对准 站经纬仪时，调整 站方位盘刻度，使其读 数为0° 站对准B站经纬仪时 数为 °；A站对准 站经纬仪时，将方位盘刻度 站对准 站经纬仪时， 调整为180°。 调整为 ° 互对方位后， 互对方位后，利用两站的观测数据求气球高 度时， 度时，可以直接将经纬仪方位角读数代入公式计 算。 下面分别将气球投影点在基线（ 下面分别将气球投影点在基线（南——北方 北方 的上方（ 和投影点在基线的下方（ 向）的上方（东）和投影点在基线的下方（西） 的情况说明如下： 的情况说明如下：
(9.7) (9.8)
同理，可推广到 时段： 同理，可推广到tn~tn-1时段： v =9.9)
弱点：有上升、下沉气流时， 弱点：有上升、下沉气流时，速度偏大或者偏小
＆9.3 双经纬仪测风
一、基本原理
需要一根已知长度和A、 两站高差的观测基线 两站高差的观测基线； 需要一根已知长度和 、B两站高差的观测基线；
等速上升气球的生速为ω; 等速上升气球的生速为ω α：方位角 δ：仰角 时刻气球上升的高度为： 在t时刻气球上升的高度为：
(9.1)
H=ωt H=ω 气球在水平方向上的投影距离 为：L=Hctgδ L=Hctgδ 水平风速为： 水平风速为：v=L/t
(9.2) (9.3)
＆9.2 单经纬仪测风原理
Hm =
Hδ + ( Hγ − h ) 2
（9.17)
Hm =
Hδ + ( Hγ − h ) 2
（9.17)
Hm比Hδ和Hγ更接近气球的真实高度。如果计算的 δ、Hγ的差值 更接近气球的真实高度。如果计算的H 相差甚远， 与h相差甚远，就说明两站观测误差太大。观测误差主要来源于： 相差甚远 就说明两站观测误差太大。观测误差主要来源于： 1、经纬仪水平未调准确； 、经纬仪水平未调准确； 2、观测中α、β、δ、γ读数存在误差 、观测中α 读数时未将气球调到经纬仪十字叉处）或读错读数； （读数时未将气球调到经纬仪十字叉处）或读错读数； 3、两站读数不同时等；在观测数据处理过程中一般都有检验 、两站读数不同时等； 数据质量的标准，例如，两站计算的球高相差多少为合格资料， 数据质量的标准，例如，两站计算的球高相差多少为合格资料， 相差多少为不合格资料。 相差多少为不合格资料。
二、基线的选择
为了计算方便和提高观测精度， 为了计算方便和提高观测精度，尽量垂直于盛行 风向；或选择两条相互垂直的基线。在沿海（ 风向；或选择两条相互垂直的基线。在沿海（海 陆风）、山区（上谷风）、城市（城市环流） ）、山区 ）、城市 陆风）、山区（上谷风）、城市（城市环流）如 何选择基线？北京测风的基线如何选择？ 何选择基线？北京测风的基线如何选择？ h,b已知，A站选在楼顶平台 已知， 站选在楼顶平台 已知 有放球点B站能清楚看到 站能清楚看到A站 有放球点 站能清楚看到 站 的球，A,B站对气球视野相 的球， 站对气球视野相 当开阔 b=500~~2000m
xC2 = L2 − L1 cos(α 2 − α1 ) = L2 − L1 cos ∆α 2
C1 x = L1 sin ∆α 2
C1 x ⇒ θ 2 = arctan , L1 = H 1 ctg δ 1 , L 2 = H 2 ctg δ 2 xC 2
H1 = ω t1 , H 2 = ω t2
第九章 高空风的测量
＆9.1 概述 ＆9.2 经纬仪测风 ＆9.3 双经纬仪测风 ＆9.4 气球上升速度 ＆9.5 复习思考题
＆9.1 概述 1、为什么测量高空风?
了解大气层的运动状况,如区域和全球 大气环流,包括海陆风、湖陆风、山谷风、 城市热岛环流等;是研究全球及区域气候 变化、准确预报天气现象的重要手段。
2、测量高空风的方法：
包括雷达（多普勒雷达、激光雷达、声 雷达等）测风、经纬仪测风等。
＆9.2 单经纬仪测风原理
充满氢气的气球在大气的上升速度为ω; α：方位角 δ：仰角
在t时刻气球上升的高度为：H=ωt 气球在水平方向上的投影距离为： L=Hctgδ 水平风速为：v=L/t
＆9.2 单经纬仪测风原理
β = β ′, ϕ = 180° − (α + β ) = 180° − (180° − α ′ + β ′) = α ′ − β ′
当气球投影点在基线下方（西面） 点时，则有： 当气球投影点在基线下方（西面）PB点时，则有：
α = α ′ − 180° , β = 360° − β ′, ϕ = 180° − (α + β ) = 180° − (α ′ − 180° + 360° − β ′) = β ′ − α ′
b LA LB = = sin ϕ sin β sin α