第九章高空风的测量
大气层中的风向和风速测量方法
1.引言大气层中的风向和风速测量对于许多领域都非常重要，例如气象、航空、海洋、环境保护等。
因此，研究和发展具有高精度和高可靠性的风向和风速测量方法具有重要意义。
2.风向测量方法2.1.风向标法风向标法是最简单和最直观的风向测量方法。
它通过观察风向标上的指针或其他标志物的方向来确定风向。
这种方法适用于低空风向测量和风向变化缓慢的情况。
2.2.风袋法风袋法是一种基于气体动力学原理的风向测量方法。
它利用风袋在风中的变形来测量风向。
风袋通常由两个或更多的薄膜构成，它们之间充满了气体。
当风吹过风袋时，其中一个膜会向风口方向凸起，另一个则凹陷。
这种变形可以通过测量两个膜的形态来确定风向。
2.3.旋转杆法旋转杆法是一种基于摩擦力原理的风向测量方法。
它利用一个固定在地面上的杆，杆顶安装有一个旋转的指针或标志物。
当风吹过杆时，风力会使得指针或标志物旋转，其方向指向风的来向，从而确定风向。
3.风速测量方法3.1.热线法热线法是一种基于热传导原理的风速测量方法。
它利用一个细丝电阻作为热线，将其加热到一定温度。
当气体通过热线时，它会带走部分热量，从而降低热线温度。
通过测量热线的电阻变化来计算气体的流速，进而确定风速。
3.2.声波法声波法是一种基于声学原理的风速测量方法。
它利用声波在气体中的传播速度和方向与气体运动速度和方向之间的关系来计算风速。
这种方法需要使用专门的声速计来测量声波的传播速度，因此适用于高精度的风速测量。
3.3.激光多普勒测速法激光多普勒测速法是一种基于激光多普勒效应的风速测量方法。
它利用激光束对气体中的微粒进行散射，并通过测量散射光的频率变化来计算气体的速度，从而确定风速。
这种方法具有高精度和非接触性，适用于远距离和高速风速测量。
4.结论风向和风速是大气层中最基本的气象要素之一，对于许多领域都具有重要意义。
本文介绍了几种常见的风向和风速测量方法，包括风向标法、风袋法、旋转杆法、热线法、声波法和激光多普勒测速法。
《高空风的测量》课件
处理和分析。
面临的挑战
高空环境的复杂性
高空中的气流不稳定、风速变化大，对测量设备的稳定性和可靠 性提出了更高的要求。
测量设备的维护与更新
高空风测量设备需要定期维护和更新，以确保数据的准确性和可靠 性。
数据处理的挑战
高空风数据量大、复杂度高，需要高效、精准的数据处理和分析方 法，对技术和算法提出了更高的要求。
接收到的回波信号经过处理后， 可以提取出目标的距离、方位、 高度等信息。
雷达的应用
用于探测降水、风场、气流等气 象信息，为气象预报和灾害预警 提供数据支持。
气象雷达
用于飞机导航和着陆，探测空中 的气象信息，保障飞行安全。
航空雷达
用于探测敌方目标，引导武器攻 击，保障军事行动的顺利实施。
军事雷达
飞 机 测 量
飞机飞行时，机翼与空气之间存在 相对运动，导致机翼上下的空气压 力不同，从而产生升力。
飞机的动力装置通常包括发动机和 螺旋桨，它们通过旋转产生推力， 使飞机前进。
飞机的应用
飞机在交通运输领域中应用广泛，如 商业航班、私人飞机和军用运输等。 在战争中，飞机可以用于侦察、轰炸 和战斗等任务。 在科学研究中，飞机可以用于气象观 测、地理测绘和环保监测等任务。
飞机介绍
飞机是一种由动力装置产生前进动 力，由固定机翼产生升力的航空器。 按照用途可以分为军用机和民用机， 其中军用机又可以分为战斗机、轰 炸机、侦察机等，民用机则可以分 为运输机、客机和直升机等。 飞机的发明极大地改变了交通运输、 战争和日常生活等方面。
飞机的工作原理
飞机的控制系统包括飞行操纵面、 起落架和推进系统等，用于控制飞 机的姿态、速度和高度等参数。
气象气球的工作原理
充气与升空
风声测量方法
风声测量方法
- 风向测量：使用风向标，其风向箭头指向哪个方向，就是表示当时刮的是什么方向的风。
当风向标与气流路径成一定夹角时，气流将对风向标尾翼造成一个压力。
其大小正比风向标几何外形在气流方向垂直面之上的投影。
风向标头部迎风面积小，尾翼迎风面积大。
该压力差造成的风压使风向标绕垂直轴转动，直至风向标与气流平行。
从风向标和固定主方位指示杆之间相对位置就可以很容易观测出风向。
- 风速测量：使用测量风速的风速仪，其外接了可伸缩的六轮风叶设计，感应更加灵敏，机械式测量方法通常用作测量井巷的风。
首先需估算风速，然后采用风向标和秒表将风表指针和秒表的归零，然后使风表朝向风流并与风流方向垂直。
风表空转30秒之后，同时开启风速表和秒表开关，开始测量。
同一断面的测风次数不低于3次，测风过程中要平稳进行。
风的测量
风的测量
来源：作者：佚名发布时间： 2008-8-27 13:15:29
测风系统
在风电场选址时，一般气象台、站仅能提供较大区域内的风能资源情况，而且其采用的测量设备精度也不一定能满足风电场微观选址的需要。
因此，风电场选址需使用高精度的自动测风系统进行测量。
风的测量包括风向测量和风速测量。
风向测量是指测量风的来向，风速测量是测量单位时间内空气在水平方向上所移动的距离。
自动测风系统主要由六部分组成。
包括传感器、主机、数据存储装置、电源、安全与保护装置。
传感器分风速传感器、风向传感器、温度传感器（即温度计）、气压传感器。
输出信号为频率（数字）或模拟信号。
风向测量
1、风向标
风向标是测量风向的最通用的装置，有单翼型、双翼型和流线型等。
风向标一般是由尾翼、指向杆、平衡锤及旋转主轴4部分组成的首尾不对称的平衡装置。
其重心在支撑轴的轴心上，整个风向标可以绕垂直轴自由摆动。
在风的动压力作用下取得指向风的来向的一个平衡位置，即为风向的指示。
传送和指示风向标所在方位的方法很多，有电触点盘、环形电位、自整角机和光电码盘4种类型，其中最常用的是码盘。
风向杆的安装方位指向正南。
风速仪（风速和风向）一般安装在离地10m的高度上。
图。
第九章 高空风的测量
向气球内充灌氢气时，可以用浮力天平或平衡器 控制其净举力。
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9.2.3 气球的上升速度
气球实际升速与计算值的偏差：
2Km以下，接近地面时偏差最大； 2~12Km高度范围内偏差不大。
建议将气球在施放头5分钟内的计算升速值加 以订正：
施放后的第1分钟将升速增加20% 施放后的第2、3分钟将升速增加10% 施放后的第4、5分钟将升速增加5%
气球升速是根据当时空气密度、球皮等附加物重量 计算出气球净带力，按照净举力灌充氢气来确定。 但由于大气湍流和空气密度随高度变化，以及氢气 泄漏等因素的影响，气球升速不均匀导致高度误差 大，测风精度低。 在配合探空仪观测时，气象站用探空仪测得的温度， 气压、湿度资料计算出气球高度。
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9.4 高空风的测量
共有两组天线
一组监测探空仪信号的仰角 另一组监测探空仪信号的方位角。
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9.4 高空风的测量
气球轨迹法
因追踪设备不同，分为：
单经纬仪测风 双经纬仪测风 二次雷达测风 GPS导航测风
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9.4 高空风的测量
单经纬仪测风只能测出气球的仰角和方位角， 气球高度由升速和施放时间推算。
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9.4 高空风的测量
显然，在相同的发射功率下，二次雷达 比一次雷达探测距离更远，可测更高的 高空风。 但随着技术的发展，发射功率已不是大 的技术障碍时，着眼于提高测风精度和 经济效应等方面，一次雷达测风也有其 独特优势。
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探空仪即将拖放 701雷达待命工作
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9.5 风廓线雷达
高空风的计算分解
Zi X cos Yi sin Z 0
' i '
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计算层的划分
0 -20 min
20-40min
1分钟作为一个计算层
2分钟作为一个计算层
40- min
3分钟作为一个计算层
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根据误差传递公式
V 2 V 2 V 2 H H
1）直接计算求取各规定层次风的数据。首先计算出标准等 压面或规定高度层等位置的时间，再根据此时间分辨率的 要求，以高度的时间为中心，直接计算求取各规定层次的 风向、风速值。此方法得出的规定层次风数据相对精确， 但在风的特性层选取等方面不能被应用.
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内插法定风向原理
量得风层间的风要素内插的假设前提是相关数据之间的变化是线性的， 而实际上两个量得风层间由于种种原因，在自然系统中的实际变化， 1 分钟之间的风向并不是线性化的
其中，
：测站纬度
：测站经度
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站心转化为地心：
X i X i' cos sin Yi ' sin Zi' cos cos X 0 Yi X sin sin Yi cos Z cos sin Y0
' i ' ' i
δ：气球的仰角 Ψ:气球的方位角
转化为直角坐标系：
X i' Ri cos i cos i Yi ' Ri cos i sin i Z i' Ri sin i
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站心坐标系计算层风
第九章高空风的测量
方向和大小)来测定各高度上的风向、风 速。
这类方法广泛用于测定地面风 测高空风时，就需要使用升空装置(系留气
球、飞机等)将测风仪(风杯、风标、风压管 等)带到各个高度上，但在观测高度、观测 时间上受到限制。
6
9.1 高空风的观测方法
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9.4 高空风的测量
雷达测风法又可分为一次雷达测风法和 二次雷达测风法。
前者是利用气球上悬挂的金属反射体反射雷 达发射的脉冲信号，测定气球角座标和斜距；
后者利用气球悬挂的发射回答器，当发射回 答器受雷达发射的脉冲激励后产生回答信号， 由回答信号测定气球角座标和斜距。
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9.4 高空风的测量
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9.2.5 其他用途气球
2. 洛宾（ROBIN）气球
下投式垂直探空气球，非膨胀型。
3. 棘面气球（Jimsphere）
用于雷达测风的气球，直径2米。
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9.3 球定气球位置的仪器设备
光学测风经纬仪、雷达、二次雷达、无 线电经纬仪，以及GPS卫星导航定位技 术。
小球测风——光学测风经纬仪，角坐标测量 精度高，受天气条件限制
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9.1 高空风的观测方法
高空风测量中使用的示踪物一般是灌满 氢气的气球，即测风气球。
此外，天空中云团、人工施放的烟团和铝箔 也可作为示踪物。
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9.1 高空风的观测方法
我们可以使气球以三种方式在空中飘浮：
①气球只飘浮在某一高度(等密度面)上，一 般称为平移气球
②气球以一定的垂直速度上升． ③气球以一定的速度降落．279.3.3 无线电经纬仪
与测风雷达相比，具有低能耗，设备重 量轻的优点。
测量风速的方法
测量风速的方法内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）测量风速的方法张曦计算机科学与技术10级1班高空风观测测量近地面直至30公里高空的风向风速。
通常将飞升气球作为随气流移动的质点，用地面设备（经纬仪或雷达）跟踪气球的飞升轨迹，读取其时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置的坐标值，可求出气球所经过高度上的平均风向风速。
高空风的测量一般指从地面到空中30km各高度上的风向、风速的测定。
其测量方法有：？一．利用示踪物随气球漂浮，观测示踪物位移来确定空中的风向和风速；?常用测风气球作为气流示踪物，使用地点跟踪设备观测其运动轨迹，测定其在空间各个时刻的位置，再用图解法、解析法或矢量法确定相应大气层中的平均风向、风速。
气球空间位置的确定需要测定三个参数：仰角δ、方位角α和球高H。
测风经纬仪是一种跟踪观测和测定空中测风气球仰角、方位角的光学仪器。
在实际测量中，可以采用单经纬仪测风，也可采用双经纬仪测风（基线测风法）。
其中后者准确度较高，可用来鉴定其它测风方法的准确性，但这种方法的观测和计算较复杂。
用双经纬仪测风计算高度时，可采用投影法（包括水平面投影法、铅直面投影法和矢量投影法）。
二．利用大气中的质点或湍流团块与无线电波、声波、光波的相互作用，由多普勒效应引起的频率变化推算空中的风向、风速；在我国，目前主要采用59型探空仪和701型二次测风雷达组成59—701高空探测系统，进行高空温、压、湿、风的综合测量。
三．利用系留气球、风筝、飞机、气象塔等观测平台，使测风仪器安置在不同高度上，根据气流对测风仪器的动力作用来测量空中的风向、风速。
导航测风就是借助导航台信号，由气球携带的探空仪自身确定其位置，并将位置信号、气象资料信号一起发回基站，然后在基站进行处理，计算高空风的方法。
近地面层以上大气风场的探测。
通常用气球法测风。
高空风探测也是气象飞机探测、、的内容之一。
大气探测学作业习题及参考答案
6 精品课程《大气探测学》作业习题第1章绪论1.名词解释：大气探测的精确度、灵敏度、惯性、分辨率、量程、代表性、可比性。
2.大气探测学研究的对象、范围和特点是什么？3.大气探测的发展主要有哪几个时期？4.简述大气探测原理有哪几种方法？5.大气探测仪器的性能包括哪几个？6.如何保证大气探测资料的代表性和可比性？第2章云的观测7.熟记三族、十属、二十类云的中文名和国际简写。
8.解释积状云、层状云、波状云的形成机理和基本特征。
9.解释卷积云与高积云、高积云与层积云各有何异同？10.解释卷层云与高层云、高层云与雨层云、雨层云与层云有何异同？11.解释荚状、堡状、絮状云、钩状云的形成机理，各代表什么大气气层结状况？12.解释碎积云、碎层云、碎雨云的外形与成因有何不同？13.简述对流云从淡积云Cu hum发展到鬃积雨云Cb cap的物理过程。
14.熟记CH、CM、CL云码所代表的云属、云状及其天气意义和演变规律。
15.对下面的记录进行分析，并描述天空状况，包括云状、云量、云的特征及可能伴随出现的天气现象等。
时间8h 10h 12h 14h 16h云码CL1，CM8，CH1 CL2，CM6，CH2 CL2，CM6，CHX CL9，CMX，CHX CL7，CM9，CHX云量4/2 6/4 8/6 10/10 10/10-第3章能见度的观测16.影响能见度的因子有哪些？17.气象能见度的定义是什么？18.白天能见度与夜间能见度的观测有何不同？19.能见度的器测法主要有哪几种，说明它们的优缺点和工作原理。
20.请写出水平均一大气的目标物亮度方程，并说明方程各项的意义。
21.请写出人眼所见目标物的总视亮度方程，并说明方程各项的意义。
22.请写出目标物一水平天空背景亮度对比度衰减规律方程，并说明各项意义。
第4章天气现象的观测23.简述形成连续性、间歇性和阵性降水的物理机理及判断特征。
24.如何区别吹雪和雪暴？25.阐述浮尘与霾；霾与轻雾；浮尘、扬沙、沙尘暴及尘卷风天气现象的形成机理，并写出其符号。
高空风的测量课件
风向测量仪器的分类
机械式风向标
利用风力驱动的风向标转动，箭头的指向表示风向。
电子式风向传感器
利用电子感应元件感知风向，通过电路将感应到的信号传输到显示 仪表或计算机系统。
超声波风向传感器
利用超声波探测空气流动的方向，通过测量超声波传播的时间和角 度来确定风向。
热式风速和风向测量技术利用加热元件释放热量，通过测量热量损失的速度来计算风速和风向。该技术具有较高 的灵敏度和分辨率，适用于低风速、高精度的气象测量。但受环境温度和气流波动影响较大，需要进行温度补偿 和校准。
激光雷达风速和风向测量技术
总结词
利用激光雷达探测大气中的折射率和散射特性来测量风速和风向，具有高精度、远距离探测的优势。
风向测量误差分析
机械磨损
长时间使用可能导致机械磨损 ，影响测量精度。
外部环境因素
如温度、湿度、气压等环境因 素可能影响测量结果。
仪器安装
仪器安装的角度和高度也可能 影响测量结果。
信号干扰
电磁干扰和噪声可能影响电子 式传感器的测量结果。
04 风速和风向的测量技术
机械式风速和风向测量技术
总结词
通过机械转动来测量风速和风向，具有结构简单、可靠耐用 的特点。
预警和应对自然灾害
通过高空风测量，可以监测到极端天 气事件的发展趋势，及时发出预警， 为灾害应对争取宝贵时间。
气候变化研究中的应用
气候模型验证
高空风测量数据可以用来验证气 候模型的准确性和可靠性，为气 候变化研究提供实证依据。
气候变化趋势分析
通过长期的高空风测量数据，可 以分析出气候变化的趋势和规律 ，为应对气候变化提供科学依据 。
测量风速的方法
测量风速的方法017张曦计算机科学与技术10级1班高空风观测测量近地面直至30公里高空的风向风速。
通常将飞升气球作为随气流移动的质点，用地面设备（经纬仪或雷达）跟踪气球的飞升轨迹，读取其时间间隔的仰角、方位角、斜距，确定其空间位置的坐标值，可求出气球所经过高度上的平均风向风速。
高空风的测量一般指从地面到空中30km各高度上的风向、风速的测定。
其测量方法有：利斯和T.福雷斯特首创测风气球观测高空风。
气球法测风常用光学经纬仪、无线电经纬仪、一次雷达和二次雷达，以及导航系统等。
光学经纬仪测风有单经纬仪测风和双经纬仪测风两种。
单经纬仪只能测定气球的角坐标（方位、仰角）。
气球高度一是根据气球升速（决定于气球净举力、气球大圆周长和地面空气密度）和升空历经的时间来确定。
但由于大气湍流、铅直气流速度和空气密度随高度变化等因素对气球升速的影响，这种方法确定的高度误差大，测风精度低，一般只在数千米高度以下使用。
二是根据测得的气压、温度和湿度资料，通过计算推得高度。
这种方法测风精度较高。
用双经纬仪测风，是根据位于选定基线两端的两个经纬仪同步观测获得的角坐标值，通过几何图解或计算，得出各高度上的平均风向、风速。
光学经纬仪测风一般只适用于能见度好的少云晴天，夜间必须在气球上挂灯笼或其他可见光源，阴雨天气则只能在可见气球的高度内测风。
无线电经纬仪测风它是利用无线电定向原理，跟踪气球携带的探空发射机信号，测得角坐标数据。
气球所在的高度则由无线电探空仪测量的温、压、湿值算出。
因此无线电经纬仪测风适用于全天候，但当气球低于无线电经纬仪最低工作仰角时，测风精度迅速降低。
雷达测风一次雷达测风是雷达跟踪气球携带的无源反射靶，接收反射靶的反射信号来实现定位并计算风向、风速。
二次雷达测风是跟踪气球携带的工作于应答状态的探空发射机信号来实现定位的。
此法可以获取角坐标和斜距数据，从而计算出高空风，无需依赖无线电探空仪探测的温、压、湿数据计算气球高度。
高空温压湿风的探测
探空仪的测量原理
热敏电阻
R/V
B
A
热敏电阻
R/V
湿敏电阻
R/V
多 路 开 关 参考电压
模 数 转 换
微 处 理 器
发 射 机
压力传感器
V/V
电池
12.1 高 空 探 空 仪
——GTS1型数字高空探空仪
探空仪的基本结构 GTS1型数字探空仪由传感器、 智能转换器、发射机三部分构成。
•
World’s highest level of PTU measurement performance Code correlating GPS technology for continuous wind data availability
•
•
Stable transmission complies with ETSI standard EN 302 054
为了使上面的升速公式计算方便，引入 一个空气标准密度ρ0=1.205㎏/ m3 （ ρ0 指气温为293K，气压为760mmHg时的密 度值），这样，升速公式也可以写成
这就是 目前常 用的气 球升速 公式
b1 ( )
1 0 6 3
A AB
其中
b1 b
1 6 0
b
1 6 3
A AB
2.影响气球升速的因子
⑴ A与B影响：升速与净举力A，球皮及 附加物重量B重量有关，要使升速增大， 必须要增大A或减小B。 ⑵ 空气密度ρ的变化：因为ω∝ ρ-1/6， 即气球的升速是随空气密度的减小而缓慢 增大的，也就是说升速随高度的增高而缓 慢增大，根据资料，其增加平均为每上升 1千米增大2％
高空气象探测中风的计算问题分析
高空气象探测中风的计算问题分析摘要：大气探测是气象预报的基础，对探测方式和计算方法不断进行改进和完善，可以有效提升探测精确度。
对于气象工作者来说，在实际的探测工作中应不断发现问题并进行处理，不断提升预报服务水平。
关键词：高空气象探测风向风速计算问题分析引言目前，高空气象探测系统主要是将二次测风雷达与电子探空仪进行结合，对高空处的风向、风速、气温、气压等气象要素进行探测，属于一种新型的探测系统，可以很容易的对探测数据信息实现一系列的采集、监测和集成。
自使用高空气象探测系统以来，我国的气象探测自动化程度得到了大幅度提升，再加上采集器速度快及使用便捷的特点，增强了高空气象探测资料的精确度水平，为气象预报和气候研究工作提供了方便，同时也满足了社会各个行业及人们日常生产生活的需求。
在对风气象要素进行探测的过程中，因外界多种因素的共同影响，使得探测到的风气象要素数据信息与实际的气象不符，对探测资料的准确性产生了影响，同时还阻碍了高空气象资料的正常发报，不利于高空探测工作的顺利进行。
所以分析高空气象探测中风的计算问题就显得十分必要。
1探测记录的探讨对于低空，尤其是近地面的摩擦层中，随着高度的增加风的变化主要与气层的稳定度有关，只有熟练掌握了风随高度的变化，在气象预报、环境污染监测和预报以及飞行器的升降过程中都十分重要。
对于摩擦层以上的自由大气来说，风与地转风类似，两个高度的矢量差接近与热成风。
热成风几乎平行于等温线，左、右两侧分别是低温区和高温区。
若随着高度的增加风向顺时针变化，则说明有暖平流出现；反正，则说明有冷平流产生。
所以，可以结合热成风与冷暖区之间的配置，根据风随高度的变化判断层结是否稳定。
通过完善高空风的计算方法，充分利用L波段高空探测系统，可以提升高空风数据信息的准确性水平。
1.1“过南过北”的问题如表1所示为探测站某次高空探测到的风记录，其中在对应风层的12.5min和13.5min的风向相差了180°，是典型的“过南过北”，此时很难直接判断风向是顺时针变化还是逆时针变化。
高空风知识点
高空风知识点高空风是指在大气中的高空层位中运动的气流。
它是天气系统中非常重要的一个组成部分，对于气象预报、飞行规划以及气候研究等方面都具有重要的影响。
本文将从基本概念、形成机制、测量方法和应用等角度介绍高空风的知识点。
一、基本概念高空风是指在大气中的高空层位中运动的气流。
它主要由地球的自转和地球表面的不均匀加热所引起。
高空风的强度和方向会受到多种因素的影响，包括地形、季节、天气系统等。
了解高空风的强度和方向对于气象预报和飞行规划非常重要。
二、形成机制高空风主要是由地球的自转产生的地转偏向力和压强梯度力共同作用下产生的。
地球的自转会使得地球上的物体相对于地球表面产生转向力，从而导致空气在垂直方向上发生水平偏转。
而压强梯度力则是由于地球表面的不均匀加热导致不同位置的气压差异而产生的。
三、测量方法为了准确地获取高空风的信息，气象学家使用气象雷达、卫星、无人机等技术手段进行观测。
其中，探空是一种常用的测量高空风的方法。
通过发射气球并搭载气象仪器，可以获取到不同高度上的温度、湿度和风速等数据，从而推算出高空风的强度和方向。
四、应用高空风的知识对于气象预报和飞行规划具有重要的应用价值。
在气象预报方面，了解高空风的强度和方向可以预测天气系统的移动和发展趋势，从而提供准确的天气预报信息。
在飞行规划方面，高空风的情况会直接影响飞机的飞行速度和航线选择，飞行员需要根据高空风的情况进行飞行计划，确保航行的安全性和效率。
总结：高空风是天气系统中重要的组成部分，它的强度和方向对气象预报和飞行规划具有重要影响。
通过探空等测量方法可以获取高空风的相关数据，进而应用于气象预报和飞行规划等领域。
了解高空风的知识，有助于我们更好地理解大气运动规律，并提供准确的天气预报和飞行计划。
高空风的计算资料
-----层风的计算
目录 / contents
1 站心坐标系 2 地心坐标系 3 两坐标的转换
4 存在的问题及想法
2020/9/25
基本定义 1、计算层
用于计算气层平均风的气层 2、层风
在计算层内用位移合成的方法求出的气层平均风
那么，如何来计算层风呢？
一、站心坐标系
R:气球的斜据 δ：气球的仰角 Ψ:气球的方位角 转化为直角坐标系：
Vi
Li 60(t i ti1)
注意：前提是不考虑气球的上升运动时，气球在空间的水平运动时沿
等位势面运动的。
三、地心坐标系与站心坐标系的坐标转换
地心转换站心：
X
' i
(Yi
Y0 ) sin
sin
(Zi
Z0 ) cos
Yi' (Xi X0)sin (Yi Y0) cos
2020/9/25
层风的风速：
x2 y2 Vi1 60(ti1 ti )
2020/9/25
二、地心坐标系中层风计算的基本公式
地心坐标系中层风计算的方法是将气球位置投影到通过测站的水平面 上根据单位时间内相邻时刻气球的水平位移求取层风。
简单来说就是将站心坐标系中的气球水平位移替换为平行于地球表面 的弧长，计算原理同站心，即：
X
' i
cos
Yi '
sin
Z0
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计算层的划分
0 -20 min 1分钟作为一个计算层 20-40min 2分钟作为一个计算层 40- min 3分钟作为一个计算层
2020/9/25
根据误差传递公式
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2Km以下，接近地面时偏差最大； 2~12Km高度范围内偏差不大。
建议将气球在施放头5分钟内的计算升速值加 以订正：
施放后的第1分钟将升速增加20% 施放后的第2、3分钟将升速增加10% 施放后的第4、5分钟将升速增加5%
9.2.4 平移气球
就是设法使气球在某一选定的高度上达 到净举力为零，或者在相当厚的某一层 中气球净举力为零，则气球可在某高度 或某气层上随气流水平移动，使用追踪 定位设备测定气球在各个时刻的位置， 就可计算出在选定高度上，气球位于不 同xy坐标点上的位移，即风向和风速。
无线电探空仪——二次雷达，测角精度低于 光学测风经纬仪。
9.3.1 光学测风经纬仪
主要观测气球仰角和方位角。
2. 洛宾（ROBIN）气球
下投式垂直探空气球，非膨胀型。
3. 棘面气球（Jimsphere）
用于雷达测风的气球，直径2米。
9.3 球定气球位置的仪器设备
光学测风经纬仪、雷达、二次雷达、无 线电经纬仪，以及GPS卫星导航定位技 术。
小球测风——光学测风经纬仪，角坐标测量 精度高，受天气条件限制
球皮由伸缩性较大的橡皮制成
充气后，球内外压力差很小，可随大气压的降低 而自由膨胀，直到破裂为止
一般用于大气的垂直探测，如探空仪
非膨胀型
球皮由聚乙烯塑料薄膜、聚酯薄膜制成
一般在超压状态下工作，球皮几乎无伸缩性
用于水平探测，制作定高气球、系留气球等
9.2.3 气球的上升速度
对于上升类气球，控制其上升速度极为 重要。
9.1 高空风的观测方法
测量近地面直至30公里高空的风向风速。 通常将飞升气球作为随气流移动的质点，
用地面设备（经纬仪或雷达）跟踪气球 的飞升轨迹，读取其时间间隔的仰角、 方位角、斜距，确定其空间位置的座标 值，可求出气球所经过高度上的平均风 向风速。
9.1 高空风的观测方法
垂直气流对于很多大气过程(例如云的形 成和发展、天气系统的发展)是极为重要 的因素，但是垂直气流的测量方法比较 复杂，目前还不够成熟。
9.2.5 其他用途气球
1. 系留气球
用缆绳拴在地面绞车上，能控制浮升高度的 气球。
通常用聚脂薄膜做成流线形，缆绳长度及与 地面交角可以估算气球距地面高度，它可以 携带测量仪器在指定高度作数小时连续测量， 用完后收回作多次使用。
特别适用于大气污染监测和研究大气边界层 等。
系 留 气 球
9.2.5 其他用途气球
9.1 高空风的观测方法
大气中各种物理过程和天气的变化都是在三维 空间中进行的，不同层次大气的性质和过程各 不相同，地面以上各高度上的气流情况就有很 大的差异，因此必须进行高空观测以取得空中 各高度上的气象要素值。
大气在空间的运动基本上是水平的，气流在垂 直方向的分量与水平方向的分量相比，一般是 很小的。
测定出气球在上升过程中的运动轨迹即 可计算出大气各层中的平均风向、风 速．
9.1 高空风的观测方法
按定为方法，气球轨迹法测风可以分为 三类：
①单点测风。 ②基线测风，或称为双点(经纬仪)测风． 、 ③导航测风。
这三类方法所使用的仪器设备及测定的 参量见表9.1，P230
9.2 气象气球
用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小，没有相 对于空气的水平运动的对象才能作为气流水平方 向运动轨迹的示踪物。
示踪物在水平方向运动的方向和速度就是风向、 风速。
需要指出的是，这样求出的风向、风速是某一时 段或某一气层厚度内气流方向和速度的平均值。
9.1 高空风的观测方法
高空风测量中使用的示踪物一般是灌满 氢气的气球，即测风气球。
此外，天空中云团、人工施放的烟团和铝箔 也可作为示踪物。
9.1 高空风的观测方法
我们可以使气球以三种方式在空中飘浮：
①气球只飘浮在某一高度(等密度面)上，一 般称为平移气球
②气球以一定的垂直速度上升． ③气球以一定的速度降落．
9.1 高空风的观测方法
为了测定地面以上至空中三十多公里各 高度上的风，一般都使用定速上升的气 球。
9.1 高空风的观测方法
高空风测量单位：
风速为m／s； 风向为方位度，以正为0度，全方位为360
度，顺时针旋转。 如果是指某一等压面高度上的风，高度单位
取位势米。
9.1 高空风的观测方法
高空风的测量方法由于升空观测条件的 限制，具有与地面测风方法不同的特点。
9.1 高空风的观测方法
高空风测量法可分为两大类：
1) 根据气流对测风仪器的动力作用(压力的 方向和大小)来测定各高度上的风向、风 速。
这类方法广泛用于测定地面风
测高空风时，就需要使用升空装置(系留气 球、飞机等)将测风仪(风杯、风标、风压管 等)带到各个高度上，但在观测高度、观测 时间上受到限制。
9.1 高空风的观测方法
2) 根据随气流飘动的物体在空中运动的轨迹， 从而测定出风向、风速。这类方法称轨迹法， 在高空观测中广泛采用。
9.2.4 平移气球
平移气球主要有两种：
1) 随遇平衡平移气球
球皮基本上没有张力，它能随气球上下颠簸，始终保持 净举力为零。
2) 等容超压平移气球
球皮由某种膨胀伸缩积弱的薄膜制成，当气球达到固定 高度后，由于球内压力不断加大，与四周大气压力维持 在一个较高的压差。当压差逐渐加大，气球内氢气（或 氦气）的密度增高，使气球的净举力达到零，因而使气 球维持在一个等密度面上平移。
9.2.1 概述
气球是目前高空观测中使用的主要工具。 按照使用目的，可分为三类：
1) 探空气球
作为各种大气探测仪器升空运载工具 分无线电探空气球、平移气球、系留气球等
2) 测风气球
作为气球运动轨迹的示踪物
3) 测云气球
测定云层高度的云幕气球
测风气球
9.2.2 气球的一般性质
膨胀型
单经纬仪测风
要根据气球升速计算球高，才能确定气球的空间 位置；
云幕球
要由升速及入云时间计算云低高度。
9.2.3 气球的上升速度
使气球具有规定升速的方法：
按当时的空气密度充灌氢气，使气球具有相 应的净举力。
向气球内充灌氢气时，可以用浮力天平或平衡器 控制其净举力。Leabharlann 9.2.3 气球的上升速度