现代大气探测学第七讲地面风观测方法
地面风的测量
精确的方法有自整角机和光电码盘。 实际风向角——二进制码——格雷码
29
用光电转换方 法把风向角度 转换成二进制 的角度编码
单位-米/秒 记录-定时观测取整数，自记记
录取一位小数
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▪ 1805年英国人F·蒲福根据风对地面（或海面） 物体的影响，提出风力等级表，几经修改后 得出蒲福风力等级表。
▪ 目测风时，根据风力等级表中各级风的特征， 即可估计出相应的风速。
▪ 地面风指离地平面10-12米高的风。
11
11
等名 级称
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
13
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0º）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 14
陆上地物征象
0 静风 1 软风 2 轻风 3 微风 4 和风 5 劲风
6 强风
7 疾风 8 大风 9 烈风 10 狂风 11 暴风 12 飓风
静，烟直上 烟能表示风向，树叶略有摇动 人面感觉有风，树叶有微响，风向标能转动，旗飘动 树叶及小枝摇动不息，旗展开，高的草摇动不息 能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇。高的草呈波浪起伏 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波。高的草波浪起伏明显
偏差衰减到初始值的 1/e， （e = 2.71828) 2. 0.3 < ζ < 1.0 (阻尼比) 3. 风速范围为 0.5 ~ 60 m/s 4. 线性度和分辨率为 ±2°~ ±5°
地面气象观测方法PPT课件
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2
主要内容
一、地面气象观测的组织工作 二、观测场的场地要求和仪器布局 三、常规地面气象要素的观测 四、自动气象观测系统 五、地面气象观测中可能存在的误
差分析 六、加密区域自动站简介
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3
一、地面气象观测的组织工作
（一）地面气象观测的作用
仪器安装要求：所有的观测仪器和设备 安装严格按照《地面气象观测规范》进行 安装，误差在允许的范围内。
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7
观 测 场 仪 器 布 局 图
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8
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9
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测量要素 气温
测量范围 -50～+50℃
相对湿度
0～100％
气压 风向
500～1100hPa（任 意200hPa）
0～360°
风速
0～60m/s
.
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干湿球温度表：通过在同一环境条件下的干球、湿球两支温度示值差
异，计算出湿度要素：水汽压、露点温度、相对湿度。属于间接测量
湿度的方法。
毛发湿度表：主要用于高原、高寒地区，利用不同湿度条件下，毛发
的伸缩量变化测量湿度，直接测量. 相对湿度。
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自动站采用铂电阻作为测温元件，根据铂电阻
的电阻值随温度变化的原理来测定温度的。铂电阻 丝烧制在细小的玻璃棒或磁板上，外面有金属保护 管。铂电阻在0 ℃时的电阻值R0为100Ω，以0℃作 为基点温度，在温度t时的电阻值Rt为
三、常规气象要素的观测
(二） 器测项目（7）
➢ 7. 冻土
冻土是指含有水分的土壤因温度下降到 0℃或以下而呈冻结的状态。
承担冻土观测的气象站，应根据埋入土中 的冻土器内水结冰的部位和长度，来测定冻 结层次及其上限和下限深度。
大气探测知识要点
第一章：总论大气探测：又称之为气象观测，是指对表征大气状况的气象要素、天气现象及其变化过程进行个别或系统的、连续的观察和测定，并对获得的记录进行整理的过程和方法。
大气探测的发展历史：世界地面气象探测网的建立是大气探测史上的第一次革命。
高空气象要素探测系统的发展是大气探测发展的第二次革命。
1960年美国发射第一颗气象卫星泰罗斯-1号，是遥感技术发展的标志，是大气探测的第三次革命。
随着科学与技术的发展，大气探测取得了显著的发展，主要表现在探测能力显著增强，自动化水平迅速提高，观测方法、观测网的设计和观测工具的配合得到重视，直接探测和遥感技术并存，各取所长，综合利用。
观测站的分类：（1）国家基准气候站（基准站）：是国家气候站的骨干；一般300-400公里设一站，每天观测24次。
（2）国家基本气象站（基本站）：是国家天气气候网中的主体；一般不大于150公里设一站，每天观测8次。
（3）国家一般气象站（一般站）：是国家天气气候站的补充；一般50公里左右设一站，每天观测3次或4次。
（4）无人值守气象站（无人站）：用于天气气候站网的空间加密；观测项目和发报时次可根据需要而定。
（5）高空气象站：一般300公里设一站，每天探测2次或3-4次。
时制：人工器测日照采用真太阳时，日界：人工器测日照以日落为日界，对时：台站观测时钟采用北京时。
未使用自动气象站的台站，观测用钟表要每日19时对时，保证误差在30秒之内。
地面气象观测场设置：观测场一般为25m×25m的平整场地。
仪器设施布置：要注意互不影响，便于观测操作。
大气探测资料必须具有代表性、准确性、比较性。
“三性”是大气探测工作的基本要求。
“三性”的联系：互相联系、互相制约。
观测资料质量的好坏，均以观测资料的“三性”衡量。
第二章云的观测云是由大气中水汽凝结（凝华）而形成的微小水滴、过冷水滴、冰晶、雪晶，由它们单一或混合组成的，形状各异飘浮在天空中可见的聚合体。
其底部不接触地面我国地面气象观测规范中，按云的外形特征、结构特点和云底高度，将云分为三族，十属，二十九类。
大气探测第七章：地面风观测
大气探测第七章：地面风观测
7.1 概 述
8．风的测量有什么意义？
（1）在天气预报方面，天气形势分析时需要风资 料。另外，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。 （2）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。
➢测风原理：
当风从左方吹来时，风杯（1）与风向平行，风对风 杯（1）的压力在垂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。
7.1 概 述
5．阵风：
➢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。 ➢阵风观测：主要有两个变量，风速和风向 的标准偏差、阵风峰值。
大气探测第七章：地面风观测
7.2 风的传感器
(2)菱型：是比较理想的风向标，体积和重 量都较小。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，使空气稳定。所 以其灵敏性和稳定性都较好。
(3)流线型：具有菱型风向标的优点，但是 制造上较难，容易变形。
大气探测第七章：地面风观测
现在使用的分级标准是由1946年以来风力等级又做 了扩充，增到18个等级（0～17级）。 我国自2006年6月15日起实施新的热带气旋等级划 分，与过去不同的是：
地面气象观测(详细学习)
地面气象观测[详细学习]提到“地面气象观测”，人们一般会想到四四方方的气象观测场，洁白的百叶箱、温度计、风向标等，并把这些理解为地面的观测。
不过这样理解并不全面，因为天上的云、大气中的声、光、电等天气现象，也都属于地面气象观测的范围。
所以地面气象观测的定义应为：利用气象仪器和目力，对靠近地面的大气层的气象要素值，以及对自由大气中的一些现象进行观测。
地面气象观测的内容很多，包括气温、气压、空气湿度、风向风速、云、能见度、天气现象、降水、蒸发、日照、雪深、地温、冻土、电线结冻等。
在大气馆中我们会向气象爱好者介绍一些基本的观测项目。
地面气象观测的许多项目都是通过固定在观测场内的各种仪器进行的，所以气象站的站址和观测场地的选择以及维护，仪器的安装是否正确，都对资料的代表性、准确性和比较性有极大的影响。
一般说来，气象台站的地址应选在能代表其周围大部分地区天气、气候特点的地方，并且尽量避免小范围和局部环境的影响，同时应当选在当地最多风向的上风方，不要选在山谷、洼地、陡坡、绝壁上。
观测场要求四周平坦空旷并能代表周围的地形，观测场附近不应有任何物体。
孤立、不高的个别障碍物离观测场的距离，至少要在障碍物高度的三倍以上；宽大、密集、成片的障碍物，距离要在障碍物高度的十倍以上。
观测场周围十米范围内不能种植高杆作物，以保证气流畅通。
气象台站的房屋一般应建在观测场的北面。
另外，一个气象台站建成之后，要长期稳定，不要轻易搬家，因为轻易搬家不仅会影响观测资料的连续性，影响使用，还会造成很大浪费。
观测场内仪器安装的原则可以用以下二十四个字表示：保持距离，互不影响；北高南低，东西成行；靠近小路，便于观测。
地面气象观测分为定时观测和不定时观测两类。
定时观测是气象台站的基本观测，主要目的是为天气预报提供依据，积累资料，了解一个地方的气候变化规律，为经济建设服务。
一般地说，一天内观测次数越多，越能反映一个地方气象要素的变化。
但为了节约人力、物力，可以在一天中选择适当的有代表性的时间来进行。
地面气象观测基础知识
相关性分析
研究不同气象要素之间的相互关系。
模式识别
利用人工智能和机器学习方法识别气 象模式和事件。
06 观测误差与注意事项
观测误差来源
仪器误差
观测仪器本身存在的误差，如温度计、湿度 计等。
观测方法误差
由于观测方法不规范、不统一所引起的误差， 如云高观测、能见度观测等。
外界环境影响
如风、雨、雪、雾等天气现象对观测仪器的 影响。
02 观测项目与分类
观测项目
气温
观测气温的变化，包 括最高气温、最低气 温、平均气温等。
降水
观测降水的类型、强 度、频率和总量等。
风向风速
观测风的方向和速度， 包括风向标和风速计 的测量。
云和天气现象
观测云的类型和天气 现象，如晴朗、阴天、 雨、雪等。
气压
观测气压的变化，包 括最高气压、最低气 压和平均气压等。
04
观测仪器的使用与维护
01
使用前应检查仪器是否完好，确保没有损坏或误差。
02
使用时应按照仪器说明书进行操作，避免误操作导致数据失 真。
03
使用后应及时清洁仪器，并定期进行校准和维护，以确保其 准确性和可靠性。
04 观测方法与技术
云观测
01
云状分类
根据云的外形特征和结构特点， 将云分为积云、层云、卷云等不 同类型。
观测场地应设置明显的标志和边界，并保持场地整洁，以方便观测和数据 收集。
观测仪器介绍
01
温度计
用于测量气温，常用的有水银温度 计和酒精温度计。
气压计
用于测量大气压力，常用的有水银 气压计和数字气压计。
03
02
湿度计
用于测量空气湿度，常用的有干湿 球湿度计和毛发湿度计。
大气探测学 天气现象的观测
49
双翻斗雨量传感器装在室外，主要由承水器 (常用口径为20cm)、上翻斗、汇集漏斗、计 量翻斗、计数翻斗和干簧管等组成。采集器或 记录器在室内，二者用导线连接，用来遥测并 连续采集液体降水量。
•双翻斗雨量传感器与记录器连接作为连续测量降水量的
仪器称为双翻斗雨量计。
50
光学雨量计
工作原理：
34
飑
突然发作的强风，持续时间短促。 出现时瞬间风速突增，风向突变，气象要素 随之亦有剧烈变化，常伴随雷雨出现。 瞬时风速达8m/s以上维持1小时，然后突然 减小，维持时间平均风速达11m/s。
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天气现象的自动识别
降水类型的自动识别 多采用光学、声波、雷达电磁波等探测技 术。 降水粒子的大小、形状、降落速度和浓度 导致了光信号的强度、频率等变化，基于 此判别降水类型。
18
21.
龙卷
一种小范围的强烈旋 风，从外观看，是从 积雨云(或发展很盛的 浓积云)底盘旋下垂的 一个漏斗状云体。 有时稍伸即隐或悬挂 空中，有时触及地面 或水面，旋风过境， 对树木、建筑物、船 舶等均可能造成严重 破坏。
19
22.
积雪
雪(包括霰、米雪、冰粒)覆盖地面达到台站 四周能见面积一半以上时，称为积雪。
14.
轻雾
13
15.
露
水汽在地面及近地面 物体上凝结而成的水 珠. (霜融化成的水珠，不 记露)。
14
16.
霜
水汽在地面和近地面物体上凝华而成的白色 松脆的冰晶； 或由露冻结而成的冰珠。 易在晴朗风小的夜间生成。
大气工程中的风力参数测量与分析
大气工程中的风力参数测量与分析引言：大气工程是指研究大气运动规律、气象现象及其变化，以及大气对地球表面的影响的一门学科。
而其中一个重要的研究领域就是风力参数的测量与分析。
风力参数是指描述风的强度和方向的参数，对于大气工程设计和规划、风能利用等领域具有重要的意义。
本文将探讨大气工程中风力参数的测量方法和分析手段。
一、风速的测量方法风速是指风的运动速度，是风力参数中最基本的一个指标。
在大气工程中，准确测量风速尤为重要。
目前常用的风速测量方法有以下几种：1.1 风筝测风法：这是一种简单且常用的测风方法。
通过将风筝悬浮在空中，利用风对风筝的牵引力，推算出风速。
这种方法适用于低空气流的测量，但因受到地面阻力的影响，精度较低。
1.2 风杆测风法：风杆是指一种具有标准形状和尺寸的垂直标尺，用于测量风速和风向。
根据风杆上的风向旗帜的摆动情况，可以推断出风速和风向。
这种方法适用于地面上风速较大的情况，但对风向的测量精度较低。
1.3 风速计测风法：风速计是一种专门测量风速的仪器。
目前常用的风速计有热线式、旋翼式等多种类型。
热线式风速计通过测量热线受风速影响时的冷却程度来推算出风速，而旋翼式风速计则通过风轮的旋转速度来测量风速。
这两种方法都具有较高的测量精度和稳定性，被广泛应用于大气工程中的风速测量。
二、风向的测量方法风向是指风的吹向，对于风能利用和空气动力学建模等方面的研究具有重要意义。
在大气工程中，常用的风向测量方法有以下几种：2.1 风向计测风法：风向计是一种专门测量风向的仪器。
目前常用的风向计有短翼式、矢量式等多种类型。
短翼式风向计通过测量受风时的转向角度来推算出风向，而矢量式风向计则通过测量风向标的指向情况来测量风向。
这两种方法都具有较高的测量精度和稳定性，适用于大气工程中的风向测量。
2.2 水平回转法：这是一种传统而常用的测风方法。
具体操作时，人们可以用一个简易风向仪标定一些固定的物体或地标，然后通过观察这些物体或地标的方向变化来推算风向。
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Vy
V
β
0
Vx
风矢量示意图
V x V co s V y V sin
V
x
V
y
1 n 1 n
n
V xi
i1
n
V yi
i1
arctan(Vx /Vy)
5.阵风
阵风（风的阵性）-瞬时风向风速在平 均值附近涨落的变化和分布特性。
WMO定义-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。
格雷码盘
§8.3 EL型电接风向风速计 （已淘汰）
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.瞬时风速指示部分 b.瞬时风向指示部分 （3）记录器 a.瞬时风速记录部分 b.瞬时风向记录部分
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；
热线风速表 是利声用风一速根表被是加利 用热声的波金在属空丝气置中于的 传空播气速中度，与散风热速速之 间率的与函周数围关空系气测的量 风流速速的有。关，利用 这种特性来测量 风速。
§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传感器 螺旋桨式风向风速感应器 海岛自动测风系统
现代大气探测学
第七讲 地面风的观测方法
知识结构
1
概述
3 EL型电接风向风速计
5 测风仪器的安装
2
风的传感器
4 其他测风仪器
6
气象应用
§8.1 概述
１.什么是风
风-空气的水平运动，矢量 风向 风速
2.风向
风向-风的 来向
十六方位
3.风速
风速-空气质点在单位时间内所移 动的水平距离
单位-米/秒 记录-定时观测取整数，自记记录
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
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0º）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
矢量平均法
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。
§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 处理仪与风特向定感感应应器器为配 套可单以翼组风成标该E。系N1当统型风是和标专EN2 型两转种动门自时为动，测测带量风动海仪格岛。雷出主 要功码能盘现有，的该：按强感定照风应时码而器打盘设的印切计头输 出风二向槽转部片分风的动的有是，钟 速设2，较一风.、；计8其好组向°，十打，特的螺标光分印码点测旋部电钟输盘是强桨分管平出每具风叶制均大 风向报、组位成外警风就并能飞形及 速会 行力机，解及产格。机保除其生雷身持警出新码相良报现的输似好的时七出的的风间。， 发出流报线警型信。号．
0
0.3～1.5
1
1.6～3.3
2
3.4～5.4
4
5.5～7.9
7
8.0～10.7
9
10.8～13.8
12
13.9～17.1
16
17.2～20.7
19
2Байду номын сангаас.8～24.4
23
24.5～28.4
26
28.5～32.6
31
>32.6
>33
4.如何取得具有代表性的风资料？(12 大探)
风的观测一般是取某一时段内的平均风速 和最多风向
灵敏性
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
一般风向标 0.5 m/s 较好的风向标 <0.3m/s
风速资料处理注意要点？
常见的风向标
它 们 各 有 什 么 优
菱形风向标
双叶型风向标
流线型风向标
测平均风速时，仪器要有优良的积分 性能（即自动平均能力）；
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
选择仪器要根据观测的要求来进行！！
§8.2 风的传感器
风
的
风速感应器
感
应
器
§8.2 风的传感器
风向感应器
头部（平衡锤） 水平杆
尾翼
风向标
当尾翼所受风压力矩>风向标静摩擦力矩时，即在一 定的起动风速V下，风向标才能转动。各种风向标的 起动风速都不相同
大树枝摇动，电线呼呼有声，撑伞困难。高的草不时倾伏于地
全树摇动，大树枝弯下来，迎风步行感觉不便 可折毁小树枝，人迎风前行感觉阻力甚大 草房遭受破坏，屋瓦被掀起，大树枝可折断 树木可被吹倒，一般建筑物遭破坏 大树可被吹倒，一般建筑物遭严重破坏 陆上少见，其摧毁力极大
相当风速 范围(m/s) 中数
0.0～0.2
取一位小数
等名 级称
陆上地物征象
0 静风 1 软风 2 轻风 3 微风 4 和风 5 劲风
6 强风
7 疾风 8 大风 9 烈风 10 狂风 11 暴风 12 飓风
静，烟直上 烟能表示风向，树叶略有摇动 人面感觉有风，树叶有微响，风向标能转动，旗飘动 树叶及小枝摇动不息，旗展开，高的草摇动不息 能吹起地面灰尘和纸张，树枝动摇。高的草呈波浪起伏 有叶的小树摇摆，内陆的水面有小波。高的草波浪起伏明显
§8.2 风的传感器
风速感应器
风杯风速器
风速感应器
过高效应？
1）惯性 2） 垂直气流 3） 风向脉动 一般的风杯风速表 过高效应 10%
风向和风速的传送
风向标：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，其中最常 用的是格雷码盘
风速：机械式、电接式、电机式、磁感式和 光电式即多齿光盘等，其中最常用的风速 传感器是多齿光盘
风速部分由风 杯、交流发电机、 蜗轮等组成
§8.3 EL型电接风向风速计 （淘汰）
记录器
瞬时风速指示部分
风速记录部分
瞬时风向指示部分
风向记录部分
EL电接风向风速 计
指示器
EL电接风向风速 计
记录器
§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传感器 螺旋桨式风向风速感应器 海岛自动测风系统
§8.5 测风仪器的安装
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10～20 米之间