高空风的测量

Ra
n为球内气体克分子数。可见气球受的浮力与球内气体质量
成正比。如果n、g为常数，上升中气球所受浮力保持常数。
定义净举力A为气球所受浮力与重力之差：
A F mg ( H )Vg B
E h Vg
AEB
式中E称为总举力,是气球排开空气的重量与球内气体 重量之差.
净举力A为常数,E也为常数.
1、作用在气球上的力
作用在气球上的力
1、整个气球所受的向下的重力为： ghv +B=mg,m为气球的总质量。 2、气球在大气中受到向上的浮力F=ρVg，其 中：ρ为大气密度。
设球体内外的压强和温度在上升过程中保持 相等，由气体状态方程：
V nRHT , P
P
RaT
F gV n RH g
CD
r
2
w2
dw2 CD r 2 w2 2 A 0
dz
m
m
如果取一薄层大气，CD , r , R ,ρ取为常数， 取初条件z=0时，w=0
w2 2A [1 exp( CD r2 z)]
CD r2
m
w 1 2A [1 exp( CD r2 z)]1/2
r CD
m
z
, 有：w
1 r
2A
CD
实际上，在气球上升过程中很快w将趋近于w
应用上式计算气球的升速很不方便，因为在 上升过程中气球不断膨胀，r是变化的。
A
4 3
r2(
H
)g
B
r [( A B)
3
]1/ 3
4 ( H )g
由球内外温度压力相等: H Ra RH
取
1
Ra RH
氢气 =0.90-0.93, H
(1 ), 代入(9.40)得:
H=H-h
、和、可由A、B两点的经纬仪仰角和 方位角观测得出。
在平面三角形A´BPB中，设 A´PBB=，则有
++=180°，=180°—（+），根 据正弦定理：
b LA LB
sin sin sin
同理
LA
b sin sin
LB
b sin sin
H LA tan
Hr LB tan r
气球的上升速度
单经纬仪测风时，要根据气球的升速计算球 高；云幕球要由气球升速及入云时间计算云高； 所以，控制及准确确定气球的升速是极为重要的。
下面将推导计算气球升速的公式，及讲述如何 使气球具有规定的升速的问题。
计算气球的上升速度
作用于气球的力
重力、浮力、阻力
根据气球的受力情况，确定气球的上升 速度
r [( A B) 3 ]1/3
4 g
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由(9.41)式可见,r ( 1 )1/3,上升中变小,r增大.
1
w b 1/6
A1/ 2 ( A B)1/3
1
b 6
A2
1
E3
式中b ( 4 g )1/3 ( 2 )1/2
3
CD
因此，我们控制球重及净举力，就可改变球的升速。 在净举力及球重不变时，空气密度越小，升速越大， 因而，气球的升速随高度会稍有增大。
确定气球位置的仪器设备
光学经纬仪 雷达 二次雷达 无线电经纬仪 GPS卫星导航定位技术
单经纬仪测风原理
等速上升气球的生速为; 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=dL/t
双经纬仪测风
水平面投影法
气球位置P在A点所在水 平面上的投影为PA，在B 点所在水平面上的投影点 为PB，设PPA=H， PPB=H， H， H分别为 气球相对于A点及B点的高 度，因A、B两点间的高度 差为h，所以有：
H
b sin tan sin
Hr
b sin tan r sin
Hm
H
H 2
h
复习思考题
确定气球空间位置的参量 气球轨迹法测风的分类 确定气球位置的仪器设备 单经纬仪、双经纬仪的测风原理 雷达和二次雷达的区别
气球在上升时,周围空气阻力R： 根据实验,在2m/s<w<100m/s的条件下,有
R
1 2
CD
r 2 2
式中r为气球半径;CD为比阻系数
2、气球升速公式
气球的运动方程为：
m dw F mg R dt
而 dw dw dz 1 dw2 dt dz dt 2 dz
m 2
dw2 dz
A
1 2
垂直气流
气球轨迹法定位参量
仰角 方位角 球高 斜距 水平距离
三、气象气球
分类
作为各种大气探测仪器升空运载工具 的探空球
作为气流运动轨迹示踪物的测风气球 测定云层高度的云幕气球
气球的一般性质
膨胀型气球 非膨胀型气球
参考表9.2 用于测风的10号、20号球皮，有 红、白、黑等不同颜色 用氢气充灌气球
高空风的测量
一、概述
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。
二、高空风的观测方法
水平气流
根据气流对测量仪器的动力作用 轨迹法
平移气球 气球以一定的垂直速度上升 气球以一定的速度降落