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

是一种遥感高空风向、风速分布的仪器。
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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．
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、

这三类方法所使用的仪器设备及测定的 参量见表9.1，P230
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9.2 气象气球
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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 作为气球运动轨迹的示踪物
测定云层高度的云幕气球
9
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。
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．
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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。
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。
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9.3.1 光学测风经纬仪

主要观测气球仰角和方位角。

五八型、六三型、CFJ-1型、CFJ-2型

使用：

施放气球后，借助于经纬仪上的光学望远镜， 由人眼追踪气球，使其瞄准气球的位置，从 刻度盘上直接读出仰角和方位角的度数（精 度一般为0.05度）
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9.3.2 测风雷达

让气球携带能够反射雷达波的反射靶在 天空飞翔，就可以定出气球在每个时刻 的位置，从而测定高空风。
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9.4 高空风的测量


雷达测风 是利用雷达测定飞升的气球位置。 它不仅测定气球的角座标，而且能测定 气球与雷达的距离，即斜距。 由仰角、方位角、斜距计算高空风。
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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。
2)
等容超压平移气球

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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。
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。
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9.1 高空风的观测方法
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精品课件！
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9.5 风廓线雷达
4) 5)
6)
7)
一些特殊现象的观测将有助于其他行业的 需要，例如风切变的观测对于飞行导航； 6min时段的风廓线资料能显示出锋面、 短波波动、气旋和重力波等天气系统和详 实的演变过程； 将风廓线资料实施同化后，明显地改善了 3~6h临近数值预报的结果； 整个系统运行可靠，可以由非专业人员进 行操作。

701雷达是我国测风专用雷达。
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9.3.2 测风雷达

把气球上的反射靶换成回答器，就能增 强回波的强度，这种雷达叫二次雷达。

气球上的回答器收到地面雷达发来的询问脉 冲后，立即发射一个脉冲代替反射波，称为 回答脉冲，回答脉冲被地面接收机接收，实 现测距的目的。
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9.3.3 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。


当向大气层发射一束无线电波时，由于温度和湿度 的湍流脉动，大气折射指数产生相应的涨落，雷达 波束的电磁波信号将被散射，其中的后向散射部分 将产生一定功率的回波信号，这种回波信号与大气 的云雨质点回波散射有所不同，称之为晴空散射。 由于散射气团随风飘移，沿雷达波束径向的风速分 量的大小将导致回波信号产生一定量的多普勒频移， 测定回波信号的频移值可以直接计算出某一层大气 沿雷达波束径向的风速分量值。

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。 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。
3
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。
4
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。
5
9.1 高空风的观测方法
1
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。
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9.1 高空风的观测ຫໍສະໝຸດ 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。
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。



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。

用于水平探测，制作定高气球、系留气球等
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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。

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； 要由升速及入云时间计算云低高度。
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云幕球

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。
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系 留 气 球
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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 无线电探空仪——二次雷达，测角精度低于 光学测风经纬仪。
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2)
测风气球

3)
测云气球

测风气球
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9.2.2 气球的一般性质

膨胀型

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
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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。
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9.2.4 平移气球
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9.5 风廓线雷达

对风廓线雷达的主要评估结论：
1)
2)
3)
风廓线雷达网的资料达到了要求的精度和 可靠性，它的时间和空间的分辨能力超过 任何一种高空风测量系统； 风廓线雷达网的资料将会大大改善对危险 天气的预报； 观测到一些新的中层大气的天气动力现象， 例如浅槽对雷暴雨的触发；
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双经纬仪测风是在已知基线长度的两端， 架设两架经纬仪同步观测，分别读出气 球的仰角、方位角，利用三角法或矢量 法计算气球高度和风向风速。

经纬仪测风只适用于能见度好的少云天气， 夜间必需配挂可见光源，阴雨天气只能在可 见气球高度内测风。
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9.4 高空风的测量

无线电经纬仪测风


利用无线电定向原理，跟踪气球携带的探空 仪发射机信号，测得角座标数据，气球高度 则由探空资料计算得出。 因此无线电经纬仪适用于全天候，但当气球 低于其最低工作仰角时，测风精度将迅速降 低。