【精品课件】高空风的测量
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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．
3 气球的一般性质
膨胀型
球皮由伸缩性较大的橡胶制成
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
CD2 z ln0.04 3.22
m z 3.22m 0.97
CD2
如果要求达到0.99w的高度是多少米；则有：
1
1expCDm2z2 0.99
则e， xpCDm2z0.02
对20号球：m=60g , r=35cm , ρ=1.3kg/m3 , CD=0.4，由上式：
CDr2zlneln0.023.9,lneln2.71831.0
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。
4 气球的上升速度
为了控制气球在大气中的飞行状态，需要研究 气球在大气中的动力学性质。根据气球的受力情况， 确定气球的上升速度。
•重力 •浮力 •阻力
来自百度文库
1）作用在气球上的力
•重力：mg=ghv +B,其中m为气球的总质量。 •浮力：F=ρVg，其中ρ为大气密度。
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。
2 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。
3 气球轨迹法定位参量
仰角 方位角 球高 斜距 水平距离
4 气球轨迹法测风分类
高空风的测量
本章概述
主要学习内容
高空风的观测原理 高空风的观测仪器 高空风的观测方法
第一节 概述
1 高空风的观测意义
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。
2 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。 用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小。
示踪物在水平方向运动的方向和速度就是风 向、风速。
用地面设备跟踪气球的飞升轨迹，读取其坐 标值，可求出气球所经过高度上的平均风向 风速。
m
zC3D.9rm 21.17m
可见，气球释放后上升0.97米就达到常升速值的0.98， 上升1.17米达到常升速值的0.99，因而，可以认为气球 在释放之后很快就按下式的计算值上升：
用于水平探测，制作定高气球、系留气球等
4 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。
单点测风
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。
4 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。
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 FgVnRH g
P
RaT
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 m g ( h )V g B
2) 测风气球 作为气流运动轨迹的示踪物
3) 测云气球 测定云层高度的云幕气球
测风气球
2 气球的漂浮方式
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．
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。
测量近地面直至30公里高空的风向风速。
温度、压力、湿度、风
近地面风
风向
风速
高空风
风向标
旋转式风速计、 散热式风速计、 声学风速计
2 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。
这类方法与“测定地面风”相同。
但需要使用升空装置(系留气球、飞机等)将测 风仪带到各个高度上，在观测高度、观测时间 上受到限制。
w1 r
C2 DA[1exp(CDm r2z)]1/2
（9.38)
z,有：w
1 r
2A
CD
（9.39）
举例：
实际上，在气球上升过程中很快w将趋近于w，如果要求 达到0.98w的高度是多少米；则有：
1
1expCDm2z2 0.98
则e， xpCDm2z0.04
对20号球：m=60g , r=35cm , ρ=1.3kg/m3 , CD=0.4，由上式：
按定位方法，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
第二节 气象气球
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：参考表9.2
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
R e2r w
（9.34)
是 空 气 的 粘 性 系 数 ,在 标 准 状 态 下 =1.7310-5kgm 1s 1
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
（9.35)
将上式及（9.30) （9.33)式代入（9.35) 式：
mdw2 2 dz
A1 2CDr2w2
dw2CDr2w22A0 （9.36)
dz
m
m
如果取一薄层大气，比阻系数CD,球半径 r, 空气阻力R,环 境密度ρ取为常数，取初条件z=0时，w=0,(9.36)式的解为：
w 2C D 2 A r2[1exp(C D m r2z)]（9.37)
由（9.37）式得气球的上升速度计算公式
AEB
（9.30) （9.31)
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.
EhVg
（9.32)
气球在上升中无泄漏,mg不变,F也保持不变,因此在 上升过程中,净举力A为常数,E也为常数.
•阻力
R 12CDr22
（9.33)
其中r为气球半径;CD为比阻系数;Re是雷诺数； w为气球的上升速度
3 气球的一般性质
膨胀型
球皮由伸缩性较大的橡胶制成
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
CD2 z ln0.04 3.22
m z 3.22m 0.97
CD2
如果要求达到0.99w的高度是多少米；则有：
1
1expCDm2z2 0.99
则e， xpCDm2z0.02
对20号球：m=60g , r=35cm , ρ=1.3kg/m3 , CD=0.4，由上式：
CDr2zlneln0.023.9,lneln2.71831.0
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。
4 气球的上升速度
为了控制气球在大气中的飞行状态，需要研究 气球在大气中的动力学性质。根据气球的受力情况， 确定气球的上升速度。
•重力 •浮力 •阻力
来自百度文库
1）作用在气球上的力
•重力：mg=ghv +B,其中m为气球的总质量。 •浮力：F=ρVg，其中ρ为大气密度。
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。
2 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。
3 气球轨迹法定位参量
仰角 方位角 球高 斜距 水平距离
4 气球轨迹法测风分类
高空风的测量
本章概述
主要学习内容
高空风的观测原理 高空风的观测仪器 高空风的观测方法
第一节 概述
1 高空风的观测意义
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。
2 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。 用来测风的飘浮物体，要求其惯性很小。
示踪物在水平方向运动的方向和速度就是风 向、风速。
用地面设备跟踪气球的飞升轨迹，读取其坐 标值，可求出气球所经过高度上的平均风向 风速。
m
zC3D.9rm 21.17m
可见，气球释放后上升0.97米就达到常升速值的0.98， 上升1.17米达到常升速值的0.99，因而，可以认为气球 在释放之后很快就按下式的计算值上升：
用于水平探测，制作定高气球、系留气球等
4 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。
单点测风
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。
4 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。
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 FgVnRH g
P
RaT
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 m g ( h )V g B
2) 测风气球 作为气流运动轨迹的示踪物
3) 测云气球 测定云层高度的云幕气球
测风气球
2 气球的漂浮方式
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．
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。
测量近地面直至30公里高空的风向风速。
温度、压力、湿度、风
近地面风
风向
风速
高空风
风向标
旋转式风速计、 散热式风速计、 声学风速计
2 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。
这类方法与“测定地面风”相同。
但需要使用升空装置(系留气球、飞机等)将测 风仪带到各个高度上，在观测高度、观测时间 上受到限制。
w1 r
C2 DA[1exp(CDm r2z)]1/2
（9.38)
z,有：w
1 r
2A
CD
（9.39）
举例：
实际上，在气球上升过程中很快w将趋近于w，如果要求 达到0.98w的高度是多少米；则有：
1
1expCDm2z2 0.98
则e， xpCDm2z0.04
对20号球：m=60g , r=35cm , ρ=1.3kg/m3 , CD=0.4，由上式：
按定位方法，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
第二节 气象气球
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：参考表9.2
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
R e2r w
（9.34)
是 空 气 的 粘 性 系 数 ,在 标 准 状 态 下 =1.7310-5kgm 1s 1
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
（9.35)
将上式及（9.30) （9.33)式代入（9.35) 式：
mdw2 2 dz
A1 2CDr2w2
dw2CDr2w22A0 （9.36)
dz
m
m
如果取一薄层大气，比阻系数CD,球半径 r, 空气阻力R,环 境密度ρ取为常数，取初条件z=0时，w=0,(9.36)式的解为：
w 2C D 2 A r2[1exp(C D m r2z)]（9.37)
由（9.37）式得气球的上升速度计算公式
AEB
（9.30) （9.31)
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.
EhVg
（9.32)
气球在上升中无泄漏,mg不变,F也保持不变,因此在 上升过程中,净举力A为常数,E也为常数.
•阻力
R 12CDr22
（9.33)
其中r为气球半径;CD为比阻系数;Re是雷诺数； w为气球的上升速度