風的觀測風向風速儀風速表和風向標微氣象觀測系統風杯風速計和風向標風杯風速計螺旋漿式風速風向計三分量風速儀大氣探測觀測站16M風溫濕梯度塔全自動資料采集系統太陽輻射計溫、濕、風、輻射觀測超聲湍流觀測系統溫濕度、地溫觀測系統近地層大氣多層風、溫、濕與通量觀測超聲風速儀＆8.1概述一、基本知識

1.風：大氣相對地面運動的水平分量叫作風。

2.風速：單位時間氣流運動距離叫做風速。

3.風向：風的來向，共計16個方位。二、為什么測風？三、測風儀器

1.臺站：EL電接風向風速計、手持風向風速計、雷達測風、氣球測風；

2.研究：超聲風速計、三軸風速計、激光雷達、熱線風速儀、氣球測風；1、風向的測量16個方位風向用16方位表示與方位角度的對應關系風速與風力等級風的測量中存在的問題測風儀器安裝：開闊、平坦距地面10米高度儀器磨損：定期檢定風的脈動：時間概念，峰值和統計量風的平均：過高效應；

0和360之間的切換風向和風速測量的匹配自動站風測量規范1分鐘和2分鐘平均風（3秒鐘為步長的滑動平均）10分鐘平均風（1分鐘為步長的滑動平均）1小時內最大風和出現時間（正點時從每分鐘的10分鐘平均風速中選取最早出現的最大風速和相應的風向）1小時內極大風和出現時間（正點時從3秒鐘平均風速中選取最早出現的極大風速和相應的風向）＆8.2風向的測量原理§8.2.1.風向標及風向測量風向標由指向桿、平衡重錘、旋轉軸和尾翼組成。增加靈敏度：減少軸摩擦、加大尾翼、加長后桿。

對風向標的結構和造型主要考慮：

1.靈敏性：有良好的起動性能。

2.穩定性：有良好的動態性能，迅速跟蹤風向變化。§8.2.2風向標的動態特征當風向變動時，風向標必須迅速作出反應。假設風向標偏離風向的角度為

，風尾板上受到一個力為，力作用中心距旋轉軸的力臂為，則單位角度風向所產生的扭力矩為：在風力作用下，風向標轉動角速度為：風標在線速度方向相對于空氣運動的速度為：

為平均風速在線速度方向上的投影分量；產生的線速度（）。作用于風標上風矢量的迎角為，而理論上應為（8.2）應用了當β很小時，sinβ=tgβ=β，cosβ=1的假設。（8.1）（8.2）為在角速度得風向標的運動方程：上式右邊第一項是氣流對風標施加的扭力矩，第二項是空氣對運動風標的阻尼力矩。如果N,D為常數，得風向標運動的二階微分方程：式中（8.3）（8.4）其中：β0為t0時，風向標的偏離角；為風向標的阻尼諧振周期：(8.4)式的解為：振幅衰減項諧振運動項（8.6）（8.5）(8.6)式是一個典型的周期衰減振動。如下圖所示。有關風向標動態特征的幾個重要參數：

（8.7）3.阻尼比：風標阻尼D與臨界阻尼D0的比值推導：ξ=1，D=D0，臨界阻尼，迅速達到平衡；ξ>1，D>D0，過阻尼，緩慢達到平衡；ξ<1，D<D0，欠阻尼，在平衡處振動。由:（8.9）（8.8）P.102(5.8)在實際工作中，應用諧振周期td，無阻尼諧振周期t0不方便，定義一個時間尺度tL,認為風向標經過tL時間后,風向標偏離風向的角度由原先t=0時的當：時由不考慮振動項則:（8.10）P.102（5.9）根據實驗結果，扭力矩N的表達式為：式中:為空氣密度;S為風尾板有效面積;

為扭力矩系數(),為空氣動力系數;

為流體的動壓;1、風程t0為無阻尼風標的固有周期;Ut0為單位時間t，風標振動一次，氣流所走距離(風程).由(8.7)式和(8.11)式得,t=0時的風程:（8.11）（8.12）P.102（5.11）2、阻尼比（8.13）P.102（5.12）3、（8.14）P.102（5.13）§8.2.3風向標平衡重錘對風向標動態特性的影響由于平衡錘的運動方向與其空氣動力矩相反，則有由于指向桿和平衡錘的受風面積很小，相對于風尾板所受的扭力矩NW的作用可忽略不計。但是它的轉動慣量必須考慮。風標系統對主軸的支點重力矩是平衡的，即從描述風向標動態特性的三個重要參數的（8.12)、(8.13)和(8.14)式中可看出都有轉動慣量J。因而，風向標的平衡錘必然影響風向標的動態特性。假設平衡錘在氣流中也要受到一個扭力矩NW，整個風標系統受到的總扭力矩為NT=N-NW（因平衡錘紐力矩方向與風標扭力矩方向相反）那么，整個平衡系統的轉動慣量則可寫作

設：為風尾單位面積的重量。并令下述因子為風向標質量因子：（8.15）P.103（5.14）因而，（8.15）式可寫為（8.16）（8.17）P.103（5.15）P.103（5.16）

將(8.17)代入(8.12)、(8.13)和(8.14)式，風向標的幾個主要動態特性參數改寫為：t=t0時的風程：阻尼比：t=tL時的風程：（8.18）P.103（5.17）P.103（5.18）P.103（5.19）（8.19）（8.20）希望風標系統動態跟蹤風向變動的性能要好，即的值較小，關鍵在于有數值較大的質量因子，從式（8.16）可分析得到：1、值較大，即氣流動壓能有效作用到風尾板上；2、值較小，單位面積風尾板的質量小。意味著在制造風尾板時，必須選用強度高、比重小的材料；3、<

因此，平衡錘離風標轉動主軸的距離盡量縮小。

§8.2.4風向連續變動環境的風向標動態響應或：式中ω0=2π/t0為風向標的無阻尼諧振頻率；外力函數。在方程中，如果我們把，即無外力，該方程將有三種特解，具體形式由它是過阻尼ξ>1，臨界阻尼ξ=1，欠阻尼ξ<1決定。實驗證明，ξ=0.6時響應最佳。實際上大氣環境中的風向是在持續不斷地變動。考慮一個最簡單的情況，假設風向維持一個振幅為A，角頻率為

的周期性振動，公式（8.3）變為：（8.21）（8.22）（8.21,8.22）假定邊界條件是：t=0時，β=β0，dβ/dt=0當ξ>1時：當ξ=1時：當ξ<1時：（8.23）（8.24）（8.25）ω為觀測的角頻率，實際頻率的2π倍，代入(5.25)式,則有：（5.27）（8.28）因為方程）描述的是一個以為周期的振動運動，所以，相鄰兩個最大值之比可表示為：（8.28）（8.29）（5.26）它的解可以表示為通解與特解之和,即：其中：當二階微分方程有一個外力函數作用其上時,即：（8.30）（8.31）（8.32）當ξ<1時，第一二項可以忽略，得：其中：是放大率當：G>1時，風向標指示振幅大于實際振幅;G<1時，風向標指示振幅小于實際振幅.（8.33）（8.34）當ω=ω0，阻尼比ξ很小時，易于發生共振.G與風標特性參數的關系見P105頁圖5.6所示,由圖表明

1.在ω/ω0=1，ξ<0.4，G=1/(2)>1時，風向標發生共振;2.在ω/ω0<0.8，ξ=0.6，G=1時，與實際風向標振幅接近,最佳響應;3.在ω/ω0>1，ξ>1，G<1時，風向標振幅小于實際風向振幅.§8.2.5風向標動態參數的選擇一個性能良好的風向標應能準確地反應連續變化的風向.另外,為了使風向資料具有可比較性,世界氣象組織原則上作了如下規定:在風速為2.58米/秒時,風向標應在1s內使風向偏差衰減到1/e,即由8.20式質量因子取2.阻尼比取:0.3<ξ<1.0;3.風速工作范圍取：0.5~~60.0m/s;4.線性度和靈敏度取:±2~~±5.

在更精確的測量中,對上述指標要求更高,例如Kv>1.75.＆8.3旋轉風速計原理2004/11/22§8.3.1測風速儀器原理概述1.蝸桿風速表(齒輪轉速∝風速的關系);2.電感式(電感、電壓∝風速的關系）;3.光電式（光電頻率∝風速的關系）;4.懸浮式（光電頻率∝風速的關系）;5.超聲風速儀（接收聲波時間∝與風速的關系）＆8.3旋轉風速計原理§8.3.2旋轉風杯風速計的感應原理旋轉風杯風速計是風速測量的最常用的儀器.它的感應部分是一個固定在旋轉軸上的感應部件.一般由三個半球型的空心杯殼組成,杯殼固定在互成120度的支架上,杯的凹面順著一個方向排列,支架固定在垂直的旋轉軸上。在穩定的風力作用下,風杯受到扭力矩而開始旋轉,它的轉速與風速成一定關系。設：風速為u，第i個風杯與空氣相對運動速度urin：風杯每秒轉數;R：旋轉半徑θi：氣流與杯內法線夾角.單位時間氣流對風杯作用的有效質量：

A：風杯橫切面積Cn(θi)：風杯為θi的壓力系數作用于互成120°三個風杯上的風壓力為：（8.35）其中風杯的壓力系數;為風杯的阻力系數;

為空氣密度.在風杯旋轉時,它所受到的風壓隨風杯所處的角度而變化,但每轉過120°則恢復到0°時的狀態.如果取0°－120°范圍內風壓的平均值,(8.35)式就可以簡化為;取am,bm為和在變化120°時均值。在風壓下，組件受到的扭力矩：（8.36）（8.37）當風速恒定時,風杯組件的轉速應為某個固定數值。此時,組件所受合力為零,即扭力矩M正好與它的機械系統的動摩擦力矩B1n以及靜摩擦B0相抵消。（8.38）（8.39）當摩擦阻力矩很小可忽略不計時,上式可簡化為：當(8.39)式中n=0時，(非u=0)，則：umin為風杯風速計的啟動風速（風杯風速儀的檢定曲線）。從(8.41)式可看出,起動風速取決于靜摩擦力矩B0和扭力矩N。所以,高靈敏度低啟動風速的風杯風速計,一般采用低靜摩擦的懸浮式。雖然增大扭力矩也能減小umin

但增大N,勢必增大風杯的橫臂長度和質量。（8.40）對某一風杯風速計,扭力矩N和空氣動力阻尼D一定,風杯的轉速與風速成正比關系。（8.41）§8.3.3風杯風速計的慣性響應過程中風杯風速計的轉動方程為：其中：n1：實際轉速;n(t)：環境實際風速計轉速。T為風速計的時間常數;L為尺度常數;時間常數越小越好,即風速越能及時反應實際環境風速.(8.43)式與溫度計的散熱方程很相似。轉動扭力矩動摩擦力矩靜摩擦力矩扭力矩空氣阻尼力矩整理后的:（8.42）（8.43）＆8.4散熱式風速計原理一、旁熱式熱線風速計（結構圖示）其中：Rt為加熱后金屬絲阻值；t為金屬絲溫度；

Rθ為金屬絲在環境溫度下阻值；θ：環境溫度。

被加熱的金屬絲在氣流中散熱，它的散熱率與風速的大小有密切的關系，利用這一特性可制成測量風速的儀器。

假若以一定電功率的電流連續加熱金屬絲，熱絲的溫度與氣溫存在一定的差值，差值的大小隨風速的大小而異，利用熱絲的溫差電動勢可測定風速，利用這種原理制成的風速儀稱作熱線風速儀。熱線風速儀有旁熱式和直熱式之分。焦爾熱使具有電阻值的通電流金屬絲溫度升高，與此同時，金屬絲將通過它的表面向四周空氣散熱。電流提供的熱功率為：（8.44）在風速v的氣流中，一根垂直于氣流的金屬絲的散熱率為：其中：A：分子散熱作用，Bv1/2：氣流作用，t-θ：熱線與氣溫的差。當v較大時，可忽略分子散熱作用項A，且熱交換達到平衡時，則：由空氣動力學原理，熱線在氣流中散熱率為：（8.45）（8.45）其中：其中：h為散熱系數；D為熱線直徑；l為熱線長度；C和n為實驗確定的系數（P.115，表5.2);

為空氣動力學粘性系數。（8.46）當dQ1=dQ2時：由于測溫熱電偶的電動勢正比于冷熱端溫差，則，上式寫為：對上式兩邊取對數：（8.47）（8.48）（8.49）（8.50）在雙對數坐標紙上，縱軸為風速取對數lgv，橫軸為電動勢取對數lgεv即可得到熱線風速儀的風速與輸出電動勢的線性關系。在1-2米/秒的風速處出現折線，是因為雷諾數Re在40左右不連續。旁熱式熱線風速計檢定曲線圖示旁熱式熱線風速計檢定應用時應注意兩點：

1.檢定時和測量時的空氣密度校正（使用前進行檢定）

ρv=ρ0vrv=vrρ0/ρ2.方向校正，熱線感應的風速u和環境實際風速v的關系為：熱線越長A值越小。（8.50）（8.51）二.直熱式熱線微風儀：結構示意圖

直熱式熱線風速儀的感應部分是一根直徑約為5-10m的鉑金屬絲，緊繃在支架上長度約幾個至20mm。由于較大的電流流經鉑絲，它的溫度要比環境空氣溫度高200-500℃。直熱式熱線風速儀的鉑金屬絲，一絲兩用，它既用來感應風速，又以它的電阻值確定熱線的溫度，它的感應方程為：（8.52）（8.53）（8.54）（8.55）超聲風速儀＆8.5

聲學風速儀原理超聲風速儀：sonicanemometer聲波在大氣中傳播速度與空氣的溫度、風速有關。靜止空氣中的聲速為Tsv：聲學絕對虛溫式中e為水汽壓；P為大氣壓力；氣溫20℃時，干空氣中聲速343.5m/s.

設d為超聲風速儀的路經長度;v為風速;t1為第一個發聲源到達接收端所需的時間;t2為第二個發聲源到達接收端的時間.只要求出t1和t2即可求出風速。

（8.56）（8.57）由左圖，當逆風發射時，T1發射，R1接收：假設氣流速度為v的三個分量為vx、vy、vz，聲波從坐標原點到達某一位相面（x,y,z)所需的時間為t時，則有：設y和z等于零，等位相面到達點(d1,0,0)和點(d2,0,0)的時間為t1和t2.當順風發射時，T2發射，R2接收：（8.58）（8.59）由（8.58和(8.59)式可見，當風速為零時，聲波到達兩個方向相反，距離相等的接收器所需時間相等。即而有風時，v0,vd0,t1t2.于是就利用這一原理，測量相對方向上聲波脈沖的傳播時間之差，以測得風速，即：

（8.60）同理,y方向的風速分量vy的計算式為:（8.61）同理,z方向的風速分量vz的計算式為:（8.62）

由(8.60)可得結論:聲波沿聲程方向順風傳播和逆風傳播的時間差與沿聲程方向的風速成正比.由此可知,聲學風速儀的測速技術就歸之于測量聲波傳播的時間差.用適當的電子線路和裝置實現此項時間差的測量,便可測得所需風速及其分量.下面是一實用原理圖:

通常超聲風速儀有三組測風探頭,以測量x,y,z三個風速分量。超聲風速儀響應速度很快,可每秒測量20次,測量范圍可從0.01-30米/秒。

＆8.6激光風速儀原理一、概述：激光風速儀（LaserDopplerAnemometerLDA;LaserDopplerVelocimeterLDV)是建立在激光技術和多普勒頻移原理基礎上，通過頻率測量來測定風速的（FV）。激光通過大氣層時，大氣層中的氣溶膠粒子對入射光有散射效應，而運行的氣溶膠粒子將使散射光的頻率產生多普勒頻移效應。在接收器內比較發射的參考光和散射光的頻差，就可確定運載氣溶膠粒子（Aerosolparticle)的氣流速度。激光風速儀（LDA）有兩大優點：

1、可遠距離遙測，響應速度快；

2、完全不干擾自然流場。激光風速儀的機構：

1、激光器；2、入射光學單元；3、收集光學單元；4、多普勒信號處理單元、5、數據處理系統。差動式頻移LDV系統示意圖1.激光器：

He-Ne,λ=632.8nmAr,λ=488nm(blue),λ=514.5nm(green)2.入射光學單元：多普勒頻移頻率3.光學接收單元接收運動流體中粒子的散射光，得到多普勒頻移頻率fD4.多普勒信號處理器頻率跟蹤器，計數式處理器，光子相關器5.數據處理系統模擬量、數字量轉換成風速二.激光測速原理

設照射光的頻率為f0，粒子P的運動速度為u，fs為粒子多勒效應頻率,e0為粒子入射光單位向量，es為粒子散射光單位向量，c為介質中的光速。根據相對論變換公式，經多普勒效應后，粒子接收到的光波頻率為：當ue0《c時，可得(8.63)式的近似式粒子作為運動的光源，以此頻率向四周發射散射光。當靜止的觀測者（光檢測器）從某一方向上觀測粒子的散射光時，由于它們之間存在相對運動，接收器接收到的散射光頻率又會與粒子所接收到的不同，其頻率為：（8.63）這就是在靜止的光源和運動的粒子條件下，經過一次多普勒效應后的頻率關系式。（8.64）（8.65）es為粒子散射光單位向量，c為介質中的光速。取正是因為選擇es向量由粒子朝向光檢測器。將(8.64)代入(8.65)式，當u《c時，忽略高次項，可得經兩次多普勒效應后的頻率關系式為（8.66）（8.67）最后可得它與光源頻率之差（多普勒頻移），即

因此，可設計一種光路，能使得接收器同時接收到兩種頻率的光，由光電接收器檢測出差頻來。如下圖所示，由兩束頻率相同的入射光，照射到運動的粒子P 上。由前面多普勒頻移原理：對第一束入射光，接收器接收到的散射光的頻率為：對第二束光，接收器接收到的散射光的頻率為：這兩部分散射光在接收器上混頻后，可測得差頻為：接收器（8.68）當es1=es2，多普勒頻移fD是兩部分光波頻率之差。由兩束入射光的單位矢量ei1,ei2與風速u的點乘積關系：

是兩束入射光的夾角，將（8.69）代入（8.68）得：（8.69）（8.70）由（8.70）可見，當

和

一定時，粒子運動速度與多普勒頻移fD成正比。就是說，可以通過測量多普勒頻移fD而得到風速u，這就是激光測量風速的原理。三、激光測速儀存在的問題：

激光風速儀測得的風速并不是真正的大氣流動速度，而是懸浮于氣流中的散射粒子的運動速度。因為粒子與流體的密度有顯著差異，粒子不可能完全跟隨流體運動，其速度總會有差異，這就造成了激光測量的誤差。

一、旋臂機圖示

旋臂旋轉時，與空氣產生相對運動（空氣假定靜止），其相對運動速度為：

式中n為旋臂轉動圈數；R為旋臂的半徑；t為旋臂轉動n圈時的時間。

同時記錄風速儀的輸出，如熱線風速儀的輸出電動勢 做出V——

的關系圖或回歸方程。

＆8.7風速儀的檢定

優點：轉速穩定可調；可檢定低風速，例如0.2m/s;

缺點：低風速時保證室內靜風（門窗不能漏風，人不能走動）；高風速時要保證旋臂卷起的風要消除（旋臂周圍樹立柵欄）以消除大轉速時，室內氣流造成的檢定誤差。做出縱坐標為V（m/s)與橫坐標為輸出電動勢（mv)的檢定曲線，并作出回歸方程。

檢定曲線圖示二、風洞實驗裝置環境學院大氣邊界層風洞，寬3m，高2m，長32m1、風洞的結構收縮段、工作段、馬達、電力部分

風洞風速的大小，由電動機的轉速決定，風扇驅動電機有兩個繞組，一組繞在旋轉鐵心上，成為轉子；另一組繞在外圍鐵殼上，稱為定子；當定子被一個恒定電壓供電，改變與轉子間的磁場，即可改變馬達的轉速，達到調節風洞風速的目的。

風洞中風速的測量是借助風洞收縮段兩個靜壓口的壓力差來測量。

設收縮段靜壓為P1，動壓為；工作段靜壓為P2，動壓為；得：

（1）

微壓計的結構如圖所示：

由（1）和（2）式即可計算出風洞工作段的風速V2，若在風洞工作段中放入風速儀，即可對風速進行標定，即：

（2）

做出縱坐標為V（m/s)與橫坐標為輸出電動勢（mv)的檢定曲線或者是風速儀轉動圈數/秒，并作出回歸方程。

檢定曲線圖示＆

8.8氣象鐵塔探測系統氣象鐵塔的架設和儀器配置梯度測量溫度測量濕度測量風速測量風向測量氣象塔架設的基本要求建于平坦、開闊的地面上周圍任何障礙物與塔體的距離至少為障礙物本身高度的十倍以上塔與觀測機房之間應有一電纜溝相連，以便鋪設電源電纜和信號傳輸總線塔體安裝后應堅固、可靠，保證十年以上的正常使用塔體要能承受當地最惡劣氣象條件，如大風、沙塵暴、暴雨等塔體要符合避雷安全要求氣象鐵塔的架設和儀器配置塔結構：三角形結構，空心，主要指標：塔高和邊長層次設計：對數或指數分布儀器架設臂長：與直徑成比例(3倍)鋼制底座和混凝土地基，鋼絲拉線加固便于工作人員拆卸、維修儀器設備氣象觀測塔觀測系統硬件部分各主要單元結構

配套地面觀測系統硬件部分各主要單元結構塔上儀器配置每層架設風向標、風杯風速計、鉑金屬溫度計、濕度計，進行慢響應平均場梯度測量，每20秒記錄一組數據。在需要的高度上架設超聲風速溫度儀，進行湍流場測量，每秒采集10次或20次，得到三維風速和溫度脈動數據。根據需要架設各種儀器設備。梯度測量

在不同高度上進行：溫度測量：鉑電阻溫度計濕度測量：濕敏電容濕度計風速測量：旋轉式風速計風向測量：風向標溫度、濕度傳感器和防輻射罩大氣湍流測量1、三維湍流脈動風速測量超聲風速計

2、溫度脈動測量超聲風速計測溫度脈動鉑金屬溫度脈動儀

3、濕度脈動測量紫外濕度計紅外濕度計

超聲風速儀超聲風速儀性能參數聲程：15cm（或20）（X、Y、Z三軸向）量程：風速：0.01-30m/s（或60）風向：0-360

溫度：-30-50采樣速率：最大每秒20次(20Hz)傳輸速率：400kb/s傳輸距離：400m超聲風速儀的安裝底座保持水平，防止水平風對垂直方向測量的影響陰影效應和減少塔體影響取決于探頭軸線與風向夾角和風速塔體迎風時會產生較大影響方向性和角度修正磁羅盤法或北極星法定方位超聲風速儀的資料采集記錄數據：U、V、W、T（T(Pt））生成數據：三維平均風速平均風向溫度三維均方差平均動量通量、熱量通量三分量風速儀濕度脈動測量紫外濕度計

利用水汽拉曼-阿爾法吸收線（波長0.1216微米），測量輻射通過水汽時的衰減，計算水汽密度。紅外濕度計

工作波長為2.5微米水汽弱吸收區和2.59微米強吸收區兩個波段，測量兩個通道輻射衰減的差別，計算水汽密度。濕度脈動測量儀器紅外濕度脈動儀

超聲風速溫度儀＆

8.9低空氣球探測小球測風

低空探空系留氣球主要技術特點：

1、三維定位方式：雙經緯儀跟蹤

2、較高時空分辨率

3、較高的探測精度系留氣球探測系留氣球探測系統系統組成：飛艇式氣球，懸掛式探空儀，地面信息接收處理系統，電動絞車和纜繩性能：溫度(珠狀熱敏電阻)0.1度（0.2）濕度(干濕球方法)1%(2%)

氣壓(陶瓷片基金