氣象探測原理

1、 空盒氣壓計(jì)是利用空盒感應(yīng)元件制成的連續(xù)記錄氣壓的儀器。其結(jié)構(gòu)包括：感應(yīng)部分；傳動(dòng)放大部分；自記部分。它與空盒氣壓表的區(qū)別在于它有自己部分，而空盒氣壓表需要靠人去讀數(shù)。簡述空盒氣壓計(jì)的彈性后效、彈性溫度效應(yīng)原理及其解決方法。彈性后效特點(diǎn)：1、當(dāng)氣壓變化停止后，空盒形變還繼續(xù)一段時(shí)間；2、升降壓曲線不重合（滯差環(huán)）?？蘸袕椥詼囟刃?yīng)是指空盒的楊氏模量具有負(fù)溫系數(shù)。溫度升高時(shí)，彈性力減弱。如果大氣壓力維持不變，在升溫時(shí)空盒的厚度將變薄解決辦法：1、雙金屬片補(bǔ)償法空盒的溫度效應(yīng)位移5A，剛好由雙金屬片的位移AS相抵消。即：ds=ASds=AS=kPP0空盒彈性溫度系數(shù)B；上升1C,彈性變化BP0；引

2、起空盒自由端位移kBP0；有單點(diǎn)補(bǔ)充和雙點(diǎn)補(bǔ)充兩種。2、殘余氣體補(bǔ)償法空盒內(nèi)留有一定壓力兀的氣體，在氣壓為P時(shí)，空盒所受壓力為P-兀，空盒的彈性應(yīng)力為F,壓力平衡時(shí)，F(xiàn)=P-n:。升溫1C時(shí)，彈性力減弱了PF邙（P-n）；盒內(nèi)殘余氣體的壓力升高了兀a；當(dāng)na=P（P-兀）或=i+a兀p時(shí)，空盒的溫度效應(yīng)就可得到補(bǔ)償。P點(diǎn)是完全補(bǔ)償點(diǎn)。P是空盒的彈性溫度系數(shù)（1/C）；a為殘余氣體的熱膨脹系數(shù)（1/C）。簡述沸點(diǎn)氣壓計(jì)測壓原理。將一個(gè)裝有純凈液體的容器與待測空氣相通，將溶液加熱到沸點(diǎn)，溶液表面的飽和蒸汽壓將達(dá)到大氣壓力的數(shù)值，測定它的沸點(diǎn)溫度就可計(jì)算出大氣壓力。B大氣壓力與沸點(diǎn)溫度的關(guān)系為：lg

3、P=AtCpt(0C)=pBAt(0C)=pBAlogP+C這種方法的優(yōu)點(diǎn)是將復(fù)雜的氣壓的測量轉(zhuǎn)化為溫度的測量。7.已知在北緯40，海拔高度為120m的氣象站動(dòng)槽式水銀氣壓表的氣壓讀數(shù)為9882hPa，器差為06hPa,0=25,r=06C/100，求：Ph,P海，壓差C。解：H0)=988.2hPa+0.6hPa=988.8hPa1+九1+九t=H=988.8hPa*t1+pt1+1.840 x10-5*251+1.818x10-4*25=988.81hPaH(0,g)=(1-0.000000196h)H(0,g)h45,0045,h=(1-0.000000196h)(1-0.00264co

4、s2申)H(0,g)0申,h=(1-0.000000196*120)(1-0.00264cos80)*988.81hPa=988.33hPa即Ph=988.33hPaJ=25C,r=0.6C/100,h=120mh因而有t0=(25+120*0.6/100)C=25.72C因而有t=(25=25.72)/2C=25.36Cm因而有m=120/18400(l+25.36/273)=0.00596M=(100.00596-1)*1000=13.818P海=988.33hPa*lOo.oo596=lOO1.99hPaC=1001.99hPa-988.33hPa=13.656hPa8、已知在北緯45海

5、拔高度為220m的氣象站動(dòng)槽式水銀氣壓表的氣壓讀數(shù)為9861hPa,器差為02hPa,th,0=25C,th,12=306C,求：Ph,P海，壓差C。解：P=(986.1-0.2)hPa=985.9hPath=(25+30.6)/2=27.8CP=985.9*(1+1.840*10-5*27.8)/(1+1.818*10-5*27.8)hPa=985.91hPa0Ph=985.91*(1-0.000000196*220)=985.86hPaTm=(27.8+27.8+0.6*220/100)/2=28.46Cm=220/18400(1+28.46/273)=0.0108M=(100.0108-

6、1)*1000=25.179P海=985.91hPa*(M/1000+l)=1010.735hPaC=1010.735-985.91=24.825hPa第8章風(fēng)的觀測1旋轉(zhuǎn)式風(fēng)速表主要有哪幾種？簡述它們的測量原理。旋轉(zhuǎn)風(fēng)速表的感應(yīng)部分是一個(gè)固定在旋轉(zhuǎn)軸上的感應(yīng)部件，固定在旋轉(zhuǎn)軸上。在穩(wěn)定的風(fēng)力作用下，感應(yīng)部件受到扭力矩而開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成一定關(guān)系。因此，測量轉(zhuǎn)速可以得到風(fēng)速。感應(yīng)部件有風(fēng)杯式和螺旋槳式兩種，風(fēng)杯式繞豎直軸轉(zhuǎn)，螺旋槳式則安裝在支架的水平軸上，支架可繞豎直軸，隨風(fēng)向變化轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)風(fēng)速表主要有以下幾種：蝸桿風(fēng)速表:根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系，測量轉(zhuǎn)速，得到風(fēng)速；.電感式旋轉(zhuǎn)風(fēng)速表：

7、將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電感、電壓來測量；.光電式旋轉(zhuǎn)風(fēng)速表：將轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)化為光電頻率的測量；.懸浮式旋轉(zhuǎn)風(fēng)速表：將光電式旋轉(zhuǎn)風(fēng)速表的轉(zhuǎn)軸懸浮起來，減小摩擦。2簡述旁熱式、直熱式熱線微風(fēng)儀的測量原理。旁熱式熱線風(fēng)速計(jì)(結(jié)構(gòu)圖示)被加熱的金屬絲在氣流中散熱，它的散熱率與風(fēng)速的大小有密切的關(guān)系，利用這一特性可測量風(fēng)速。假若以一定電功率的電流連續(xù)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(fēng)速的大小而異，利用熱絲的溫差電動(dòng)勢(shì)可測定風(fēng)速，利用這種原理制成的風(fēng)速儀稱作熱線風(fēng)速儀。焦?fàn)枱崾咕哂须娮柚档耐娏鹘饘俳z溫度升高，與此同時(shí)，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：dQ=0.24i2

8、R=0.24i2R1-a(t-0)t0其中：Rt為加熱后金屬絲阻值；t為金屬絲溫度；RQ為金屬絲在環(huán)境溫度下阻值；：環(huán)境溫度。在風(fēng)速v的氣流中，一根垂直于氣流的金屬絲的散熱率為：dQ(A+Bfv)(t0)2其中：A：分子散熱作用；B;v:氣流作用；(t-0):熱線與氣溫的差。當(dāng)v較大時(shí)，可忽略分子散熱作用項(xiàng)A,且熱交換達(dá)到平衡，貝V：dQdQn0.24i2RBv(t0)12t熱線在氣流中散熱率為:kdQhF(t0)h兀DI(t0)cRn兀DI(t0)2eDCKlk(P)n(t0)CKlkDnp-n(pV)n(t0)K(pv)n(t0)其中：hCRnk為散熱系數(shù)，k為空氣分子導(dǎo)熱系數(shù)；R-坐D，

9、D為熱線直eDe卩徑；KCklkH-nDn，C和n為實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)，p為空氣動(dòng)力學(xué)粘性系數(shù)。當(dāng)dQ1=dQ2時(shí):0.24i2RK(pv)n(t0)t由于測溫?zé)犭娕嫉碾妱?dòng)勢(shì)正比于冷熱端溫差，貝y，上式寫為:0.24i2RK(pv)n8tt對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)：ClgClg0.24i2Rnlg(pv)+lg8t熱絲電阻R、加熱電流i、分子導(dǎo)熱系數(shù)K及n為常數(shù)，則上是簡化為txc二ny+xny二cn在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，縱軸為風(fēng)速取對(duì)數(shù)lgV,橫軸為電動(dòng)勢(shì)取對(duì)數(shù)lg,即可V得到熱線風(fēng)速儀的風(fēng)速與輸出電動(dòng)勢(shì)的線性關(guān)系。直熱式熱線微風(fēng)儀：直熱式熱線風(fēng)速儀的感應(yīng)部分是一根直徑約為5-10pm的鉑金屬絲，緊繃在支架

10、上，長度約幾個(gè)至20mm。由于較大的電流流經(jīng)鉑絲，它的溫度要比環(huán)境空氣溫度高200-500C。直熱式熱線風(fēng)速儀的鉑金屬絲，一絲兩用，它既用來感應(yīng)風(fēng)速，又以它的電阻值確定熱線的溫度，它的感應(yīng)方程為：0.24i2R=K(pv(t0)ttR=R1+a(t9)ltRt=K(pvRRit9K=-i0.24aRv9簡述超聲風(fēng)速儀的測量原理。聲波在大氣中傳播速度與空氣的溫度、風(fēng)速有關(guān)。靜止空氣中的聲速為聲波在大氣中傳播速度與空氣的溫度、風(fēng)速有關(guān)。靜止空氣中的聲速為其中，T=T(1+0.32-)為聲學(xué)絕對(duì)虛溫。式中e為水汽壓；P為大氣壓力。氣svp溫20C時(shí)，干空氣中聲速343.5m/s。假設(shè)氣流速度為v的三

11、個(gè)分量為v、v、v,聲波從坐標(biāo)原點(diǎn)到達(dá)某一位相面xyz(x,y,z)所需的時(shí)間為t時(shí)，則有：TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark339 (X一Vt)2+(y一vt)2+(z一Vt)2=c2t2(2)Xyz設(shè)y和z等于零，等位相面到達(dá)點(diǎn)(dl,0,0)和點(diǎn)(d2,0,0)的時(shí)間為t1和t2。由右圖，當(dāng)逆風(fēng)發(fā)射時(shí)，T1發(fā)射，R1接收：(dvt)2+(0vt)2+(0vt)2=c2t2x1y1z11n(dvt)2=(c2v2v2)t2x1yz1ndvt=；c2v2-1,其中v2=v2+v2x1yz1yzyzd(c2d(v2時(shí)，A=1。c2同理,y方向的風(fēng)速分量v的計(jì)算

12、式為:yAc2AtvAc2Atvyy2dAtttyy21c2v2Ac2z方向的風(fēng)速分量v的計(jì)算式為:z12dvAt-12dvAt-1-1亠z21c2v2Ac2zAc2Atvz2d可得總風(fēng)速:(At2+At2+At2)TOC o 1-5 h z4d2xyz1+-(At2+At2+At2)4d2x1+-(At2+At2+At2)4d2xyz2d因此，各方向風(fēng)速分量為2dc2()Atx1+At2+At2+At2 HYPERLINK l bookmark367 4d2xyzV=ytc21+一4d22dAtV=ytc21+一4d22dAt+At2+At2丿Xyz(10)v=2dAtzc2(丿z1+At2

13、+At2+At2丿4d2Xyzy、z方向類似。(11)由(9)、(10)、(11)可得結(jié)論：聲波沿聲程方向順風(fēng)傳播和逆風(fēng)傳播的時(shí)間差與沿聲程方向的風(fēng)速成正比。由此可知，聲學(xué)風(fēng)速儀的測速技術(shù)就歸之于測量聲波傳播的時(shí)間差。用適當(dāng)?shù)碾娮泳€路和裝置實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)時(shí)間差的測量，便可測得所需風(fēng)速及其分量。下面是一實(shí)用原理圖：thL4竝也電*殆潁成PLL激光風(fēng)速儀的測量原理及其存在的問題。1)原理激光風(fēng)速儀(LaserDopplerAnemometerLDA;LaserDopplerVelocimeterLDV)是建立在激光技術(shù)和多普勒頻移原理基礎(chǔ)上，通過頻率測量來測定風(fēng)速的(FtV)。激光通過大氣層時(shí)，大氣層中

14、的氣溶膠粒子對(duì)入射光有散射效應(yīng)，而運(yùn)行的氣溶膠粒子將使散射光的頻率產(chǎn)生多普勒頻移效應(yīng)。在接收器內(nèi)比較發(fā)射光的參考光和散射光的頻差，就可確定運(yùn)載氣溶膠粒子(Aerosolparticle)的氣流速度。激光風(fēng)速儀由以下五部分組成：1、激光器；2、入射光學(xué)單元；3、收集光學(xué)單元：收集運(yùn)動(dòng)流體中粒子的散射光，得到多普勒頻移頻率fD；4、多普勒信號(hào)處理單元：頻率跟蹤器，計(jì)數(shù)式處理器，光子相關(guān)器；5、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：模擬量、數(shù)字量轉(zhuǎn)換成風(fēng)速。差動(dòng)式頻移LDV系統(tǒng)示意圖多普勒頻移頻率2sin多普勒頻移頻率2sin2）激光測速儀存在的問題：激光風(fēng)速儀測得的風(fēng)速并不是真正的大氣流動(dòng)速度，而是懸浮于氣流中的散射粒子

15、的運(yùn)動(dòng)速度。因?yàn)榱Ｗ优c流體的密度有顯著差異，粒子不可能完全跟隨流體運(yùn)動(dòng)，其速度總會(huì)有差異，這就造成了激光測量的誤差。若u為粒子速度，u為流體流速，則由于粒子不完全跟隨流體運(yùn)動(dòng)而造成的pf相對(duì)誤差為5=5=二x100=(Ifx1002U廿x100=(T)x100，n=U這就是激光測速技術(shù)中的離子跟隨問題耳=1,5=這就是激光測速技術(shù)中的離子跟隨問題耳=1,5=0，完全跟隨;n1,50，粒子超前于流體運(yùn)動(dòng);n0，粒子滯后流體運(yùn)動(dòng)。第9章高空風(fēng)的觀測簡述經(jīng)緯儀氣球測風(fēng)原理。氣球以速度w上升，測得方位角a（相對(duì)正北）、仰角6。在t時(shí)刻氣球上升的高度為：H=wt氣球在水平方向上的投影距離為：L=Hctg

16、6。水平風(fēng)速為：v=L/t假如連續(xù)測量，測得多組數(shù)據(jù)。第i個(gè)點(diǎn)處測得a、6，則可得-ti+1(a-a)丿2-ti+1(a-a)丿2+W(t-t)ctgdHsec2d(d-d)ii+1ii+iii+1ii+iit-ti+1雙經(jīng)緯儀測風(fēng)是在已知基線長度的兩端，架設(shè)兩架經(jīng)緯儀同步觀測，分別讀出氣球的仰角、方位角，利用三角法或矢量法計(jì)算氣球高度和風(fēng)向風(fēng)速。單經(jīng)緯儀測風(fēng)的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？優(yōu)點(diǎn)：測量簡單，節(jié)省人力；缺點(diǎn)：有上升下沉氣流時(shí)，會(huì)使氣球上升速度偏大或偏小，并且氣球本身上升速度在不同高度有變化。雙經(jīng)緯儀平面投影法在什么情況下不能使用？水平投影法計(jì)算球高的公式為：bsinBtan8bsinBtan8H

17、=一8sinpsin（aB）bsinatanibsinataniH=一isinpsin（a-B）由此推出8=tan-iPAP+tan-1(a一B)(Aa+AP)+2人Hsin288匸=tan-iaAa+tan-1(a-B)(Aa+AP)+Hsin2i在實(shí)際工作中，要求球高計(jì)算值的最大相對(duì)誤差不能超過實(shí)際球高的5%。因此，在觀測中出現(xiàn)以下三種情況之一就不能使用水平面投影法：a（a（或B）358或a（或B）2；.a-B176；.8（或i）88或8（或i）-捋k輸岀說備-捋kH-n氣斥諸廡器氣溫諸感器溟度專感器區(qū)向進(jìn)感器恫諫廊感器雨量借感器輻射傳感器f日照傳感器注：蓼口傳感器是針對(duì)綜合有銭遙測儀I型的，綜合有線遙測儀II型偉