氣象探測原理

1、 空盒氣壓計是利用空盒感應元件制成的連續(xù)記錄氣壓的儀器。其結構包括：感應部分；傳動放大部分；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)。簡述空盒氣壓計的彈性后效、彈性溫度效應原理及其解決方法。彈性后效特點：1、當氣壓變化停止后，空盒形變還繼續(xù)一段時間；2、升降壓曲線不重合（滯差環(huán)）?？蘸袕椥詼囟刃侵缚蘸械臈钍夏Ａ烤哂胸摐叵禂?shù)。溫度升高時，彈性力減弱。如果大氣壓力維持不變，在升溫時空盒的厚度將變薄解決辦法：1、雙金屬片補償法空盒的溫度效應位移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；有單點補充和雙點補充兩種。2、殘余氣體補償法空盒內(nèi)留有一定壓力兀的氣體，在氣壓為P時，空盒所受壓力為P-兀，空盒的彈性應力為F,壓力平衡時，F(xiàn)=P-n:。升溫1C時，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na=P（P-兀）或=i+a兀p時，空盒的溫度效應就可得到補償。P點是完全補償點。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）。簡述沸點氣壓計測壓原理。將一個裝有純凈液體的容器與待測空氣相通，將溶液加熱到沸點，溶液表面的飽和蒸汽壓將達到大氣壓力的數(shù)值，測定它的沸點溫度就可計算出大氣壓力。B大氣壓力與沸點溫度的關系為：lg

3、P=AtCpt(0C)=pBAt(0C)=pBAlogP+C這種方法的優(yōu)點是將復雜的氣壓的測量轉(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章風的觀測1旋轉(zhuǎn)式風速表主要有哪幾種？簡述它們的測量原理。旋轉(zhuǎn)風速表的感應部分是一個固定在旋轉(zhuǎn)軸上的感應部件，固定在旋轉(zhuǎn)軸上。在穩(wěn)定的風力作用下，感應部件受到扭力矩而開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與風速成一定關系。因此，測量轉(zhuǎn)速可以得到風速。感應部件有風杯式和螺旋槳式兩種，風杯式繞豎直軸轉(zhuǎn)，螺旋槳式則安裝在支架的水平軸上，支架可繞豎直軸，隨風向變化轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)風速表主要有以下幾種：蝸桿風速表:根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)速與風速的關系，測量轉(zhuǎn)速，得到風速；.電感式旋轉(zhuǎn)風速表：

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)風速表：將光電式旋轉(zhuǎn)風速表的轉(zhuǎn)軸懸浮起來，減小摩擦。2簡述旁熱式、直熱式熱線微風儀的測量原理。旁熱式熱線風速計(結構圖示)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，利用這一特性可測量風速。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。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：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v較大時，可忽略分子散熱作用項A,且熱交換達到平衡，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為空氣分子導熱系數(shù)；R-坐D，

9、D為熱線直eDe卩徑；KCklkH-nDn，C和n為實驗確定的系數(shù)，p為空氣動力學粘性系數(shù)。當dQ1=dQ2時:0.24i2RK(pv)n(t0)t由于測溫熱電偶的電動勢正比于冷熱端溫差，貝y，上式寫為:0.24i2RK(pv)n8tt對上式兩邊取對數(shù)：ClgClg0.24i2Rnlg(pv)+lg8t熱絲電阻R、加熱電流i、分子導熱系數(shù)K及n為常數(shù)，則上是簡化為txc二ny+xny二cn在雙對數(shù)坐標紙上，縱軸為風速取對數(shù)lgV,橫軸為電動勢取對數(shù)lg,即可V得到熱線風速儀的風速與輸出電動勢的線性關系。直熱式熱線微風儀：直熱式熱線風速儀的感應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：0.24i2R=K(pv(t0)ttR=R1+a(t9)ltRt=K(pvRRit9K=-i0.24aRv9簡述超聲風速儀的測量原理。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其中，T=T(1+0.32-)為聲學絕對虛溫。式中e為水汽壓；P為大氣壓力。氣svp溫20C時，干空氣中聲速343.5m/s。假設氣流速度為v的三

11、個分量為v、v、v,聲波從坐標原點到達某一位相面xyz(x,y,z)所需的時間為t時，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y和z等于零，等位相面到達點(dl,0,0)和點(d2,0,0)的時間為t1和t2。由右圖，當逆風發(fā)射時，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，A=1。c2同理,y方向的風速分量v的計算

12、式為:yAc2AtvAc2Atvyy2dAtttyy21c2v2Ac2z方向的風速分量v的計算式為:z12dvAt-12dvAt-1-1亠z21c2v2Ac2zAc2Atvz2d可得總風速:(At2+At2+At2)TOC o 1-5 h z4d2xyz1+-(At2+At2+At2)4d2x1+-(At2+At2+At2)4d2xyz2d因此，各方向風速分量為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?shù)碾娮泳€路和裝置實現(xiàn)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：thL4竝也電*殆潁成PLL激光風速儀的測量原理及其存在的問題。1)原理激光風速儀(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(FtV)。激光通過大氣層時，大氣層中

14、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(chǎn)生多普勒頻移效應。在接收器內(nèi)比較發(fā)射光的參考光和散射光的頻差，就可確定運載氣溶膠粒子(Aerosolparticle)的氣流速度。激光風速儀由以下五部分組成：1、激光器；2、入射光學單元；3、收集光學單元：收集運動流體中粒子的散射光，得到多普勒頻移頻率fD；4、多普勒信號處理單元：頻率跟蹤器，計數(shù)式處理器，光子相關器；5、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：模擬量、數(shù)字量轉(zhuǎn)換成風速。差動式頻移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

15、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。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動而造成的pf相對誤差為5=5=二x100=(Ifx1002U廿x100=(T)x100，n=U這就是激光測速技術中的離子跟隨問題耳=1,5=這就是激光測速技術中的離子跟隨問題耳=1,5=0，完全跟隨;n1,50，粒子超前于流體運動;n0，粒子滯后流體運動。第9章高空風的觀測簡述經(jīng)緯儀氣球測風原理。氣球以速度w上升，測得方位角a（相對正北）、仰角6。在t時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。水平風速為：v=L/t假如連續(xù)測量，測得多組數(shù)據(jù)。第i個點處測得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)緯儀測風是在已知基線長度的兩端，架設兩架經(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算氣球高度和風向風速。單經(jīng)緯儀測風的優(yōu)缺點有哪些？優(yōu)點：測量簡單，節(jié)省人力；缺點：有上升下沉氣流時，會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在實際工作中，要求球高計算值的最大相對誤差不能超過實際球高的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：蓼口傳感器是針對綜合有銭遙測儀I型的，綜合有線遙測儀II型偉