地面风的测量

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1、地面风的测量作者:日期:第5章地面风的测虽5.1 概述5.1.1定义风速是由许多在时、空上随机变化的小尺度脉动叠加在大尺度规那么气流上的一种三维矢量。在有关诸如空中污染传播和飞机着陆之类的问题中，需要将风速作为三维矢量考虑。然而，就本指南的目 的而言，地面风将主要作为二维矢量来考虑，即规定风向和风速两个数来表示。以快速脉动为特征的 风那么称之为阵风。大多数使用风的数据的用户需要平均的水平风，通常是在极坐标上表示出风速和风向。越来越多的应用还需要风的变动性即风的阵性的资料。为此目的，需要用到三个量，即阵风的峰值、风速 和风向的标准偏差。以下的定义是在本章中要用到的详细资料可参见Mozzarell

2、a, 1972 ：平均值Averaged quantities:是在10分钟30分钟时间段的平均的量即水平风速。本章只涉及10分钟时间段的平均量航空应用可能需要更短时间的平均量，可参见本书第二编第2章。 羊 12 .一 一-标傕偏差Standard deviation ，即s s :式中的s是与时间有关的信号即水平风速，而上面带横线的即 是其时间平均值。标准偏差是用来表征某一特定信号的脉动大小。阵风峰值Peak gust：在规定的时间间隔内观测到的最大风速。在每小时的天气报告中，阵风 峰值就作为前一整小时的风的极值。阵风持续时间Gust duration ：是对所观测的阵风峰值的持续时间的一种

3、量度，这个持续时间决 定于测量系统的响应。慢响应系统抹去极值而测到了长而平滑的阵风；快响应系统观测到许多锋利的峰，这就是阵风，只有短短的持续时间。为了定义阵风持续时间，采用了一种理想的名为单滤波器的测量链，用它对输入的风信号取一在t秒时间的运行平均值。 在此滤波器之后观测到的极值就定义为具有持续时间t的阵风峰值。其它的具有不同的滤波作用单元的测量系统，只要它是具有在积分时间t0的运行平均值滤波器并能产生具有相同高度的极值，就可以认同它能测量具有持续时间t。的阵风进一步的讨论可参阅Beljaars, 1987;WMO, 1987 。时间常数Time constant一阶系统的：是一个装置用于检测

4、并指示一个阶跃函数变化的63%左右所需要的时间。响应长度Response length：近似地是风速传感器的输出以指示输入速度的一个阶跃函数变化的 63%左右所需要的风程以 m表示。临界阻尼Critical damping 例如风向标这样的传感器，其响应最好用一个二阶微分方程来描 述：是对阶跃变化给出最快的瞬变响应而又没有过振时的阻尼值。阻尼比Damping ratio :是实际阻尼与临界阻尼之比。无阻尼自然波长 Undamped natural wave length :风向标无阻尼地经过一种振荡的一个周期所需要的风程。5.1.2单位与标尺风速报告应当以 0.5m s 1为单位，或者以最靠近

5、的整数knots 即海里/小时，符号为kn为单位，对天气报告而言，风速还应表示为10分钟的平均值。对于航空目的，可能需要更短时间的平均值参见第二编第 2章。风向应以度为单位，并以最靠近的整十度用0136为电码作报告例如，电码 2就表示风向为15。与25。之间，表示为10分钟的平均值参见第二编第 2章用于航空目的。风向定义为风的 来向，以地理正北为起点按顺时针进行度量。当风速平均值小于 1kn时应报告为静风Calm。此时的风向电码为 00。在北极点1以内或在南极点1以内的站上的风向应按照电码手册 WMO ,1995的电码表Code Table 0878作报告其方位环必须对准，使其零位与格林威治的

6、0子午线重合。5.1.3气象要求有许多方面需要风的观测，如天气监测与预报、风载荷气候学、风灾概率与风能、地面气流通量的部份估计即农业的蒸发与空气污染扩散的应用等。对风的观测的技术要求已在第一编第1章给出。水平风速小于 5m s 1时的准确度为0.5m s 1 ,大于5m s 1时的准确度为10%。风向的准确 度要求为5。除了平均风速和风向之外，还有许多应用方面需要标准偏差值和极值参见5.8.2节。对于现代仪器装备来说，所要求的准确度是易于到达的。风的观测的最大难题是风速表的安置。因为要找到一个对大范围地域的风速具有代表性的安置场地是几乎不可能的。因此，只好推荐对安置误差进行估计的做法参见 5.

7、9节。许多应用方面需要风的阵性的资料。这些应用方面是：飞机的起飞与降落、风载荷气候学、空气 污染扩散问题、以及安置误差的修正等。在常规观测中增加以下两项变量的观测是适宜的，这就是风 速和风向的标准偏差值和三秒的阵风峰值参见CIMO- X的建议3和建议4 WMO , 1990。5.1.4测量方法与观测通常，地面风用风标和风杯或螺旋桨测风表来测量。当仪器装备临时发生故障不能使用或者 没有配备仪器时，风向观测和风力观测可以由观测者主观估计下面提供的风速当量表就常用于估 计。这里要专门讨论到的仪器和技术，仅是较为合用品种之中的少数几种，没有列成一份全面的清单，本章末尾的参考文献目录对这方面问题提供了许

8、多好的文献。下面将简要介绍的传感器是转杯式风速表和螺旋桨式风速表以及风向标。转杯和风向标、螺旋桨和风向标、以及单独螺旋桨都是常见的组合。还有其它的传感器，虽已在小范围的日常观测中应用， 而且效果尚令人满意，但总是属于研发或流行用作科研工具，不过，在具有先进技术的条件下，有可 能变成日常观测的实用仪器。以皮托管Pitot tube风速表和声学风速表为例。皮托管风速表用测压管来测量风压并利用风向 标对准风的来向，这是一种相对简单的仪器，但它具有风压与风速之间的非线性关系的缺点，就很不利于求取平均值。声学风速表测量超声脉冲从发射到接收经过一段固定的距离所需的时间，虽然其原理性工作非常的好，但它在雨天

9、条件下传感器上有水时就会改变其声波路径长度而变得不可靠。风速当量表蒲福风级 及描述在开阔、平坦地面上方 10m标准高度处的风速当量kn ms1 km h 1 mi h 1在陆上估计风速的征象0静风1软风2轻风3微风4和风5清劲风6强风7疾风8大风9烈风10狂风11暴风12飓风 640 0.20.3 1.51.6 3.33.4 5.45.5 7.98.0 10.710.8 13.813.9 17.117.2 20.720.8 24.424.5 28.428.5 32.6 32.7 118 73静，烟直上飘烟能表示风向，但风向标尚不能指示风向。 人面感觉有风，树叶有微响，普通的风向标 能随风移动。

10、树叶与嫩枝摇动不息，旌旗展开。灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。有叶的小树开始摇摆，内陆水面形成波浪。大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难。全树摇动，迎风步行感到不便。树枝折断，行进受阻。发生轻微的建筑破坏烟囱管和房顶盖瓦吹 落内陆少见，见时树木连根拔起，大量建筑物 遭破坏。极少遇到，伴随着广泛的破坏。对于几乎所有的应用来说， 都需要测量风速和风向的平均值。还有许多应用需要风的阵性的数据。因此，一套风的测量系统不仅包含传感器，而且还要包含数据处理和记录系统。数据处理系统要负责计算平均值和计算标准偏差与极值。数据处理的最简单的模式是用笔记录器写下风的各种信号，然后用读取此记录的方法来估计出平均值和极值。

11、5.2风的估计当缺少测量风的装备时，风的观测就必须靠估计来做。用估计方法作观测的误差可能是大的，但 是，只要按规定小心地进行估计，可以证明估计方法如同所提供的数据一样是适宜的，否那么就没有可 用的数据了。5.2.1风速风速的估计可以根据风对可活动的物体的影响来作出。几乎是任何物体都可以采用 这些物体有支承，所以在风的作用下能自由活动，不过，在蒲福风力级数表即上面列出的风速当量表?所提供的描述性征象是特别有用的。为了做出估计，观测者必须站在开阔平坦的地域上并尽可能远离障碍物。必须牢记：即使是小的 障碍物，也能导致风速的重大变化和风向的偏差，尤其是在障碍物的背风侧。5.2.2风向在没有仪器时，或者

12、在仪器装备不能使用时，风向就必须通过观测高烟囱的飘烟和树叶的摇动等来估计，而在开阔的地域，就要观测固定在高高旗杆上的飘带或三角小旗。此外，机场上的风向袋也可以用，只要当时的风速能够吹动这样的装置。不管采用上述辅助手段中任何一种，都很容易产生由于透视方法而产生误差，除非观测者就正好站在所观测的目标物的正下方。还必须注意不要把由于建筑物影响而产生的局地涡流误认为是风的正常偏移。在开阔的环境中，用面对着风的方法可以相当精确地估计出地面风向。但是，云无论多低的 移动方向是不宜考虑的。5.2.3风的脉动在没有专用仪器和记录装置时，不要试图估计阵风峰值或标准偏差值。5.3简单的仪器方法在不能安装正规的风速

13、仪器的站上，可以安装价廉的简单的仪器，这样能有助于观测者进行观测，而且比无辅助装置的估计得出的结果更为可靠。5.3.1风速如果使用简单的手持风速表，就应当按照制造者的说明书安装仪器和使用仪器。要在很好地露置于风中的地点进行观测，而不要在障碍物诸如建筑物、树木、小丘等的背风面处作风的观测。如果不 可能到达这样的要求，那么观测地点与障碍物的距离就应当至少是障碍物的高度的十倍。5.3.2风向风向可以用风标风信鸡估计，风标装在直立的柱子上，柱子上还装有指示着罗盘主要方位的 指针。对风标的观测是从它的下面进行的，同时就可以用罗盘的16个方位估计出与其中一个方位最接近的风向。如果风标在风中摇摆，那么风的方

14、向就必须估计为平均方向摇摆就在此平均方向的附 近发生。5.4风杯传感器与螺旋桨传感器风杯风速表和螺旋桨风速表是最常用于测定风速的，它们都是由两种部件构成，即旋转器和信号发生器。在设计优良的系统里，风杯或螺旋桨的旋转器的角速度是正比于风速的，更确切地说，对于 螺旋桨的旋转器来说，应当是正比于与旋转器转轴平行的风速分量。在接近起动风速阈值处，会产生 偏离线性相当大的偏差参见Moses, 1968设计思考部份。再者，在这样的设计优良的风速表中，其响应线性度与空气密度无依存关系，有很好的零位稳定 性和量程的稳定性，并且在制造过程中易于复现。风杯式和螺旋桨式风速传感器对风速变化的响应特性可以用响应长度来

15、表征，响应长度的大小直接与旋转器的转动惯量成正比，并取决于假设干个几何因子 Busch and Kristensen, 1976; Coppin , 1982。对于大多数风杯传感器和螺旋桨传感器，加速时的响应比减速时的响应快，因此，这些旋转器的平均速度会过高的估计实际的平均风速。再者，垂直速度的波动会使风杯风速表增速，如同在斜向气 流中风杯的阻档作用会减少一样 MacCready, 1966。对某些设计型风速表和在某些风的条件下在 不平整的地域在10m高度安装的响应长度为 5m的风杯风速表，这种增速可能高达 10% Coppin, 1982。如果选用快速响应的风速表，这种影响就可消除。顺便指出

16、，螺旋桨风速表比风杯风速表更为有利，因为螺旋桨风速表实质上没有垂直分量的超速问题。因为风杯式旋转器和螺旋桨旋转器都是以角速度转动的，而角速度与风速或风速的轴向分量 成正比关系，故特别便于用旋转器带动各种各样的信号发生器。如交流电的和直流电的发电机、光学 的和电磁的脉冲发生器、转数计数表和记录器等，都已有效地使用。信号发生器或转换器的选择主要 取决于所用数据处理器的类型和数据读出器的类型，必须注意确保轴承和信号发生器应是低起动的和低运行摩擦力的，并保证信号发生器的惯性力矩不会不合理地降低风速表的响应。对于风速传感器，可以到达的且又令人满意的特征是：量程：0.5 75 m s 1 1 150 kn

17、线性： 0.5 m s 1 土 1 kn响应长度：25 m5.5 风向标为了得到满意的测量值，下述风向标就是适用的，即如果风向标平衡得好，即使其转轴不在垂直 状态的情况下也不会有易于停留的位置；如果风向标是设计良好的，那末，对每个风向它就只有一个 平衡位置。常见的欠阻尼风向标对某一风向突变的响应，总是以在其真正位置附近的过振和振荡为特征， 其振幅近似地按指数律减小。用两个参数来定义这种响应：“无阻尼自然频率或“波长和“阻尼比即实际阻尼与临界阻尼之比 MacCready, 1966; Mazzarella, 1972。阻尼比在0.3到0.7之间 可认为是好的，此时风向标没有太大的过振，而其响应那

18、么相当快Wieringa , 1967。信号发生器实质上是一种转轴一一角度转换器，已有许多种类在使用。如电位计、交流和直流同步电机、数字角度编码盘、直读度盘和转动开关等，都已经有效地使用。信号发生器的选择，是与所 用数据处理器的类型和读出装置的类型紧密相关的大事。应当注意确保轴承和信号发生器具有低的起动和低的运行摩擦力，并保证信号发生器的惯性力矩不会不合理地减小阻尼比。对于风向标，可以到达的且又令人满意的特征是：适用的风速量程：0.75 50m s 1 1 150 kn线性：土 2 一土 5分辨率：3 即：角编码器 7 bit无阻尼波长：小于 10 m阻尼比：0.30.75.6测量风分量的传感

19、器及其组合只能响应平行于旋转器转轴的风速分量的螺旋桨风速表，可以互成直角地安装，以得到两个与风分量成正比的输出值。 其它的传感器例如双轴声学风速表，依靠在比拟完善的电子器件上的花费而具有同样的功能。正交相互垂直的螺旋桨风速表具有难以获得正确的余弦响应即纯分量灵敏度的缺陷。声学风速表也有在雨天受到雨滴穿过其测量路径上的难题，而这正是使声学风速表不适宜用作全天候仪器。风杯风速表和风向标组合， 或者螺旋桨风速表与风向标组合， 均可作为测量风分量的装置来使用, 并可从所测的风速与风向来计算出风速的分量。5.7其它的测风传感器很多的物理原理都可以用来测量风速与风向，但各有其优点与问题。大多数的测量系统已

20、为各种专门目的(例如：小尺度波动研究和空气污染研究等)而研发出来，其中的一局部有：(a) 压力管测风表(参见 Gold ,1936,达因式测风表的说明)；(b) 热线风速表；(c) 卡曼涡流装置；(d) 声遥感(SODAR )、光遥感(LIDAR )或电磁波遥感(RADAR )探测。以上这些技术在常规气象站网中并不普及，故在本指南中不作讨论。 详情可参阅Fritschen and Gay(1979)。5.8数据处理的方法从风速表/风向标组合来的信号可以用各种方式加以处理和计算平均值，在考虑整个测风链(包 括滤波、记录和可能用计算机处理等)的各个方面之前，最好还是讨论计算平均值的问题。本指南讨

21、论下述的输出：平均的水平风(分量或风速 /风向)、标准偏差和阵风峰值。5.8.1 风的平均风矢或它们的分量的平均，原理上是简单明瞭的，但是，与之相关的有三个特殊的问题。第一， 风速和风向各自的平均值会比平均矢量过高估计一些(大约在1%4%之间(见MacCready,1996),不过，在风速大于2m?s-1，并且风向的标准偏差被测定后，这个过高估计的量就可易于修正。第二， 、 风向在0。与360。之间的不连续性造成的困难。这个问题可以用下述两种方法中之一种来解决，其 一是将风向记录在圆筒上，并将记录范围扩展到540。(例如用电子装置使其开关选择量程0360。和540 180。)，其二是用计算机的

22、算法使接连的采样用加上或减去360。而保持连续。第三，风杯风速表与风向标的响应不能匹配的困难，道理很简单，因为风杯风速表是一阶响应而风向标是二阶响应。这个问题应是次要问题，因为这种响应差异只反响在脉动的高频部份。从原那么上看，风的分量平均优于风速与风向的各自平均。然而，二者的差异很小，而且，对大多 数的应用来说，分量平均可以很容易地从风速平均与风向平均中导出，这一点对标准偏差计算也相应地适用。从技术上看，风速与风向的各自处理有好处，这有很多理由：第一，风速与风向的信号各自 分开处理，这意味着即使一个仪器坏了而另一个仪器仍可继续运行。第二，各自处理的数据转化比计 算了分量后的订正要简单。最后，风

23、速与风向的各自处理与公共用途(包括天气电码SYNO麻日航用电码SHIP)可以兼容。水平风速的平均值可以用多种装置来取得(包括机械的和电的)。也许是最简单的一种例子，就是在旋转的风杯风速表上的转数表，通常可以用它来测量一个固定时段的风程。而作为复杂的例子， 就是专用的数字化处理器也可以作相同的用途。这种微处理器可以替代许多的经典的电子装置并可以很容易地计算平均值、阵风峰值和标准偏差。如果风速和风向都记录成连续的图形，那么，观测者就可以从记录图上非常准确地估计出10分钟平均值。这种风的迹线记录也可以用来读出阵风峰值。在表盘上或指示仪表上的观测可以给出对风速及其变化的一种直觉，而当需要平均时它们就会

24、有很大的误差。所以，这种装置对标准天气报告所 需要的10分钟平均值是不适用的。5.8.2阵风峰值与标准偏差风脉动的计算或记录，对于风测量链的所有要素的动力响应包括传感器的响应长度和阻尼比非常敏感。此外，正如 5.1.1节定义的，测量系统整体的动力响应决定了阵风峰值的持续时间。慢响应系统把极值展开使之变成宽而振幅小的阵风，而快响应的系统那么记录出高而窄的峰值具有短持续时间的阵风。这清楚地说明：必须仔细设计测风系统的动力响应，使之既能适用于站网间相容的测 量阵风又能准确而可靠地测量标准偏差。在对测风系统的响应特征作出恰当的技术规定之前，必须按应用要求对阵风持续时间作出定义。风的极值主要用于警报和用

25、于对楼宇建筑和结构工程的极端载荷的气候学，重要的是必须了解：最短的阵风在时间和在水平范围都没有产生对大型建筑结构的完全的破坏作用。WMO 1987总结出：具有持续时间大约 3秒的阵风可以适应最大多数潜在用户的需要。坚持大约3秒的阵风相当于在强风条件下50到100m的“风程wind run即持续时间乘以风速的平均值。这就足够把普通大小的 建筑结构加以席卷并使之暴露在可能的破坏性阵风的完全载荷之中。对于测量水平风速标准偏差的滤波作用的最正确化以及对于观测具有几秒持续时间的阵风的滤波器最正确化，二者会导致对滤波器参数的相互矛盾的要求。标准偏差要求尽可能小的滤波作用，而检测阵风峰值就需要对信号进行几秒

26、的平滑处理，因为阵风对滤波作用是最具决定性的，所以滤波器的参数就按阵风观测的要求进行最正确化，实际上，这意味着需要的是低通滤波器，在下一节中将就有关测风系统的正确的滤波器参数给出推荐意见。滤波对于阵风观测是必需的，但会减小标准偏差，不过，只要将测量链很好的存档并对所有滤波器参数都了解清楚，那么，这大约10%的减小就很容易加以修正。不过，最好还是单独对没有经过滤波的信号进行采样，就可以测得不偏移的标准偏差了。风向和风速的标准偏差可以用装有按每秒间隔采样的电脑来计算。采样的频率还可以更高些但无此必要，除了风向标的惯性阻尼之外，风向不可进行滤波，这意味着对大多数风向标来说风向标准偏 差的测定可到达2

27、%之内。对于阵风峰值的准确测量，要求对经过滤波的风的信号每隔0.25秒采样一次频率为 4Hz。可以采取更低些的采样频率，但这会使得对极值的估计总是低于在滤波信号的采样中可能发生的极值。对于这种影响的修正是的。风向标准偏差的准确测量要求数字化过程用装在风向标主轴上的数字编码器实现具有最小的分辨能力。这里有 7比特的分辨率就十分足够了，因为以 5。为单位对于标准偏差测量就可具有1%的准确度WMIO 1987。5.8.3对于风测量系统设计的推荐意见住风测量系统的设计有多种不同的方案；本指南不可能全部列举，这里只能提供两种常见的范例， 一种是以模拟信号处理为主的，而另一种那么是数字信号处理的WMO 1

28、987。第一种系统由一个风速表响应长度为5 m、一个脉冲发生器脉冲频率正比于风速表的转速、一个计数器能以0.25秒的间隔对脉冲计数和一个微处理器可以计算在每 0.25秒采样根底上每 十分钟的平均值和标准偏差组成。极值是从3秒平均值中挑取的，3秒平均值是用最末尾 12个采样计算的。实际上，3秒平均值是每隔0.25秒计算的亦即每 0.25秒就有一次重叠的 3秒平均值。 风向用风向标无阻尼波长为5 m、阻尼比为0.3 测量，用一个 7比特编码器每秒采样。平均值和标准偏差都是每隔10分钟计算，对连续的采样要检查其连续性。如果两次连续采样相差超过180 ,就要对第二次采样加上或减去360以缩小其差值。对

29、于响应长度为5 m的风速表与风向标阻尼比为0.3、无阻尼波长为10 m配用时，其风速与风向的标准偏差会相应减少7%和2%。对应于整个测量链见5.1.1节的定义的阵风持续时间是约为3秒。第二种系统由一个风速表响应长度为5 m、一个发电机发电电压正比于风速表的转速并每秒进行模一数变换和采样的数字处理等组成。风向局部由风向标无阻尼波长为5m和阻尼比为0.3 ,有每秒模一数变换和平均值与标准偏差的数字计算等组成。测量阵风峰值时，发电电压经过 时间常数为1秒的一阶滤波器滤波并经过每0.25秒的模一数变换。关于滤波，这种系统与第一种系统略有不同，其风速和风向的标准偏差经滤波后的减少量分别为12嘛日2%而阵

30、风持续时间仍约为 3秒。这种系统还可以用笔写记录器连接到模拟量输出接口以替代模一数变换器即可运作。其平均 值和极值就只能直接读出。其阵风持续时间仍是约为 3秒，除非笔写记录器的响应比一阶滤波器更慢。上述的信号处理方法是符合CIMO-X的建议3 WMQ1991的，并保证有最优的准确度。然而，这个方法是相当复杂的，而且要求有重叠平均值和相对高的取样频率，对许多应用来说，即使降低采 样率到每3秒一次，仍然是完全可以接受的，这样提供的风信号就是每3秒钟间隔的平均亦即非重叠平均的间隔。所得到的阵风持续时间约为5秒，而标准偏差的减少为12% Beljaars, 1987; WMO,1987。 5.9 测风

31、仪器的安置 5.9.1通常的问题由于摩擦作用，风速会随高度而明显增加。由于这个原因，就定义了在开阔地域上安置测风仪器 的标准高度。在开阔地域风向随高度的变化就相对地小，而在地面风的观测中可以忽略不计。在不平坦的地域，有障碍物，或者有不均一的地表覆盖，对风速和风向都有显著的影响。修正当 然是可能的，而且计算这种修正值的工具正变得有效适用，为了改良测风数据的可应用性，应当将施 加修正的根本信息传递给用户。 5.9.2在陆上使用的风速表在1989年举行的CIMO第十次会议上提出的。在平坦开阔地域上，测风仪器的标准安置高度是地面以上10 m。开阔地域的定义是风速表与任何障碍物之间的距离至少是障碍物高度

32、的10倍。在成行的树、房屋或任何障碍物的直接尾流中进行风的观测是价值不大的，只含有一点点与未受干扰的风有关的信息。因为尾流很容易顺风扩展到相当于障碍物高度的12倍或15倍处，所以要到达障碍物高度的10倍绝对是最低的要求。实际上，为了给测风站找一个好的地点甚至一个合格的地点常常是困难的。使站点位置最正确化的重要性怎么强调也不会太过，虽然连通用的准那么也难给出。最正确的地点就是：在此处观测到的风是对 周围至少几公里范围的地域的风最具代表性，或者可以很容易地加以修正使之具有代表性。下述两种情况是很重要的：第一种是如果有新的建筑物在附近出现，就应当将测风仪器安装得远离当地的干扰，或者将测风站搬迁。第二

33、种是将当地干扰状况记录在档案中(Wieringa, 1983 )。现在已经有一种简单的计算方法可以确定当地地形的影响(Walmsley, Taylol and Keith, 1986 ),还可以用阵风观测的气候学方法来确定杂乱的植被或其它障碍物影响的安置修正。在不能到达标准安置的那些地方，风速表应当安置在这样的一个高度，即它的指示值合理地不受当地障碍物的影响，并且尽量能够代表如果附近没有障碍物时的10 m高度处的风。如果地块随方位而略有变化，那么，把风速表安置在超过10 m的高度(超出的高度取决于障碍物的宽度、高度及其距离)也许能起作用，但是，要想有任何通用的规那么来确定其影响是不实际的，因为

34、局地情况的差异 是非常不相同的。Evans和Lee (1981)曾讨论过在城市地区这个问题的性质。Wieringa(1980)曾指出局地的屏障强烈地随方位而异，所以增高风速表高度的方法的效果并不佳。必须采取特别的措施，使测风仪器上不会有冻雨和积冰。在某些地区，可能需要给暴露的部件提 供某些形式的人工加热，例如用恒温控制的红外辐射器。已经为个别型式的测风仪器设计了可防冻雨和积冰的防护罩。 5.9.3海上使用的风速表对于在海上用仪器测量风，特别是用自动的无人管理的系统测量风的要求日益增加。在海上，由 于海面状况和潮汐高度变化的影响，陆上所取的10 m标准安置高度不能实现，因而使海上测风存在一些特殊

35、的问题。按照陆地站点安置标准的思路外推可得出这样的想法，即将测风仪器安置在锚泊浮标上，风速表就安装在浮标水线以上10 m高度处。然而，各种其它的误差源与由于不同的安置高度而引起的误差相比往往是更加严重(见WMO ,1981的评述)。在固定的平台和船上，最重要的是风传感器安置在平台上必须有足够高度，而风传感器的强化结构应能防止平台对局地风结构的经常的大范围的影响。总之，如果假设风传感器不会受到平台结构的影响是不稳妥的，即使风传感器安置在平 台上最高的障碍物之上至少10 m也是如此，除非是平台相对地小。WMO (1981)中总结了一点：在海上测风，良好的安置对于获取准确而有用的测量结果比之在10

36、m高度观测的标准化更具有优先的地位。尽管注意选择站点，实际上仍不能防止安置误差。由于允许施加高度修正和气流失真修正，所 以保持好一份记录和有关风速表安置地点和平台或船型(船形、尺寸)的详细情况资料是非常重要的 事。 5.9.4 安置修正没有安置问题的地面风观测几乎是不存在的。对于需要开阔平坦的地域的要求很难满足，而大多数陆上测风站点都受到地形作用或地表覆盖物的影响，或者两者都有( WMO , 1987)。在海上，海面 是水平而均质的，但是，大多数风速表是安置在船上或在平台上的，这样的安装方式就会产生严重的 气流失真。气流失真问题比之不同站点之间的观测高度不同的问题更为严重(WMO ,1981)

37、。显然，安置误差给风资料的用户提出了问题并且常常会使风资料不能应用。这个问题在数值天气预报模式中尤为严重，此处还存在一种倾向，就是将风场分析和气压场分析分开做。地面风如果具有 较大地区的代表性，就可以只用于初始化，这意味着由于局地安置和/或非标准观测高度所引起的误差都必须去除。风观测的局地安置修正只能对在合理的安置地点得到的质量较好的测量结果实施。不要企图对那些与本地区平均值难以有任何关系的测量结果进行修正，例如，一个位于深谷中的测风站，那里的气 流主要是下吹作用，这个站的测风对当地预报很重要，但不能作为代表该地区的风。虽然大多数的安置修正值可以直接施加于测量结果，但是，最好还是将未修正的观测

38、结果连同各别的修正资料一起发送。此外，上游粗糙度的修正取决于应用，并且不能在观测时进行。在10 m高度处的修正后风速 Uc可表示如下：Uc U Cf Ct 理 (z/zou)ln(60/zou)ln(10/z。)ln(10/zou)ln(60/zo)式中，U是在高度z处(通常为10m)观测的风速。Cf是气流失真修正，Ct是由于地形影响的修正因子。zou是测风站上游地域的粗糙度长度，zo是在应用中的粗糙度长度 (即在数值天气预报中网格箱的值)。在此式中，z, zo和zou的单位规定为 m。不同的修正项表示:(a)气流失真：考虑气流失真的修正因子Cf,它对在船上、钻台上、海洋平台上的风速表特别重要

39、。求取Cf的最好方法是在风洞中用模型模拟方法得出Cf 为风向的函数(Mollo-Christensen andSeesholtz, 1967 )。还可以应用根据在简单形体周围的位势流原理作估计的方法Wessels, 1984;Wyngaard, 1981 )。对于许多良好设计的测风站点，气流失真可以忽略不计( (b)地形修正：这项修正是考虑到在测风站点周围的地域高度的作用。Cf=1 )；Ct是该区域平均风速 (山脊和河谷处均以该地域之上10m取平均)和该测风站点观测到的风速之比。例如，在一个孤立的山顶设立的测风站点，Ct应小于1以修正由于山的引导而使风速的增高，使其结果对该地区有代表性胜过只代

40、表此山顶，对于平坦地域Ct=1；对于孤立的山和山脊，可以借助于简单的导那么(Tayloz and Lee, 1984)对Ct的值作出估计。对于比拟复杂的地形，需要在以测风站点周围地域的详细等高线地图为根底进行模型计算(Walmsley,Tayloz and Keith, 1986 )。这样的计算是相当复杂的，但必须做，一个单独的站只做一次，可以得到作 为风向函数的Ct值半永久性的表。这些计算任务还可以用适合的标准软件使之简化；(c)非标准的观测高度：这种影响可以简单地如下进行修正，即假设一对数剖面与上游地域的 粗糙度长度zou结合。这种修正对陆地站通常可以不用，但对海上站点却是重要的。在这里稳

41、定度修 正是相对小的，证明此对数式的修正是正确的；d粗糙度影响：上游粗糙度影响以及地表障碍物影响都可以如下进行修正，即将风速对数地外推至60m高度连同本站特定的粗糙度长度zou 一起再内插回10 m高度与粗糙度长度 zo 一起以供给用。粗糙度长度zou必须对测风站点上风方 2 km距离范围内具有代表性；此值通常取决于风向。附录 对估计Zou的方法有讨论。将风速外推至60 m高，所得风速对较大地区具有代表性，并且较少依赖于局地地域的特征。以下两种意见都是适用的：其一，外推高度60 m不要看作是一成不变的值，其实 40 m至80 m之间都是可用的；而60 m是因为修正的程度与 2 km范围的Zou

42、具有代表性有关，并且已被证明有满意的结 果Wieringa, 1986。其二，在高度从10 m到60 m的范围内，风剖面中的稳定度修正是不能略去的。在现用的计算式中，稳定度的影响是相对小的，因为在外推向上和内插向下之中稳定度修正被消 去。5.10校准与维护只有在风洞中，才有可能对风杯风速表、螺旋桨风速表和风向标进行全面有效的校准；现在对这 些仪器的性能已是熟知，当仪器处于良好状态时，对制造厂的校准多数是可以信赖的，风洞试验对特 殊工程或新型仪器的型式试验都是很有用的。在野外，风速表易受磨损，需要定时的进行检查。传感器特性的变化会导致风数据质量变坏，其 原因可能是自然损坏、轴承摩损、或者传输过程

43、变坏例如，风杯风速表或螺旋桨风速表的输出减小 是其发电机的电刷磨损等。检查模拟迹线可以发现故障，如不正确的零位指示、摩擦引起的跳跃迹线、噪声只能在低风速时证实、低灵敏度在低风速时、记录的风变量减小或不正常等。对仪器还应检查其自然损坏，可用拿着风杯或螺旋桨的方法来检查风速表系统的零位，可用抓住风向标停在预定位置或逐点定位的方法检查风向标的定位。对传感器的修理通常只能在工厂进行。应当定时的对测量系统电记录局部的电工和电子部件或电讯仪器进行检查。风速和风向系统的零位和量程都应当进行检查。参考文献Ackermann, G. R., 1983: Means and standard deviations

44、 of horizontal wind components. Journal of Climate and Applied Meteorology, 22pp.959-961.Beljaars,A.C.M., 1987: The influence of sampling and filtering on measured wind gusts. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,4,pp.613-626.Busch,N.E.and Kristensen, L., 1976: Cup anemometer overspeeding.

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57、r Use in SynopticAutomatic Weather Stations: Processing of Surface Wind Data (D. Painting). Report of the CIMO Working Group on Surface Measurements. Instruments and Observing Methods Report No. 47, WMO/TD-No. 452, Geneva.World Meteorological Organization, 1995: Manual on Codes. V olume 1.1, WMO-No.

58、 306, Geneva.Wyngaard J.C., 1981: The effects of probe-induced flow distortion on atmospheric turbulence measurements . Journal of Applied Meteorology, 20, pp.84-794.118/ 17附录有效的粗糙度长度为了安置修正，需要在 2 km距离范围内具有代表性并且是风向的函数的粗糙度长度。粗糙度修 正的质量完全取决于粗糙度长度的准确度。在海上，这项工作相对简单，因为这段距离一路是均匀的。可以应用Charnock (卡诺克)关系式。 它表示了

59、海面粗糙度与摩擦速度 u*和重力加速度g的关系如式zouu2/g，式中，a是一经验常数，约等于0.014。摩擦速度与中心风剖面的关系用式 U(z) (u / )ln(Zzou)表示，式中， 是卡 曼(Von Karman)常数(=0.4), z是观测高度。以上两个方程式必须反复地求解， 这可以先从 如=0.0001 开始，由对数廓线式算出 u*,然后再次估计zou的值，再重复这样的计算假设干次。陆上的地面粗糙度长度取决于地表复盖物与土地利用，通常是很难估计的。一种主观的方法就是对测风站点周围地域的土地作调查并用下述的表确定zou的值。选择30。的风向扇形和到达 2 km的距离是最适当的。用完全

60、非均匀距离的条件，由 ln( zou)的平均来确定一个比 zou好的有效粗糙度。确定zou的最好方法是借助于大约一年的气候学的标准偏差。风速和风向的标准偏差都与上游几 公里的粗糙度有关，并可用作对zou值的客观估计。风速的标准偏差u和风向的标准偏差(用弧度表示)可以在以下两式中应用：u/UCu ln 1(z,/zu)(1)/Uc ln Vz/zou)(2)式中，对于 u和 的未经滤波的测量结果， 匕=2.2 , C =1.9 ,=0.4。对于5.8.3节中所描述的测量系统，风速的标准偏差滤波作用为约12%而风向那么约为 2%这意味着cu和C要相应地减小到1.94和1.86。为了应用上述的方程式

61、，必须选择强风状况 (U 4m s 1),需要计算 u/U 的平均值和的平均值，要用所有适用的数据按照风向扇形级别(30宽)和按照季节(例如地表粗糙度取决于树叶簇)。现在就可以用上述方程式来确定zou的值，在比拟了 u和的结果之后可得到准确度的一些概念。Davenport(1960)提出的地域等级Wieringa (1980)采用之并以空气动力粗糙度长度z。表示等级地域的简短描述zo (m)1开阔的海上，距离至少 5km0.00022泥沼，有雪；无植被，无障碍物0.0053开阔平坦地域；有草，少量零星的障碍物0.034低矮的作物，临时的大障碍物，对H 200.105高杆作物；分散的障碍物，15 x H 200.256停车场，矮树丛；众多障碍物，H 100.57规那么的大障碍物覆盖层(城郊、森林)1.08城市中心，有高和低的建筑物?注：表中x是典型上风方障碍物的距离，H是相应的主要障碍物的高度118/ 17