第五章风的观测

第五章风的观测 §5.1 测风原理 §5.2 EL型电接风向风速计 §5.3 EN型测风数据处理仪 §5.4 轻便风向风速表 §5.5 目测风向风力 §5.6 单翼风向传感器和风杯风速传感器

§5.1测风原理 1、风的定义：空气运动产生的气流，称为风。它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则气流上的一种三维矢量。 2、项目：地面气象观测中测量的风是两维矢量(水平运动)，用风向和风速表示。 3、风向的定义：风向是指风的来向，最多风向是指在规定时间段内出现频数最多的风向。人工观测，风向用十六方位法；自动观测，风向以度(°)为单位。 4、风速的定义：风速是指单位时间内空气移动的水平距离。风速以米/秒（m/s）为单位，取一位小数。最大风速是指在某个时段内出现的最大十分钟平均风速值。极大风速(阵风)是指某个时段内出现的最大瞬时风速值。瞬时风速是指三秒钟的平均风速。

5、风的平均量是指在规定时间段的平均值，有三秒钟、二分钟和十分钟的平均值。 6、人工观测时，测量平均风速和最多风向。配有自记仪器的要作风向风速的连续记录并进行整理。 7、自动观测时，测量平均风速、平均风向、最大风速、极大风速。 8、测量风的仪器主要有EL型电接风向风速计、EN型系列测风数据处理仪、海岛自动测风站、轻便风向风速表、单翼风向传感器和风杯风速传感器等。 9、当没有测定风向风速的仪器，或虽有仪器但因故障而不能使用时，可按照附录2目测风向和风力。

风速：指单位时间内空气移动的水平距离。风速以米/秒（m/s）为单位，取一位小数。风速：指单位时间内空气移动的水平距离。风速以米/秒（m/s）为单位，取一位小数。风向：指风的来向。人工观测，风向用十六方位法。自动观测，风向以度(°)为单位。规律：1、上北下南，左西右东。 2、南北左边站，东西右边站。 3、南北紧紧挨，东西两边靠。

一、风向标 组成：头部，水平杆，尾翼．原理：当风的来向与风向标成某一交角时，风对风向标产生压力，这个力可分解成平行和垂直于风向标的两个分力．由于风向标头部受风面积较小，尾翼受风面积较大，因而感受的风压不相等，垂直于尾翼的风压产生风压国矩，使风向标绕垂直轴旋转，直至风向标头部正对风的来向时，由于翼板两边受力平衡，风向标就稳定在某一位置．要求：（一）、灵敏：指风向标在风速较小，或风向改变不大的情况下，也能很快地反映出来（二）、稳定：指风向标应尽量少作惯性，摆动。

二、风速器 类型：风杯和风车原理：（以本杯为例讨论）当风从左方吹来，风杯１与风向平行，风对风杯１的压力在垂直于风杯轴方向上的分力，近似为零。风杯２与风杯３同风向成６０度角相交，结风杯２而言，其凹面迎风，承受风压最大，风杯３其凸面迎风，风的绕流作用使其所受风压比风杯２小，由于风杯２与风杯３在垂直于风杯轴方向上的压力差，而使风杯开始顺时针方向旋转，风速越大，起始的压力差越大，产生的加速度越大，风杯转动就越快。当风杯开始转动后，由于风杯２顺着风的方向转动，受风的压力相对减小，而风杯３迎着风以同样的速度转动，所受风村相对增大，风压着不断减小，经过一段时间后（风速不变时），作用在三个风杯上的风压差为零时，风杯为作匀速转动。这样根据风杯的转速（每秒钟转的圈数）就可以确定风速的大小。风杯转速通常是根据机械装置的指针读数或电传装置来测量的。电接风风速公式：Ｖ＝２∏ＲＫＮ＝2*3.14*14.75*2.65N=2.5N 其中：Ｒ＝１４.７５厘米（风杯转动半径）　　　Ｋ＝２.６５（实验常数）Ｎ为风杯转动频率（每秒风杯转动圈数）

§5.2 EL型电接风向风速计 一、结构 1、感应器：风向部分：风标,风向方位块,导电环,接触簧片风速部分：风杯、交流发电机、蜗轮 2、指示器：电源、瞬时风向盘、瞬时风速盘 3、记录器：八个风向电磁铁、一个风速电磁铁、自记钟、自记笔、笔挡、充放电线路

二、安装 ⑴ 安装前应进行运转试验，运转正常，方可进行安装。 ⑵ 感应器应安装在牢固的高杆或塔架上，并附设避雷装置。风速感应器（风杯中心）距地高度10-12m；安装在平台上，风速感应器（风杯中心）距平台面6-8m，且距地面高度不得低于10m。 ⑶ 感应器中轴应垂直，方位指南杆指向正南。为检查校正方位，应在高杆或塔架正南方向的地面上，固定一个小木桩作标志。 ⑷ 指示器、记录器应平稳地安放在值班室内桌面上，用电缆与感应器相连接；电缆不能架空，必须走电缆沟（管）。 ⑸ 电源使用交流电(220V)或干电池(12V)。若使用干电池，应注意正负极不能接错。

三、观测记录和换纸 定时风：二分钟最多风向二分钟平均风速十分钟风：各时十分钟最多风向各时十分钟风速日最大风向、风速

⑴ 观测记录 1、打开指示器的风向、风速开关，观测两分钟风速指针摆动的平均位置，读取整数，小数位补零，记入观测簿相应栏中。 2、风速小的时候，把风速开关拨在“20”档；风速大时，应把风速开关拨在“40”档。 3、观测风向指示灯，读取两分钟的最多风向，用十六方位对应符号记录。 4、静风时，风速记0.0，风向记C；平均风速超过40.0m/s，则记为>40.0，作日合计、日平均时，按40.0统计。 5、因电接风向风速计故障，或冻结现象严重而不能正常工作时，可用轻便风向风速表进行观测，并在备注栏注明。

⑵ 自记纸的更换：方法步骤基本同气压计。 不同点是： ① 笔尖在自记纸上作时间记号是采用下压风速自记笔杆的方法； ② 换纸后不必用逆时针法对时； ③换纸时风向、风速笔尖必须过自记纸的正点时间，下纸时间必须过正点时间（北京时）。 ④对准时间后必须将钟筒上的压紧螺帽拧紧。

四、自记纸的整理 ⑴ 时间差订正以实际时间为准，根据换下自记纸上的时间记号，求出自记钟在24小时内的计时误差，按变差分配到每个小时，再用铅笔在自记迹线上作出各正点的时间记号。当自记钟在24小时内的计时误差≤20分钟时，不必进行时间差订正。但要尽量找出造成误差的原因，并加以消除。

⑵ 各时风速 风速自记部分是按空气行程200m电接一次，风杯转动80圈，风速自记笔相应跳动一次来记录的。如十分钟内笔尖跳动一次风速便是0.3m/s 200m/600s) 1/3 如十分钟内笔尖跳动两次风速便是0.7m/s 400m/600s) 2/3 如十分钟内笔尖跳动三次风速便是1.0m/s 600m/600s) 3/3 如十分钟内笔尖跳动四次风速便是1.3m/s 800m/600s) 4/3 因此，风速的小数位只能是0、3和7。注意：当风速迹线压线时，包右不包左的原则。

挑取风速的方法介绍： 1、数笔尖跳动次数法： 2、数自记纸上的格子法： 3、平移法：

⑶ 各时风向 1、从各正点前十分钟内的五次风向记录中挑取出现次数最多的。 2、如最多风向有两个出现次数相同，应舍去最左面的一次划线，而在其余四次划线中来挑取； 3、如最多风向有两个出现次数相同，舍去最左面的一次划线，在其余四次划线中又有两个出现次数相同，再舍去左面的一次划线，按右面的三次划线来挑取。 4、如五次划线均为不同方向，则以最右面的一次划线的方向作为该时记录。 5、如果在十分钟内风速划平线，风向记C，风速记0.0。 6、自记风向，由于时差造成某正点前10分钟格子内，只有四次划线时，应从50分前和60分后的两次风向记录中，挑一个最接近50-60分钟时间线的风向加进去，共五次划线来确定该时的最多风向，而不能以四次划线来确定该时的风向。

⑷ 日最大最大风速 对应的最多风向出现时间 1、从每日(20-20时)风速记录中迹线较陡的几处线段上，分别截取十分钟线段的风速进行比较，选出最大值作为该日十分钟最大风速，并挑取相应的风向，注明该时段的终止时间。 2、当日最大风速出现两次或以上相同时，可任挑其中一次的风向和终止时间。 3、挑取日最大风速，可跨日、跨月、跨年挑取，但只能上跨，不能下跨。 4、最大风位置的标注：两个箭头标在开始位置和终止位置 5、自记纸的填写：*日最大风速值风向出现时间

11日最大5.0 NNE 1839

重点：挑取日最大风速，可跨日、跨月、跨年挑，但只能上跨，不能下跨。重点：挑取日最大风速，可跨日、跨月、跨年挑，但只能上跨，不能下跨。

§5.4 轻便风向风速表 1、功能：是测量风向和一分钟内平均风速的仪器，它用于野外考察或气象站仪器损坏时的备份。(风向两分钟、风速一分钟) 2、组成：风向部分(风向标、方位盘、制动小套) 风速部分(十字护架、风杯、风速表主机体) 手柄

3、观测和记录 ⑴观测时应将仪器带至空旷处，由观测者手持仪器，高出头部并保持垂直，风速表刻度盘与当时风向平行；然后，将方位盘的制动小套向右转一角度，使方位盘按地磁子午线的方向稳定下来，注视风向标约二分钟，记录其摆动范围的中间位置。 ⑵在观测风向时，待风杯转动约半分钟后，按下风速按钮，启动仪器，又待指针自动停转后，读出风速示值（m/s）；将此值从该仪器订正曲线上查出实际风速，取一位小数。 ⑶ 观测完毕，将方位盘制动小套向左转一角度，固定好方位盘。

4、维护 ⑴ 保持仪器清洁、干燥。若仪器被雨、雪打湿，使用后须用软布擦拭干净。 ⑵ 仪器应避免碰撞和震动。非观测时间，仪器要放在盒内，切勿用手摸风杯。 ⑶ 平时不要随便按风速按钮，计时机构在运转过程中亦不得再按该按钮。 ⑷ 轴承和螺帽不得随意松动。 ⑸ 仪器使用120小时后，须重新检定。

§5.5 目测风向风力 原因：当没有测定风向风速的仪器或虽有仪器但因故障而不能使用时，可目测风向风力。 1、估计风力根据风对地面或海面物体的影响而引起的各种现象，按风力等级表估计风力共分13级（0-12），并记录其相应风速的中数值。 2、目测风向根据炊烟、旌旗、布条展开的方向及人的感觉，按八方位估计。目测风向风力时，观测者应站在空旷处，多选几个物体，认真地观测，以尽量减少估计误差。

3、风力等级表 注意：0级烟柱直冲天，1级吹烟随风偏， 2级轻风吹脸面，3级微风红旗展， 4级地上飞纸片， 5级小树摇， 6级撑伞难， 7级迎风走不便，8级树枝断， 9级以上很难见。名称口决：软轻微和清劲强，疾大烈狂暴飓风。

§5.6单翼风向传感器和风杯风速传感器 风向风速传感器用于测量距地10米处的地面风的速度及方向值，并转换为电信号，此信号可以直接传送到显示仪器或记录设备进行处理。传感器由风向传感器、风速传感器及传感器支架三部分组成。传感器的供电电源为12V。

一、单翼风向传感器 1、原理：风向感应器为单翼风标，它是低启动风速的光电风向传感器。风向的信号发生装置是由风标转轴连接一个由风标带动的6-8位的格雷码光码盘（常用七位）组成，码盘由七个等分的同心圆组成，由内到外分别作0、2、2、2、2、2、（2、2）等分，相邻每份作透光与不透光处理，通过位于码盘两侧同一半径上的6-8对光电耦合器件相应的6-8位格雷码，码盘的上面安装有一组6-8个红外发光二极管，下面有一组光电转换器（6-8个）都正对码盘的7个轨道。随风向标的转动，码盘下面的光电管接收到的电码发生变化，第一个格雷码代表一个风向，分辨率为5.6到1.4度（分辨率为2.8°）。每次只能变化一位，这种编码方法有助于消除乱码。传感器有格雷码、电压、电流三种输出方式。

2、指标 测量范围：0-360度响应灵敏度：0.3M/S(30度偏角) 工作电源:10-14VDC 分辨率:3度精确度:+_5度输出:格雷码:7位电压:0-2.5VDC 电流:4-20MA

二、风杯风速传感器 1．组成：风速传感器采用三个轻质锥形风杯组成。风杯由碳纤维增强塑料制成。它是响应快，启动风速低的光电子风速计。２．原理：当风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘转动，使下面的光敏三极管有时接收到上面发光二极管发射的光线而导通，有时接收不到上面发光二极管照射来的光线而截止。这样就能得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由计数器计数，经换算后就能得出实际风速值。

３．指标 测量范围：0-60M/S 工作电源:12V 分辨率:0.05M/S 精确度:±0.3M/S(风速小于10M/S时) ±3M/S(风速大于10M/S) 输出:0-1221Hz

三、安装 1、自动站的风向风速感应器安装在观测场东边的风杆上. 2、安装前应进行运转试验,只有运转正常,方右进行安装. 3、感应器应安装在牢固的风杆上,风向传感器与风速传感器的连接杆对准南北向或东西向(一般为东西向), 附设避雷设置. 4、风速传感器(风杯中心)距地高度10-12米（一般为10米）。风向传感器的指北标志要正对北方。 5、传感器中轴应垂直水平面，横臂应水平。 6、风向、风速传感器的连接电缆通过横臂与采集器连接，横臂连接盒接出的电缆就近捆扎固定（应留有活动余地），然后顺风杆而下，一直伸入地沟内。电缆在风杆上，每隔1米捆扎1次，以避免电缆在空中摆动。 7、风杆顶端要安装避雷针，避雷针用紫铜线做下引线，顺风杆下来接到避雷针接地桩上，接地电阻不得大于5欧姆。 8、通常安装在开阔地，与障碍物之间的距离到少于于障碍物高度的10倍以上，或高于障碍筇的6-10米。 9、为安全起见，安装进应先把传感器卸下，然后将横横臂安装在风杆上，再把传感器安装在横臂（0.8米）相应的位置，旋紧螺丝。

四、维护 1、如果使用得当，仪器无须维护。若严重污染，就要清除积聚的污垢。 2、经常观察风杯和风向标转动是否灵活、平稳，无明显噪声。发现异常时，换用备份传感器。 3、每年定期维护一次风传感器，清洗风传感器轴承；检查、校准风向标指北方位。 4、仪器工作时间一长，分出现磨损情况。此时应将仪器送回厂家修理。

五、故障 1、风速缺测或示值不正常（14是频率，15时电源，16是接地） A、用校准器对采集器进行校准，确认采集器通道是否正常。 B、用万用表量取：防雷板15端与16端之间的电压值是否在12V左右，逐级量值至横臂接线盒处。 C、用万用表量取：防雷板14端与16端之间的电压值是否在6V左右，逐级量值至横臂接线盒处。 2、风向缺测或示值不正常（15时电源，16是接地,17电压） A、用校准器对采集器进行校准，确认采集器通道是否正常。 B、用万用表量取：防雷板15端与16端之间的电压值是否在12V左右，逐级量值至横臂接线盒处。 C、用万用表量取：防雷板17端与16端之间的电压值是否在0-2.5V左右，逐级量值至横臂接线盒处。

第五章 风的观测