9
风向标的设计要求
① 在小风时能反应风向的变动，即有良好 的启动性能；
② 具有良好的动态特性，即能迅速准确地 跟踪外界的风向变化。
10
传递和指示风向
• 风向标感应的风向必须传递到地面的指 示仪表上，以触点式最为简单，风向标 带动触点，接通代表风向的灯泡或记录 笔电磁铁，作出风向的指示或记录，但 它的分辨只能做到一个方位22.5°。
22－27 28－33 34－40 41－47 48－55
56－63
3.0 4.0 5.5 7.0 9.0
11.5
大树枝摇动，电线呼呼有声，打伞困难。
全树摇动，逆风步行感到困难。 树枝折断，逆风行进阻力甚大。 发生轻微的建筑破坏。 内陆少见，有些树木拔起，建筑物破坏
较重。
极少遇到，伴随着广泛的破坏。
36表示，以正北为基准，顺时针方向旋转。
4
• 风向是指风的来向。
• 风向的英文缩写符号纪录如图5.1
– 北：North
东：East
– 南：South
西：West
• 当风速低于 0.25 m/s 时称为静风。
• 风级也是一种表达风力的常用单位
5
• 1805年英国人F·蒲福根据风对地面 （或海面）物体的影响，提出风力等级 表，几经修改后得出蒲福风力等级表。
第五章 气流的测量
向卫国
1
• 空气的运动产生气流。 • 流速是一个三维空间矢量。 • 一般考虑为（xy平面）二维矢量：
– 风速——模值 – 风向——方向
• 一些特殊情况下，垂直运动也相当显著
– 如山的背风坡、强的对流云
2
• 气流场 = 大尺度的规则气流 + 随时间和 空间随机涨落的（中）小尺度湍流
• 仪器的右下方有一启动开关。将它拉起 或按下，就可以使刻度盘内的齿轮部分 与中心轴下部的螺纹相接或离开。
• 轻便风速表一般用于小气候观测 或 特殊 观测。
45
补充：轻便风速表（续）
• 使用：
– 仪器安置在四面开阔不阻碍风速的地方， 高度可以根据观测目的来确定，要注意保 持表身垂直且读数方便。
– 风速表在观测前，应读出所有指针示度记 入观测薄中。
0.6
树叶与微枝摇动不息，旌旗展开。
1.0
灰尘和碎纸扬起，小树枝摇动。
2.0
有叶的小树枝摇动，内陆水面有小波浪。
10.8－13.8 13.9－17.1 17.2－20.7 20.8－24.4 24.5－28.4
28.5－32.6
39－49 50－61 62－74 75－88 89－102
103－117
• 气流测量包括：瞬时量、平均量 两部分 • “平均值”：指在一定时段内的平均 • “瞬时值”：在一个相当短的时段内的
平均
3
• 都可以认为是“光滑值”。 • 光滑时段的长短，取决于仪器和实际需要 • 风速的单位：m/s • 天气报告中
– 风速：2min的平均风速 – 风向：10°为一个单位，用电码01，02，……，
• 阴影效应还有可能受到探头主支架的干 扰，过于粗大、复杂的支架极不可取。
35
5.5 风速检定设备
36
5.5.1 旋臂机
• 主要部件是一根水平旋转臂，固定在一 根垂直于水平面的旋转主轴上，杆的前 端的仪器支架可安装待检定的风速计， 垂直轴可由马达带动旋转，使仪器在XY 平面内作等速圆周运动（图5.26）
46
补充：轻便风速表（续）
– 到观测时间，拉启动开关，使风杯与数字 盘接通，同时，应开动秒表，观测者需向 仪器背风面后退数步，以免影响仪器附近 的空气自由流通。
– 到了预定时间时，关闭启动开关，记下第 二次指针示度。
– 根据两次读数算出其差数，并记入观测薄 内。
47
补充：轻便风速表（续）
• 精确的方法有自整角机和光电码盘。
11
5.1.2 风向标的动态特性
•略
12
5.1.3 风向平衡重锤对风向 标动态特性的影响
• 风向标的几个主要动态特性参数：
• P107 三点结论
13
5.1.4 风向连续变动环境中 风向标动态响应
•略
14
5.1.5 风向标动态参数的选 择
• 统一风向标的特性指标，使各地气象站 上的风向资料具有可比形。
• 转速可以用电触点、测速发电机、 齿轮或光电计数器等记录。
18
5.2.1 风杯风速计的感应原 理（续）
• 在稳定的风力作用下，风杯受到扭力矩 作用而开始旋转，它的转速与风速成一 定的关系。
• 推导风杯的转速和风速的关系，用 Ramachandran的结果。
19
5.2.1 风杯风速计的感应原 理（续）
• 结构如图5.35
42
风的测量目前存在的问题
1. 资料代表性差 2. 测风仪器不统一。
43
补充：轻便风速表
• 构造：
– 风杯感应部分 – 机械指示部分
• 感应部分：四个半球形风杯 • 刻度盘中心大指针指示十位数和
个位数，右边小指针指示百位数， 左边小指针指示千位数。
44
补充：轻便风速表（续）
40
5.5.3 风速检定的测量标 准—皮托管（续）
• 压差的测量仪器是微压计。 • 其中一种是斜压管，如图5.34
• 皮托管的缺点十分明显：
– 压差和风速的非线性关系 – 在低风速时灵敏度低，低于1m/s的风速难
以检定。
41
5.5.3 风速检定的测量标 准—皮托管（续）
• 为了比较精确地测定皮托管的微压，研 制了一种类似达因式风压计的微压计， 称作沉钟式微压计。它的液体柱高度测 量精度可以达到0.01mm。
30
5.4 声学风速计（续）
• 通过（5.49）式计算出静止空气的声速， 而后带入（5.48）式计算风速 V 在 x 方 向的分量。
31
5.4 声学风速计（续）
• 现行的超声风速计的发射头和接收头是 共用的，这样可以简化整个探头架的结 构，减小对流场的干扰。
• 沿 y 轴 和 z 轴各装两对发射和接收装置， 测定 V 在 y 和 z方向的分量。
• Kaimal设计的 STA-211/3K 型超声风速 计（图5.23），被视为超声风速计的标 准型号。其阴影效应的订正公式为 （5.52）式。
34
5.4 声学风速计（续）
• 花房龙男等人对日本海上电机生产的 TR-61 超声风速计探头的实验结果还表 明：阴影效应影响的程度还与风速大小 有关，风速在5m/s以下阴影效应明显。
0.3－1.5
1－5
1－3
1.6－3.3 3.4－5.4 5.5－7.9 8.0－10.7
6－11 12－19 20－28 29－38
4－6 7－10 11－16 17－21
浪高
（米）
陆上物理征象
－
静，烟直上。
0.1
烟能表示风向，但风向标尚不能指示风 向。
0.2
人面感觉有风，树叶有微响，风向标能 随风转动。
• 其前端的线速度就相当于仪器不动时气 流的速度。
37
5.5.1 旋臂机（续）
• 优点：
– 可以标定相当低的风速 – 通过旋转臂转速很容易确定风速 – 旋转臂的转速可以靠控制电动机或变速箱来改
变
• 缺点：
– 当旋转臂转速加大后，会带动室内空气，失去 相对静止状态，造成检定误差。
38
5.5.2 风洞
22
5.2.2 风杯风速计的惯性 （续）
• 风速在0—20m/s时，利用风杯测定风速比较 准确。
• 同时这种滞后性消除了许多风速脉动现象，因 而，用风杯作感应器的风速表，测定平均风速 比较好，而测瞬时风速则准确度较差。
• 试验证明：三杯比四杯好，圆锥形比半球形好。
23
5.2.2 风杯风速计的惯性 （续）
32.7
118
64
14.0
7
5.1 风向的测量
• 风向标是一种应用最广 泛的测量风向仪器的主 要部件，由水平指向杆、 尾翼和旋转轴组成。
• 在风的作用下，尾翼产 生旋转力矩使风向标转 动，并不断调整指向杆 指示风向。
8
5.1.1 风向标
• 外形分四部分： ① 风尾 ② 指向杆 ③ 平衡重锤 ④ 旋转主轴
29
5.4 声学风速计（续）
• 实现模型 图5.22 • 把两个声波发射元件 G1 和 G2、两个接
收元件 R1 和 R2 安置成图5.22的形式。 • R1 接收 G1 发射的声波 • R2 接收 G2 发射的声波 • 同时测出时间 t1 和 t2，通过适当的电
子线路的到t1+t2和t1-t2的数值。
称为umin启动风速。 • 在风速较大时，n与u能保持较好的线性
关系。
21
5.2.2 风杯风速计的惯性
• 风杯达到匀速转动的时间要比风速的变 化来得慢（滞后性）。
• 这种现象在风速由小变大时较为严重， 如当风速较大，很快地变为0时，因为惯 性作用，风杯将继续转动，不可能很快 停下来。这样，风速计所记录的风速要 比实际风速为大。
16
5.2 旋转式风速计
• 感应部分是一个固定在转轴上的感应风 的组件。
• 常见的有三种型式：
– 螺旋桨叶片组 – 平板叶片组 – 半球形的空心杯壳组
17
5.2.1 风杯风速计的感应原 理
• 风杯由三个（或四个）半球形或 抛物形空杯，都顺一面均匀分布 在一水平支架上，支架与转轴相 连。
• 在风力作用下，风杯绕转轴旋转， 其转速正比于风速。
• 热力式风速表感应速度快，时间常数只有百分 之几秒，在小风速时灵敏度较高，宜应用于室 内和野外的大气湍流实验，也是农业气象测量 的重要工具。
28
5.4 声学风速计
• 利用声波在大气中的传播速度与空气的 温度和风速关系，测定风速。