CN107064545A - 一种200米以下浅层风的探测方法 - Google Patents

一种200米以下浅层风的探测方法 Download PDF

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李刚
脱宇峰
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Abstract

一种200米以下浅层风的探测方法，根据目标浅层风的高度，取特定长度的轻质绳系氢气球后，将该轻质绳的尾端固定于地面上，在该轻质绳在地面的固定点上采用一台经纬仪观测氢气球的仰角和方位角；其中，利用方位角计算与氢气球同高度上的风向；利用仰角计算与氢气球同高度上的风速。本发明利用轻质绳将氢气球停留在200米以下的浅风层，进而对浅风层进行探测，并考虑了轻质绳对氢气球的拉力，氢气球所受的静举力和风压力的合力与轻质绳对氢气球的拉力相平衡，利用风压原理计算风向风速，可以达到较高的观测精度。

Description

一种200米以下浅层风的探测方法
技术领域
本发明涉及风速探测技术领域，具体涉及一种200米以下浅层风的探测方法。
背景技术
目前的风向风速探测仪器或者方法主要包括地面自动气象站、释放探空气球测风、雷达测风等。其中自动气象站主要探测地面的风向风速，不能对200米以下的浅层风进行探测。释放探空气球和测风雷达可以探测高空风，其中释放探空气球测风是采用直接放飞气球用经纬仪跟踪定位或者挂带探空仪来获取高空风，气球会很快飞出200米高度以外，也无法对200米以下的浅层风进行持续观测，且气球运动的不完全跟踪会引起误差；测风雷达的垂直分辨率通常大于200米，而且观测误差较大，也无法对200米以下的浅层风进行准确观测，而在实际应用中，200米以下的浅层风对烟幕和地面污染物的扩散具有主导作用。
发明内容
为了克服现有技术中目前存在的风速风向探测仪器和方法均不能有效解决200米以下浅层风的探测的问题，本发明的目的是提供一种200米以下浅层风的探测方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种200米以下浅层风的探测方法，包括以下步骤：根据目标浅层风的高度，取特定长度的轻质绳系氢气球后，将该轻质绳的尾端固定于地面上，在该轻质绳在地面的固定点上采用一台经纬仪观测氢气球的仰角和方位角；其中，利用方位角计算与氢气球同高度上的风向，其中，风向的计算公式为：
；
利用仰角计算与氢气球同高度上的风速，风速的计算公式为：
；
其中，；为空气重力密度，，g=9.8m/s2，ρ为空气密度，由气体状态方程可知，ρ=PM/RT，其中，P为气压计测出的当地的气压，单位为Pa；M为空气摩尔质量，单位为kg/mol；R为气体常数；T为温度计测出的当地的气温，单位为K；α为由经纬仪观测得到的氢气球的仰角，单位为度；H为经纬仪的高度，单位为m；L为轻质绳的长度，单位为m；A为氢气球处于平衡状态时的静举力，单位为N。
进一步的，与氢气球同高度上的风速的具体探测方法为：轻质绳在地面固定后，轻质绳与地面水平方向之间的夹角为δ，经纬仪上端探测氢气球的视线与轻质绳之间的夹角为β，在三角形中，外角等于两内角之和，即；氢气球处于平衡状态，所受风压力为F，单位为N；所述的静举力和风压力的合力与轻质绳对氢气球的拉力在同一直线上，因此，，由正弦定理可知：，即，则
；
其中，气球的静举力可以用以下公式计算：，其中，D为氢气球的直径，单位为m；为氢气密度，单位为kg/m3；B为氢气球的球皮的重量，单位为kg；
设与氢气球同高度上的风速为v，根据风洞试验，在v＜100m/s的条件下，风压力为，该公式中，C是阻力系数，是氢气球的横截面积，上式可以表示为，式中，则：，即。
相对于现有技术，本发明利用轻质绳将氢气球停留在200米以下的浅风层，进而对浅风层进行探测，并考虑了轻质绳对氢气球的拉力，氢气球所受的静举力和风压力的合力与轻质绳对氢气球的拉力相平衡，利用风压原理计算风向风速，而不是利用气球作为示踪物计算风向风速。本发明的优点是原理简单明，能够对200米以下的浅层风向风速进行持续的探测，同时，费用较低，可以达到较高的观测精度。
附图说明
图1是本发明中氢气球与经纬仪测风的示意图。
图中：1、氢气球，2、轻质绳，3、经纬仪。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种200米以下浅层风的探测方法，包括以下步骤：根据目标浅层风的高度，取特定长度的轻质绳2系氢气球1后，将该轻质绳2的尾端固定于地面上，如图1所示，在该轻质绳2在地面的固定点上采用一台经纬仪3观测氢气球1的仰角和方位角。
其中，利用方位角计算与氢气球同高度上的风向，其中，风向的计算公式为：
风向=方位角+180°（方位角＜180°），
风向=方位角-180°（方位角≥180°）；
利用仰角计算与氢气球同高度上的风速，风速的计算公式为：
；
其中，；为空气重力密度，，g=9.8m/s2，ρ为空气密度，由气体状态方程可知，ρ=PM/RT，其中，P为气压计测出的当地的气压，单位为Pa；M为空气摩尔质量，单位为kg/mol；R为气体常数；T为温度计测出的当地的气温，单位为K；α为由经纬仪观测得到的氢气球的仰角，单位为度；H为经纬仪的高度，单位为m；L为轻质绳的长度，单位为m；A为氢气球处于平衡状态时的静举力，单位为N。
进一步的，与氢气球同高度上的风速的具体探测方法为：轻质绳在地面固定后，轻质绳与地面水平方向之间的夹角为δ，经纬仪上端探测氢气球的视线与轻质绳之间的夹角为β，如图1所示，在三角形中，外角等于两内角之和，即；氢气球处于平衡状态，所受风压力为F，单位为N；所述的静举力和风压力的合力与轻质绳对氢气球的拉力在同一直线上，因此，，由正弦定理可知：，所以：，则；则；
其中，气球的静举力可以用以下公式计算：，其中，D为氢气球的直径，单位为m；为氢气密度，单位为kg/m3；B为氢气球的球皮的重量，单位为kg；气球充好后A可以看作不变量。
设与氢气球同高度上的风速为v，根据风洞试验，在v＜100m/s的条件下，风压力为，该公式中，C是阻力系数，是氢气球的横截面积，上式可以表示为，式中，则：，即。
在实际应用中，一般可以在确定上式中的A，D，H，L后，编制程序计算观测仰角所对应的风速。
本发明的优点是原理简单明了，能够对200米以下的浅层风向风速进行持续的探测，同时费用较低，可以达到较高的观测精度。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种200米以下浅层风的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：根据目标浅层风的高度，取特定长度的轻质绳系氢气球后，将该轻质绳的尾端固定于地面上，在该轻质绳在地面的固定点上采用一台经纬仪观测氢气球的仰角和方位角；其中，利用方位角计算与氢气球同高度上的风向，其中，风向的计算公式为：
；
利用仰角计算与氢气球同高度上的风速，风速的计算公式为：
；
其中，；为空气重力密度，，g=9.8m/s2，ρ为空气密度，由气体状态方程可知，ρ=PM/RT，其中，P为气压计测出的当地的气压，单位为Pa；M为空气摩尔质量，单位为kg/mol；R为气体常数；T为温度计测出的当地的气温，单位为K；α为由经纬仪观测得到的氢气球的仰角，单位为度；H为经纬仪的高度，单位为m；L为轻质绳的长度，单位为m；A为氢气球处于平衡状态时的静举力，单位为N。
2.根据权利要求1所述的一种200米以下浅层风的探测方法，其特征在于，与氢气球同高度上的风速的具体探测方法为：
轻质绳在地面固定后，轻质绳与地面水平方向之间的夹角为δ，经纬仪上端探测氢气球的视线与轻质绳之间的夹角为β，在三角形中，外角等于两内角之和，即；氢气球处于平衡状态，所受风压力为F，单位为N；所述的静举力和风压力的合力与轻质绳对氢气球的拉力在同一直线上，因此，，由正弦定理可知：，即，则
；
其中，气球的静举力可以用以下公式计算：，其中，D为氢气球的直径，单位为m；为氢气密度，单位为kg/m3；B为氢气球的球皮的重量，单位为kg；
设与氢气球同高度上的风速为v，根据风洞试验，在v＜100m/s的条件下，风压力为，该公式中，C是阻力系数，是氢气球的横截面积，上式可以表示为，式中，则：，即。
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