干港口不得不知的风、风速、风速仪知识

什么是风?

风是由空气流动引起的自然现象,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。

直接原因是由于同一水平高度上,两地的气压不同,空气从高气压区流向低气压区。或是地面的冷热不均、太阳辐射的强弱不同、地球的自转等都可以是形成风的原因。

地面气象观测中测量的风是二维矢量(水平运动),是指空气的水平运动,用风向和风速表示。

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风速和风力的基本概念
风速(wind speed)

风速是单位时间内空气移动的水平距离。风速以米/秒(m/s)或 km/h为单位,根据风速的大小,可将风力划分为18级(0 —17级)。取一位小数。

最大风速(maximum wind speed)

指给定时段内的10分钟平均风速的最大值。

极大风速(extreme wind speed)

指给定时段内的瞬时风速的最大值,是个瞬时值。

瞬时风速(instantaneous wind speed)

指空气微团的瞬时水平移动速度,在自动气象站中,定义为3s的平均风速。

平均值风速(average wind speed)

指在 10 分钟——30 分钟时间段的平均的量(即水平风速)。

风力等级(wind scale)

简称风级,是风强度(风力)的一种表示方法。国际通用的风力等级是由英国人蒲福(Beaufort)于1805年拟定的,故又称“蒲福风力等级 (Beaufort scale)”。

它最初是根据风对炊烟、沙尘、地物、渔船、渔浪等的影响大小分为0—12级, 共13个等级。后来,又在原分级的基础上,增加了相应的风速界限。

自1964年以来,风力等级又作了扩充,增加到18个等级(0—17级)。

风级在气象领域被广为使用,而商业领域,则更倾向于使用直观的每小时风速,或每秒风速,来形容风的速度,风速和风级之间可以通过公式进行换算。

风级与风速的对应公式:V=(0.84×F)2/3

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风向方位和度数的关系
风向(wind direction)

指风的来向。

最多风向(maximum wind direction)

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。

风向方位和度数关系的对照表

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风速的监测方法

通常测量风速的方法有以下几种:

旋转式风速仪

旋转式风速仪利用光电、磁传感两种技术,通过测量风杯在风的作用下,单位时间内的转动角度,即旋转速度,从而得出数据。

光电有光对射式、光反射式两种,其测量精度低,已不被市场所接受。(以下左图为光对射式,右图为光反射式)

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磁传感(霍尔传感)是非接触式磁旋转编码器,其测量精度高,是市面上大多数风传感器使用的技术原理。

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声学风速仪(超声波风速仪)

利用声波在大气中传播速度与风速之间的函数关系测量风速。

热力式风速仪(热线热膜风速仪)

利用被加热物体散热速率与周围空气流速有关的特性测量风速。

压力式风速仪

利用风的压力效应(风压与风速的平方成正比)来测量风速(皮托管)。

风向的监测方法
风向标

当风的来向与风向标成某一交角时,风对风向标产生压力,这个力可以分解成平行和垂直于风向标的两个风力。由于风向标头部受风面积比较小,尾翼受风面积比较大,因而感受的风压不相等,垂直于尾翼的风压产生风压力矩,使风向标绕垂直轴旋转,直至风向标头部正好对风的来向时,由于翼板两边受力平衡,风向标就稳定在某一方位。

超声波风速仪

通过两对在水平平面上互相垂直的超声波探头同时测得水平两个方向上的风速,然后进行正交合成,计算得到水平平面上的风速和风向。

风传感器安装

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,所以要达到障碍物高度的 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。很难完全按照WMO 的要求来操作,故可以参照下图来配置:

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