风速传感器与单片机计算实现多重风速参数输出

气压在水平方向上分布的不均性而产生的空气从高压区向低压区的水平运动称为风。风的特征是用风向和风速两个量来表示。风向指风来向，在气象上常按16方位记录，16个方位与读数的换算关系见表8-1，无风时用C表示。风速是空气在单位时间内移动的水平距离，以m/s为单位。大气中水平风速一般为1.0～10m/s，台风、龙卷风有时达到102m/s。为便于使用，又根据风速的大小划分了13个风级，称为蒲福（Beanfort）风级表。由于风场是一随时间变化的过程，其瞬时变化还具有明显的脉动特性，因此测定风况需要观测一段时间内的风速和风向并确定其平均值。

风场在海缆工程方面都具有重要影响，不但要考虑大风会影响大浪、风暴潮等极端海况，对海缆设施造成损害，还需考虑海缆敷设过程中的台风和季风会增加施工难度，降低安全系数。此外，海洋波浪的监测和预报离不开对海表面风场变化特征的准确把握，同时海洋热带风暴和风暴潮等灾害性海况也与海表面风场有重要关系。因此，了解和掌握海表面风场的时空变化特征，对选择海缆登陆点位置和海缆敷设的作业时间窗具有重要的意义。

表8-1 方位对应度数表

8.1.1.1 观测设备

风的观测方式包括定点观测和走航观测，其中定点观测主要利用岸站（见图8-1）、石油平台（见图8-2）、浮标（见图8-3）等长时间序列的观测，也包括海缆路由登陆段附近海域大、中、小潮期的短期连续观测；走航观测是利用自动气象站在船舶航行期间进行风观测。

图8-1 岸站长期风观测

图8-2 石油平台长期风观测

在我国风况观测一般采用自动记录的电接式风向风速仪，该仪器由风速传感器、风向传感器、指示器和记录器组成。其中风向风速传感器是电接式风向风速仪最主要的部件，是整个风观测系统的核心。目前国内外风向风速传感器可以分为三类：第一类为螺旋桨式风向风速传感器；第二类为风速是三杯式、风向是单翼式的风向风速传感器；第三类为超声波风向风速传感器。

图8-3 浮标长期风观测

1.螺旋桨式风速传感器

螺旋桨式风速传感器主要由测风旋桨、尾舵、机身、机芯、机座和信号转换电路等部分组成，（见图8-4），具有外形美观、安装方便等特点，在海上使用可靠性高，寿命长。该产品可以在海上石油平台、港口、海洋站、船舶、浮标等海洋领域和气象站、高速公路、机场以及风力发电工程等气象、交通、能源领域进行推广应用。

工作原理：风速测量是利用一个低惯性的三叶螺旋桨作为感应元件，桨叶随风旋转并带动风速码盘进行光电扫描，输出相应的电脉冲信号。风向测量是由竖直安装在机身的尾翼测定的，风作用于尾翼，使机身旋转并带动风向码盘旋转，此码盘按8位格雷码编码进行光电扫描并输出脉冲信号。

图8-4 螺旋桨式风速传感器

2.三杯式风速传感器

三杯式风速传感器（见图8-5）中风速的测量部分采用了微机技术，可以同时测量瞬时风速、瞬时风级、平均风速、平均风级、对应浪高等5个参数；并采取了许多降低功耗的措施，大大减少了仪器的功耗；它带有数据锁存功能，便于读数；该仪器体积小、重量轻、功能全、耗电省，广泛应用于农林、环境、海洋、科学考察、气象教学等领域测量大气的风参数。

图8-5 三杯式手持风速风向仪

工作原理：

1）风向部分由保护风杯的护圈所支撑，由风向标、风向轴及风向度盘等组成。装在风向度盘上的磁棒与风向度盘组成磁罗盘，用来确定风向定位。当旋转架处于风向度盘外壳下的托盘螺母时，托盘把风向度盘托起或放下，使锥形轴承与轴尖离开或接触。风向指示值由风向指针在风向度盘的稳定位置来确定。

2）风速传感器采用的传统三杯旋转架结构，它将风速线性地变换成旋转架的转速。为了减小启动风速，采用塑制的轻质风杯，锥形轴承支撑，在旋转架的轴上固定有一个齿状的叶片，当旋转架在随风旋转时，轴带动着叶片旋转，齿状叶片在光电开关的光路中不断切割光束，从而将风速线性地变换成光电开关的输出脉冲频率。

仪器内的单片机对风速传感器的输出频率进行采样、计算，最后仪器输出瞬时风速、1min平均风速、瞬时风级、1min平均风级、平均风级对应的浪高。测得的参数在仪器的液晶显示器上用数字直接显示出来。

图8-6 超声波风速传感器

3.超声波风速传感器

超声波风速传感器是一种全数字化信号检测仪器（见图8-6），可以通过超声波在空气中传播的时间来计算风速，具有重量轻、没有任何移动部件、坚固耐用的特点，而且不需维护和现场校准，能同时输出风速和风向，能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用，被广泛用于多个领域中。

工作原理：超声波风速传感器是利用超声波时差法来实现风速的测量。声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应，通过计算即可得到精确的风速和风向。由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大，而本风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。

8.1.1.2 资料收集

风况受局部地形影响明显，针对海缆路由特征应收集能代表不同区域的风场资料。在路由登陆点附近，应收集中国气象局或国家海洋局海洋环境监测站的长期自动气象资料、或相邻工程附近周年风观测资料；在浅海区，应收集近海海岛、近海测风塔、近海浮标观测资料、石油平台上观测资料；在深海区，应收集深海浮标资料，或深海岛屿资料。若海缆路由区没有观测资料，则应收集卫星资料进行统计分析。随着卫星海洋遥感技术的发展，利用卫星遥感手段监测海面风场的技术不断完善，其中利用微波散射计、SAR、高度计监测海面风场已经比较成熟，或利用ECMWF、NCEP/NCAR、NOGAPS再分析风场资料进行统计分析时空变化特征，并挑选出适合作业的时间窗。

8.1.1.3 资料统计

由于风速在时间上和空间上的变化是很大的，因此风速的取值在时距上和高度上应有一个统一的标准。我国海港工程技术规范规定：对于波浪推算采用的标准是海面上10m高度处2min风速的平均值；对于港口建筑物设计采用的标准是海面上10m高度处10min风速的平均值。当所取得的资料不符合这些标准时，就需要进行风速的高度换算和时距换算。

1.风速的高度切变

如上所述，由于地面摩擦的影响，摩擦层内近地面处的空气运动较为复杂：风向逐渐偏等压线方向；而风速，即使气压随高度不变化，其垂直分布也是变化的，即随高度减小，风速逐渐减小。一般认为在近地（海）面处，风速沿高度的变化规律接近于对数规律；从海面以上100m至摩擦层顶，如气压场随高度无明显变化，则风速沿高度的变化规律接近于乘幂规律。

用对数表示，近地（海）面处不同高程上风速的比值关系为

(www.xing528.com)

式中，U_z1、U_z2分别为高程Z₁、Z₂处的风速；Z₀为地（海）面粗糙度，对地面取0.03m，对海面取0.003m。

由式（8-1），按测风仪所处地面或海面确定粗糙度Z₀后，已知测风仪所在高度Z₁，测得风速U_z1，就可换算任意高度Z₂处对应的风速U_z2。

为方便使用，按式（8-1）可得离地（海）面10m处的风速U₁₀与地（海）面任意z处的风速U_z的关系为

U₁₀=K_z×U_z 或 K_z=U₁₀/U_z （8-2）

式中，K_z为风速高度换算系数，其取值随风速风向仪离地高度变化而变化，其取值见表8-2。

海面以上100m至摩擦层顶，风速沿高度变化规律为

式中，p为与气温沿垂线变化有关的指数，其值在0～1范围内。对于开敞海域及海面风速较大的情况下，可采用p=0.13～0.15，此时式（8-3）与式（8-1）在100m高度处基本衔接。

由于在海面上进行系统风速观测的测站很少，故风浪推算时，常利用沿岸陆上气象站风速资料代替海面风速，即必须将已知的岸上离地面10m高度处的风速换算成海面上10m高度的风速。

在水平气压梯度相同的情况下，海面上的风速一般来说要比陆上风速大，为此将岸上离地面10m处的风速乘以一个大于1的系数，即

（U₁₀）_海=（U₁₀）_陆×K （8-4）

式中，K为海面风速增大系数。

由式（8-4）可见，岸站的海拔不予考虑，即认为风能顺坡而上或下，这点对于离海边很近的岸站尤为重要，否则可导致风速明显偏小。K值除主要与陆上岸站与海岛上气象站的距离有关外，还与风速大小及风向有关。K值一般变化规律为：离海岸线远的海面，K值大，反之，离海岸近，K值小；陆上风速小时K值大，陆上风速大时K值小；离岸风（风从陆地吹到海上）比向岸风（风从海上吹到陆地）的K值大。如当地缺乏实测的海、陆风对比资料，K值可参考表8-2的数值使用，表中K值只考虑海、陆台站间的距离，未计入风速大小及风向的影响。海、陆风速换算系数见表8-3。

表8-2 系数K随高度的取值

表8-3 海、陆风速换算系数

2.风速的时距换算

即使在气压场很稳定的情况下，风速也是不稳定的，具有很大的脉动性，因此风速的取值常用在一定时间间隔内的平均值来代表，该指定的时间间隔称为时距。

在我国的工程设计中，常用的时距有10min和2min两种，相应的风速分别称为时距10min的平均风速U₁₀和时距2min的平均风速U₂，前者用于风荷载计算，后者用于波浪推算。

同一风况条件下，时距取值不同，风速也不同，时距愈小，相应风速值愈大，因此，在收集风速资料时，必须注意该风速取值时所采用的时距。不同时距风速的换算通过平行观测的定时和自记的风速记录进行相关分析求得，经部分资料统计得

U₂/U₁₀≈1.103 （8-5）

当无实测对比资料时，此值可参考使用。

另一个值得注意的问题是：我国在1968年以前大部分台站采用风压板测风。该种仪器除存在目测误差外，还存在由风的阵法性造成的风压板惯性误差，故记录的风速偏大，使用时需乘以一个小于1的系数k。该系数与风速大小和台站所在地的地形坡度有关。风速愈大，k值愈小；坡度愈大，k值也愈小。在风速小于或等于40m/s，地形坡度小于或等于30°范围内，k值的范围约在1.0～0.55之间。实际工作中，如1968年后的观测资料足够，应尽量避免采用1968年前的资料。

综上所述，在收集风况资料时，应特别注意气象台站的地理位置、所采用的测风仪器、风标仪离地面高度、风速取值时距等及其历年来的变迁情况，然后进行各种必要的换算，以保证统计资料的一致性。

3.风玫瑰图

在收集到气象台站或水文站的测风资料后，为供工程规划设计使用，需经统计整理后，绘制成各种风况图，因其图形似花朵，又称风玫瑰图。

所谓风况图是指用来表达风的时间段、风速、风向和出现频率四个量的分布情况图。风况图一般按16个方位绘制。四个量有各种不同的组合方式，而且一幅风况图内也常常不能表达出这四个量的全部情况，所以常接工程需要分别绘制各种形式的风况图。

将收集到的测风资料分方向统计后，用百分数表示出各风向的出现频率，并以一定比例绘在极坐标上。零级风（无风）可用一个以无风频率为半径，以极坐标原点为圆心的空心圆表示，或直接用数字标出。可按需要绘制全年的、某一季度或某月的风向频率玫瑰图（见图8-7），在风向频率玫瑰图上同时反映出各级风的出现频率，统计风向时分风级进行。然后将表中各向大于等于某级风的次数相加，并以全部观测次数除之。为绘制较为可靠的风向频率玫瑰图，建议用1～3年的资料，或挑选出具有代表性的若干年份的资料，以满足统计港口作业或工程施工天数的需要。气象上季节的划分以3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12～2月为冬季。

图8-7 风玫瑰图（C表示静风频率）

4.重现期

由于海洋环境要素特征值常是随机变量，因此在进行工程规划、设计时，对这些基本的水文特征值必须应用随机分析方法，求得这些特征值在不同线型下的累积频率曲线，从而可以知道某一特征值在不同累积频率下的量值。在工程设计中，对于那些以年为周期的水文特征值，如设计洪水、设计波浪等，在取用其设计值时，常引入“重现期”概念，并根据工程规模、某一水文特征值的特点和工程重要性，在工程设计标准中对重现期做出规定。重现期是指，在某一随机变量系列多次出现的一些数值中，某一数值重复出现的时间间隔的平均数，即平均重现间隔期。重现期T与累积频率P有一定的对应关系，可表达为

式中，T为重现期，以年计；P为累积频率，以小数或百分数计。

若某一年水文特征值，例如洪峰或洪量的累积频率为P=0.1%，代入式（8.6），得T=1/0.001=1000年，即可以说设计标准为千年一遇。

应指出，上述累积频率是指多年平均出现的机会；重现期则是指平均若干年出现一次，而不是固定周期。所谓百年一遇，并不意味着每隔百年发生一次，实际上某一百年可能出现若干次，也可能不出现，只反映在很长时间内，平均一百年可能出现一次的机遇。通常，对于某一水文特征值（例如洪峰），所说的“百年一遇”，是指其在近百年内的最大值，与百年一遇的该水文特征值的概念不同，它可能小于、等于或大于其百年一遇的标准。

近年来我国科学技术人员对适合最大风速概率曲线进行了很多研究，推荐了多种不同的线型，其中主要有皮尔逊（K.Pearson）Ⅲ型、龚贝尔（E.G.Gumbel）曲线等。国外则多采用威布尔（W.Weibull）分布等。具体计算方法见《海港水文规范》。