通过对测风气球的光学跟踪来测量高空风。

测风气球属于气象气球的一种，一般由天然乳胶制成，有的也使用合成橡胶。为了使气球增加弹性、耐寒且防止老化，通常加入防老化剂、防寒剂等特殊成分。高空风的测定一般采用两种方法：一种是利用系留气球或飞机将测风仪器带到高空进行探测；另一种就是施放测风气球，通过跟踪测风气球的运动轨迹来计算风向风速。气球中充入氢气，由于氢气相对空气密度较小，气球释放后能自由升空。若无风，气球会垂直上升；若有风，气球会根据风向往相应的方向移动，风速的大小会影响气球移动的速度。当气球到达一定高度，气球内外压强差过大，则会自主爆破。

充满氢气的测风气球，空中受到两个力的作用：向上的浮力和向下的重力。二者之差即为气球的净举力。由于气球球皮较薄，充气之后造成球内外的压力差可忽略不计，且压力差在气球爆破之前基本保持不变；此外，气球内气体质量很小，可认为球内外温度很快即达到相同，即气球上升过程中内外温度基本相等。气体密度的变化决定于压力和温度的变化，而气球上升过程中压力和温度的同步变化，说明了气球内外气体的密度也同步变化。因此，气球上升过程中所受浮力和重力的差值保持不变，即净举力恒定为常量。

气球上升运动过程中，还会受到空气阻力的作用。空气阻力方向与净举力相反，大小与气球升速的平方成反比。气球由于净举力作用加速上升，上升过程中空气阻力随气球升速的增大而增大，且增大幅度比升速大；当空气阻力增大到和气球净举力相等时，气球只做等速上升。

气球等速上升过程中，以某时刻为初始时刻，每分钟记录一次气球的经纬度和高度，则可计算得出各高度层中的风速风向。

1 单经纬仪定点测风

即使用一台经纬仪，在一个固定地点，观测气球移动轨迹测定高空风速风向。

如图1所示，O点为初始跟踪时刻，B1,B2……为每分钟气球运动轨迹，A1,A2……为每分钟气球运动轨迹在地面的投影，H1,H2……为每分钟气球所在高度。用OA1，A1A2……除以时间（60秒）可得该高度层的风速（米/秒），通过OA1，A1A2……与正北方向的夹角α即可计算出该层的风向。

图1 单经纬仪测风计算方法

优点：简单易操作。

缺点：假定气球升速为匀速，因此计算的气球高度存在误差。

2 双经纬仪基线测风

即使用两台经纬仪，架设在已知距离的两点（两点间连线为基线），同时观测气球运动，通过观测得出的方位角和仰角计算出气球高度，在计算出各高度的风速风向（与单经纬仪观测计算方法相同）。

优点：气球高度是实测的，准确度较高，此方法可用于测云高。

缺点：计算较复杂。

3 雷达测风

雷达对气球的定位是根据仰角、方位角和斜距，相对于经纬仪通过仰角、方位角和高度对气球定位的方法，雷达测风要简单得多。雷达天线发射出电磁波，电磁波在空中传播遇到障碍物被反射回来，后被雷达天线接收。因为电磁波在空中的传播速度是一定的，乘以雷达发射和接收电磁波的时间差，则可计算出雷达至目标物的斜距。再借助雷达自身的测角系统，测定雷达与目标物之间的仰角和方位角，则可计算出风速和风向。

优点：全自动观测，不需要人工实时监测。

缺点（一次雷达）：要求雷达发射机具有足够大的发射频率，耗电量大；探测距离较低；距离远时回波信号弱。

由于一次雷达缺点较多，无法满足工作需求，因此在此基础上发展出了二次雷达。二次雷达配备“无线电回答器”，接收雷达发射的“询问”脉冲后回以“回答”脉冲，这样的问答方式解决了一次雷达耗能大、测距短的缺点，因此在目前业务中主要使用的是二次雷达。