系統(tǒng)功能
Sommer公司研發(fā)的積雪分析系統(tǒng)（Snow Pack Analysing System，SPA）是一個**性的雪水特征監(jiān)測系統(tǒng)，它可以對雪水當(dāng)量、雪密度、雪深度以及雪中冰和水含量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。SPA系統(tǒng)由SPA傳感器（或稱作SWS，Snow water senser雪水傳感器）、阻抗分析盒以及雪深傳感器組成。
工作原理
雪深
測量傳感器的原理，是在傳感器和雪表面之間，通過超聲波的傳輸時(shí)間計(jì)算雪深。溫度對測量產(chǎn)生的影響，通過自動溫度補(bǔ)償解決。
SPA適合長期原位觀測，對安裝場地要求會比較苛刻。傳感器形狀是扁平形并呈線狀，通過測量雪層中的冰、水、空氣三者的介電常數(shù)，來得出雪水當(dāng)量、平均雪密度還有液態(tài)水含量。理論依據(jù)是雪、水、空氣的介電常數(shù)在高頻（10KHZ或更高）下是不同的。
介電常數(shù)測量
雪的組成有三個部分，包括冰、水和空氣。不同的成分會產(chǎn)生不同的測量影響，這些不同的物質(zhì)有不同的介電常數(shù)。采用一個平坦的帶狀傳感器（SPA 傳感器），并且使用至少兩個波段，消除由于單獨(dú)物質(zhì)帶來的影響。
液態(tài)水含量、冰含量、雪密度，以及雪水當(dāng)量
在積雪中，比容相當(dāng)于液態(tài)水和冰的含量。通過這些信息，我們可以計(jì)算出雪的密度。綜合雪密度和雪深，我們可以定義出雪水當(dāng)量。
系統(tǒng)配置
單個SPA傳感器測量
這個方案里只含單個SPA傳感器。主桿用來固定機(jī)箱（數(shù)據(jù)采集器）、雪深、SPA系統(tǒng)的阻抗分析盒等，然后傳感器拉伸桿安裝于主桿周圍。傳感器長度是5米，雪深固定在主桿的橫臂上，與SPA傳感器結(jié)合觀測。此系統(tǒng)可以測得
l 雪深
l 雪水當(dāng)量
l 平均降雪密度
l 平均液態(tài)水含量
四個SPA傳感器測量
這個方案是在上面單個傳感器版本的基礎(chǔ)上增加了三個SPA傳感器。水平安裝的兩根傳感器是用來測量不同深度下的雪密度和雪水當(dāng)量，那么也就可以得出雪的密度廓線；坡式安裝的兩個傳感器可以測量更大的面積，從而使得觀測有更好的代表性。所以這個版本的系統(tǒng)可以測量以下要素：
1. 雪深
2. 平均降雪密度
3. 雪密度廓線
4. 雪水當(dāng)量
5. 平均液態(tài)水含量
6. 液態(tài)水含量廓線
SPA可以連續(xù)監(jiān)測積雪層中的液態(tài)水含量，這是一項(xiàng)很*的功能。在融雪（冰）期，比如春天，當(dāng)液態(tài)水從雪中溢出或者快要溢出的時(shí)候，SPA可以監(jiān)測到這種狀態(tài)，并給予這種臨界狀態(tài)的預(yù)警，從而對雪崩、冰融、洪澇等災(zāi)害提供良好的預(yù)報(bào)依據(jù)。另外在一些水電公司，以及政府防汛防洪部門，需要對水資源進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控，對水的收集，以及對融雪水量大小的預(yù)計(jì)都非常的重要。通過這些測量反饋，可以預(yù)防洪水。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和采礦領(lǐng)域，可以消除由于融雪產(chǎn)生的水滲透至土壤或地下所產(chǎn)生的影響。
積雪里面的液態(tài)水含量，以及融雪水含量，飽和度都是可以被估算出來?，F(xiàn)在，我們可以通過SPA系統(tǒng)測量出這些參數(shù)。因此，系統(tǒng)可以為水文設(shè)計(jì)提供非常重要的更新信息。此外，這些信息對于融雪模型也是非常重要的，參比一些遠(yuǎn)程遙測數(shù)據(jù)。SPA可以在地面進(jìn)行控制，完成標(biāo)定。雪密度和雪中液態(tài)水含量對于處于濕狀態(tài)的雪容易產(chǎn)生的雪崩風(fēng)險(xiǎn)評估來講，都是非常重要的參數(shù)，SPA可以幫助改善測量單位的數(shù)據(jù)質(zhì)量和密度，因此，系統(tǒng)可以增加生活在高山地區(qū)的人群和錯落的安全。
無冰層影響
在積雪中，雪枕通常情況下會由于冰層產(chǎn)生一些問題。這種現(xiàn)象是由于該區(qū)域的的雪的融合和冰凍反復(fù)發(fā)生產(chǎn)生的冰層引起的，這樣就會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，SPA系統(tǒng)不會由于冰層而產(chǎn)生這樣的影響。
SPA系統(tǒng)*大可以安裝四個SPA傳感器，具體安裝的數(shù)量根據(jù)用戶的需要而定。傳感器可以有一定的傾斜度，或者與積雪場保持水平。這幾種不同可能的安裝方式可以優(yōu)化需求信息，有以下三種安裝方式：
1：綜合安裝方式
這種安裝方式是一個傾斜的SPA傳感器和一個水平的SPA傳感器。雪的密度，雪水當(dāng)量，以及冰和液態(tài)水含量構(gòu)成了完整的雪中物質(zhì)含量，可通過傾斜的傳感器進(jìn)行測量，水平的傳感器可以提供附加的測量信息，比如雪與地面的緊密程度。
2：剖面安裝方式
SPA傳感器的被安裝至水平位置，這樣可以增加測量雪的剖面密度和液態(tài)水含量。通過這種方法，可以測量出可能存在的正在運(yùn)動的融雪水狀況，并且可以產(chǎn)生一個雪密度廓線。
3：面積安裝方式
多個SPA傳感器可以安裝成星狀，傳感器的測量值可以進(jìn)行平均，從而提供一個立體范圍狀況，而且還可以標(biāo)定遠(yuǎn)程遙測數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)組成
組成 | 描述 |
SPA傳感器 | 可安裝１至４個傳感器 |
傳感器長度３至10米 | |
防水的、抗紫外的平帶，包括三個寬的銅線 | |
測量區(qū)域的深入深度為4厘米 | |
SPA傳感器的懸掛 | 機(jī)械固定 |
傾斜安裝的傳感器扮演了一個位移傳感器，改善了傳感器的測量長度 | |
測量和控制單元 | 阻抗分析儀測量沿著SPA傳感器的復(fù)數(shù)阻抗 |
擴(kuò)展板控制，使得控制可以在多個傳感器之間轉(zhuǎn)換，連接至雪深傳感器 | |
控制單元用于測量計(jì)算雪的相關(guān)參數(shù)，RS-232串口通訊，ASCII數(shù)據(jù)格式 | |
雪深傳感器 | 超聲波雪深傳感器，結(jié)合溫度補(bǔ)償 |
空氣溫濕度傳感器
| 空氣溫濕度 |
可選擇組件 | *大可整合兩個傳感器用于測量溫度（雪溫，土壤溫度，表面溫度） |
主桿和機(jī)械部件 | |
電源 | |
數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)傳輸 |
技術(shù)參數(shù)
常規(guī)參數(shù) | |
框架尺寸 | 6360 mm x 1100 mm x 3700 mm (長 x 寬 x 高) |
供電要求 | 供電電壓: 9 ... 15 VDC 反向電壓保護(hù), 過壓保護(hù) |
功耗 | 工作狀態(tài): 65 mA 休眠狀態(tài): 1 mA |
工作溫度 | -35 - 60°C |
SPA-傳感器 | |
材質(zhì) | 耐壓，防水，防紫外加強(qiáng)纖維等材質(zhì) |
長度 | 水平: 4.8 m | 傾斜: 4.8 m (標(biāo)準(zhǔn)), 6.7 m (特殊) |
寬度 | 60 mm |
測量原理 | 介電常數(shù)；滲透深度: 4 cm |
SPA-信號分析 | |
信號輸入 | 多達(dá)四個SPA傳感器 |
建議集成 | 集成溫度補(bǔ)償?shù)某暡ㄑ┥顐鞲衅鳎善渌麄鞲衅?如雪、地面、雪面的溫度測量)-可選 |
信號輸出 | RS 485 / SDI-12; 各種ASCII 格式 |
測量范圍 | ||
雪深 | 0 - 2.5 m | 0 - 5 m |
SWE (mm) H2O | 0 ... 1000 mm H2O | 0 ... 3000 mm H2O |
密度 | 0 ... 1000 kg/m3 | |
體積含水量 | 0 ... 100 % | |
體積含冰量 | 0 ... 100 % | |
數(shù)據(jù)展示
參考文獻(xiàn)
1. 張偉，沈永平，賀建橋，賀斌，努爾蘭·哈再孜，雪嬌，王國亞. "阿爾泰山融雪期不同下墊面積雪特性觀測與分析研究." 《冰川凍土》 2014年03期
2. 張波;劉志輝;王慧;房世峰;;融雪期融雪水下滲分析及下滲率模擬研究[J];安徽農(nóng)業(yè)科學(xué);2013年24期
3. 田華;楊曉丹;張國平;趙琳娜;;2009年3月中旬新疆融雪型洪水氣象成因分析[A];中國水利學(xué)會2010學(xué)術(shù)年會論文集（上冊）[C];2010年
4. Choi G, Robinson D, Kang S.Changing northern hemisphere snow seasons[J]. Journal of Climate, 2010, 23(19): 5 305-5 310.
5. [王建, 李碩. 氣候變化對中國內(nèi)陸干旱區(qū)山區(qū)融雪徑流的影響[J]. 中國科學(xué): D 輯, 2005, 35(7): 664-670.]
