积雪温度分层远程监测方案

方案介绍

积雪温度分层远程监测方案面向高寒山区、雪崩研究区、气象与冰冻圈观测站、高寒流域、山区公路铁路、滑雪场、高山景区、高寒生态与冻土研究等场景，通过在积雪垂直方向布设多个温度监测节点，对雪—地界面、下层积雪、中层积雪及上层积雪的温度进行连续在线监测，形成完整的雪层垂向温度剖面。

系统由分层温度感知单元、温度立杆或柔性温度链、数据采集主机、通信网络、供电系统和远程数据平台组成。各层温度节点按照统一时钟同步采集，通过RS485/Modbus-RTU接入现场采集主机，数据可进一步通过4G、以太网、NB-IoT、LoRa或其他项目通信方式远程上传。

平台不仅显示每个层位的实时温度，还可自动计算上下层温差、垂直温度梯度、升温速率、降温速率以及接近0℃层位变化，从而连续记录新雪形成后的冷却、积雪内部热量传递、升温、融雪和再冻结过程。

对于野外无市电区域，可采用太阳能与低温储能方式供电；当网络中断时，采集主机继续本地采集和缓存，通信恢复后按照时间戳自动补传历史数据，从而提高整个雪季数据连续性。

积雪温度属于积雪内部热状态参数。多层雪温可以为雪崩稳定性、融雪、水文、雪质和冻土研究提供重要背景数据，但温度本身不能单独等同于雪崩风险。雪崩项目应进一步结合雪深、雪荷载、雪层压力、液态含水率、位移、气象、振动、次声等参数综合分析。

监测目标

• 连续监测积雪不同高度或深度的温度。
• 形成完整的雪层垂向温度剖面。
• 监测雪—地界面附近温度变化。
• 监测积雪下层、中层和上层热状态。
• 计算相邻层位之间的温差。
• 计算积雪垂直温度梯度。
• 监测各层温度升高速率。
• 监测各层温度降低速率。
• 识别温度异常突变事件。
• 识别接近0℃的雪层位置。
• 分析零度附近层位随时间的变化。
• 监测积雪昼夜温度变化。
• 记录降雪以后积雪内部冷却过程。
• 分析升温和融雪过程。
• 分析融雪后的再冻结过程。
• 分析雪层内部热量传递过程。
• 结合雪深分析各温度节点在雪层中的实际位置。
• 形成小时、日、月及整个雪季温度趋势。
• 建立多年积雪温度剖面数据库。
• 为雪崩、融雪水文、冻土和冰冻圈研究提供基础数据。

需求分析

传统雪层温度观测通常需要人工开挖雪坑，再利用温度计对不同深度的积雪进行测量。这种方法能够获取某一时间点的雪层温度，但属于离散观测，无法连续记录昼夜变化、降雪后的快速降温、阶段性升温、融雪和夜间再冻结等动态过程。

单个温度探头同样难以完整描述积雪内部热状态。积雪上部、中部、底部的温度可能存在明显差异，尤其在寒冷天气、太阳辐射增强以及春季融雪期间，雪层内部会形成显著的垂向温度梯度。

对于雪崩、融雪和积雪物理研究，仅知道某一点温度通常不足以解释整个雪层状态。因此需要沿积雪垂向设置多个温度测点，同时获取不同层位数据。

积雪厚度还会随着降雪、风吹雪、自然压实和融雪不断发生变化。固定安装在地表以上50cm或100cm的温度节点，并不始终代表“雪面以下50cm或100cm”。因此系统需要结合实时雪深，计算固定温度节点相对于当前雪面的实际位置。

高寒山区还存在低温、融雪水、冻融、风雪、通信中断和供电困难等环境问题，因此设备需要具备低温环境适应、防水、耐冻融、低功耗、本地缓存和无人值守运行能力。

监测方法

1. 固定立杆式分层监测

沿垂直监测立杆设置多个独立温度传感节点。每个节点具有明确的地表基准高度，可长期保持固定位置，适合高山科研站、雪崩监测站以及固定长期观测点。

2. 柔性温度链监测

根据项目需要，也可以采用柔性温度链结构，在不同长度位置集成多个温度节点，适合科研、雪坑对比试验以及特殊结构安装场景。

3. 等间距布点

针对普通积雪温度剖面监测，可采用0.5m、1m等固定间距布设温度节点。

4. 非等间距布点

针对雪—地界面、浅层积雪和融雪重点研究，可在靠近地面区域适当增加监测密度，例如参考-5cm、0cm、10cm、25cm、50cm、100cm、150cm、200cm等层位进行设计。

上述层位属于典型示意，实际节点数量和位置应根据当地最大雪深、研究对象及项目需求确定。

5. 雪深联动监测

接入雪深传感器后，平台可根据当前雪深自动换算各固定温度节点相对于雪面的实际深度，使温度数据解释更加准确。

6. 多参数联合监测

系统可与雪深、雪水当量、雪层液态含水率、雪荷载、雪层压力、雪—地界面温湿度、雪体位移及自动气象站统一组网。

应用原理

系统在积雪垂直方向设置多个温度感知节点。积雪温度变化会引起温度敏感元件电学特性的变化，采集主机读取传感器信号并转换为实际温度。

对于NTC热敏电阻型节点，系统根据电阻—温度特性曲线、传感器标定系数和温度补偿模型换算温度值；对于数字温度传感器，则直接读取经过数字化转换后的温度数据。

某一时刻多个层位的温度可以表示为：

T1、T2、T3……Tn

按照各温度节点对应的垂直位置，可形成：

T = f(H)

即雪层温度—高度剖面。

对于相邻两个测温节点，可计算层间温差：

ΔT = T2 - T1

如果两个节点之间垂直距离为ΔH，则垂直温度梯度可表示为：

G = ΔT / ΔH

其中：

G为雪层垂直温度梯度；

ΔT为两个层位之间温差；

ΔH为两个温度节点之间垂直距离。

系统还可以计算单一层位的温度变化速率：

R_T = [T(t2) - T(t1)] / Δt

用于识别快速升温或快速降温过程。

当多个雪层温度逐渐向0℃接近时，可观察接近融点层位在雪层内部的空间变化。如果接入雪深数据，可以进一步判断这些温度节点当前位于雪面以下多深的位置。

因此系统能够建立：

外界气象变化 → 雪层表部温度响应 → 热量向深层传播 → 雪层温度剖面改变 → 部分雪层接近0℃ → 融雪过程发展 → 降温后重新冻结

的连续热状态监测过程。

功能特点

• 积雪多层温度在线连续监测。
• 多层温度同步采集。
• 6层、8层或更多节点可定制。
• 测温总长可按项目定制。
• 节点间距可定制。
• 支持等间距布点。
• 支持非等间距加密布点。
• 支持雪—地界面附近密集测温。
• 实时温度显示。
• 垂直温度剖面展示。
• 上下层温差计算。
• 垂直温度梯度计算。
• 升温速率计算。
• 降温速率计算。
• 温度异常突变检测。
• 接近0℃层位监测。
• 零度附近层位变化分析。
• 昼夜温度变化分析。
• 融雪过程辅助识别。
• 再冻结过程辅助识别。
• 雪深联动层位换算。
• 多层历史曲线同图显示。
• 小时、日、月及雪季趋势统计。
• 温度差异常告警。
• 升温速率异常告警。
• 设备离线告警。
• 低电压告警。
• 本地数据缓存。
• 断网自动续传。
• 远程采集周期配置。
• 远程阈值配置。
• 设备在线状态监测。
• RS485/Modbus-RTU通信。
• 支持4G远程联网。
• 支持以太网、NB-IoT、LoRa扩展。
• 支持Excel、CSV、PDF报表。
• 支持API、MQTT及数据库接口。

硬件清单

序号	设备名称	主要功能	配置建议
1	分层温度传感节点	监测积雪不同层位温度	核心配置
2	高精度NTC/数字温度探头	温度感知及数字转换	按项目选型
3	分层测温立杆	固定各温度节点垂直位置	固定站推荐配置
4	柔性温度链	实现柔性多层温度布点	按项目选配
5	数据采集主机	RS485采集、时间同步、计算、缓存和通信	标准配置
6	本地存储模块	网络异常期间保存历史数据	推荐配置
7	4G通信模块	远程上传监测数据	常用配置
8	以太网/NB-IoT/LoRa模块	其他通信方式扩展	按项目配置
9	太阳能供电系统	无市电高寒区域独立供电	选配
10	低温储能电池	夜间和连续阴雪天气供电	太阳能项目配置
11	立杆基础及法兰	保证整个雪季节点高度稳定	标准配置
12	耐低温防水线缆	传感器信号和供电连接	标准配置
13	防水接头及应力释放结构	减少融雪水、冻融和机械拉力影响	标准配置
14	雪深传感器	计算测温节点相对当前雪面的有效深度	推荐选配
15	雪层液态含水率传感器	联合分析湿雪及融雪过程	选配
16	雪荷载/雪层压力设备	雪崩稳定性多参数研究	选配
17	雪—地界面温湿度设备	监测底部热湿状态	选配
18	自动气象站	监测气温、风速风向、辐射、降水等环境条件	推荐选配
19	远程数据平台	实时数据、剖面、趋势、告警、报表和设备管理	推荐配置

硬件参数

参数项目	量程/典型指标	精度或说明
产品型号	S-CG-SNOT01	积雪温度分层监测系统
监测对象	积雪不同层位温度、层间温差、垂直温度梯度及时间变化	多层同步监测
测温元件	高精度NTC热敏电阻或数字温度传感器	按项目选型
温度测量范围	-20℃～+80℃	原资料典型指标
测量精度	±0.5℃	原资料指标，可选更高精度方案
温度分辨率	0.01℃	原资料指标
层位数量	标准6层	现场示例8层，可按项目扩展更多节点
典型层位	-5 / 0 / 10 / 25 / 50 / 100 / 150 / 200 cm	仅为典型示例，实际按最大雪深和研究目标确定
测温总长	典型2.5 m	可扩展至5 m或项目定制
节点间距	0.1～1 m级可定制	常用0.5m/1m，也可非等距布点
系统低温设计	可选适用于-40℃级环境的传感器和主机	最终以选型资料为准
采集周期	5 s～24 h	可配置，长期观测通常采用分钟级
通信接口	RS485 / Modbus-RTU	标准工业通信方向
远程通信	4G	可扩展以太网、NB-IoT、LoRa等
供电	DC12V方向	市电或太阳能+低温储能
整机功耗	原资料≤0.5W	最终随通信、加热和配置变化
本地存储	支持	容量按采集周期和保存时间配置
防护等级	IP67方向	最终按整机结构和项目要求确认
输出数据	各层温度、层间温差、温度梯度、变化速率、告警及设备状态	平台统一管理

方案实现

第一步：现场调查

调查监测点历年最大雪深、典型雪季长度、坡向、坡度、地表状态、风吹雪情况、太阳辐射条件、通信和供电条件。

第二步：确定测温总长

根据最大积雪深度和研究目标确定温度立杆或温度链总长。典型方案可采用2.5m，也可根据深雪地区扩展至5m或其他长度。

第三步：确定测温层数

一般长期监测可采用6层；需要更加精细的雪层剖面时，可采用8层或更多节点。

第四步：确定层位

根据研究目标采用等距或非等距设计。研究雪—地热交换时可在0cm附近加密；研究上层融雪时可适当增加靠近雪面的监测密度。

第五步：建立地表基准

设备安装时明确地表0cm基准，并记录每个温度节点相对于地面的固定绝对高度，形成层位坐标表。

第六步：安装测温结构

主立杆底座与稳定基础可靠连接，保证整个雪季内不会因冻胀、沉降或风力造成明显位置变化。

第七步：安装传感器及线缆

各温度节点固定牢靠，使用耐低温防水线缆和密封接头，并设置应力释放，减少冻融和积雪沉降对线缆的拉扯。

第八步：部署数据采集主机

采集主机应安装在高于当地典型积雪范围、便于维护的位置，并做好防水、低温和线缆固定。

第九步：部署通信系统

根据现场条件选择4G、以太网、NB-IoT、LoRa或其他通信方式。无公网区域仍可依靠本地存储连续采集。

第十步：部署供电系统

无市电点位根据冬季有效日照、连续阴雪天气和低温电池容量衰减计算太阳能板和储能电池容量。

第十一步：接入雪深

推荐同步配置雪深传感器，用于判断当前各温度节点相对于实时雪面的实际深度。

第十二步：联调与试运行

检查所有层位温度合理性、层位编号、RS485通信、本地缓存、供电及平台曲线，连续试运行后正式投入使用。

数据分析

1. 多层温度实时分析

平台按层位显示每个温度节点的实时数据，并同步显示设备在线、供电、通信及最近采集时间。

2. 垂直温度剖面分析

以高度或深度为纵轴、温度为横轴生成某一时刻的雪层温度剖面，从而观察积雪内部冷暖分层。

3. 多层历史趋势分析

将所有层位温度放置于同一时间轴，可观察表层和深层对于外部天气变化的不同响应速度。

4. 层间温差分析

计算相邻测温节点之间温差，判断雪层不同位置之间的热状态差异。

5. 温度梯度分析

根据温差和节点间距计算单位深度温度梯度，为积雪内部热量传输及雪层变化研究提供数据。

6. 升温速率分析

计算各层单位时间温度变化，识别短时间快速升温过程。

7. 冷却过程分析

降温天气或者夜间辐射冷却过程中，可比较上层和深层雪温下降速度，研究冷量向雪层内部传播过程。

8. 零度层分析

重点统计接近0℃的温度节点及持续时间，并跟踪接近0℃区域在垂直方向上的变化。

9. 融雪启动分析

当上层温度逐渐接近0℃并持续一定时间，可结合辐射、气温、雪深及液态含水率数据辅助判断融雪开始。

10. 融雪向深层传播分析

当上层首先接近0℃，随后中层和下层温度依次升高，可以记录热量和融雪条件向深层发展的时间过程。

11. 再冻结分析

融雪以后环境重新降温，各层温度再次明显降低，可与液态含水率等数据联合分析再冻结过程。

12. 雪深联动分析

固定高度节点与实时雪深联合后，可以计算：

D_i = H_snow - H_i

其中：

D_i为第i个节点相对当前雪面的深度；

H_snow为当前雪深；

H_i为该温度节点相对于地面的固定高度。

当D_i>0时，该节点位于雪层内部；当D_i接近0时，节点接近雪面；当D_i<0时，节点位于雪面以上。

13. 雪—地界面分析

0cm及地表以下节点可以用于分析积雪底部与土壤之间热交换，并为高寒生态和冻土研究提供数据。

14. 多站点空间对比

不同坡向、海拔和积雪条件布设多套监测系统后，可以比较不同区域雪温剖面和融雪时间差异。

预警决策

雪层温度监测主要反映积雪内部热状态，不建议使用单一固定温度直接作为雪崩预警值。系统更适合采用温度绝对值、温度变化率、层间温差、接近0℃层位变化以及其他积雪参数进行综合状态判断。

一级：温度变化关注

一个或多个雪层温度开始持续升高，但整体仍明显低于0℃。

系统动作：记录升温事件，并持续观察各层升温速度。

二级：快速升温提示

多个层位在短时间内出现明显升温，变化速度明显高于常规背景。

系统动作：发送快速升温提示，并关联气温、太阳辐射和降水数据。

三级：接近融点提示

部分雪层温度持续接近0℃，并且接近融点区域逐步向深层扩展。

系统动作：标记融雪条件发展事件，建议联动液态含水率、雪深及雪密度数据分析。

四级：综合风险辅助提示

多层雪温长期接近0℃，同时液态含水率增加、雪层压力变化、雪体位移异常或其他雪崩监测参数出现异常。

系统动作：将雪温变化作为综合风险输入，上传雪崩综合监测平台进行多参数联合研判。

设备异常告警

当某一温度节点持续无数据、温度突变超出合理范围、通信中断或供电电压过低时，系统发送设备故障告警。

方案优点

垂直剖面监测

相比单个雪温传感器，多层系统可以直接获取整个积雪垂直温度结构。

层位可灵活定制

支持6层、8层或更多温度节点，可根据浅雪、深雪、雪崩或雪—地界面研究目的调整层位。

数据连续

将传统人工雪坑的离散观测转换为自动连续时间序列，可捕捉夜间、暴雪以后以及融雪期间的快速温度变化。

温度梯度自动计算

系统自动计算层间温差和垂直温度梯度，减少人工数据整理工作。

支持零度层分析

可以持续跟踪接近0℃层位，辅助分析积雪升温、融雪和再冻结过程。

支持雪深联动

解决固定安装高度不能始终代表相对雪面深度的问题，提高数据解释一致性。

高寒环境适应

节点、线缆、接头和主机可根据低温、融雪水及冻融循环进行工程化选型。

低功耗长期运行

适合太阳能和低温储能无人值守站点。

断网仍可工作

本地采集和缓存不依赖公网，通信恢复以后可以补传历史数据。

系统扩展能力强

可与雪深、雪密度、雪水当量、液态含水率、雪层压力、位移、界面温湿度和气象等设备统一组网。

应用领域

• 雪崩研究与综合监测。
• 高山雪崩试验坡。
• 气象积雪观测站。
• 冰冻圈综合观测站。
• 高寒流域融雪水文。
• 雪水资源研究。
• 积雪热传输研究。
• 积雪冻融研究。
• 雪晶变质研究。
• 山区公路积雪监测。
• 铁路沿线冰雪监测。
• 高山隧道口。
• 滑雪场。
• 高山景区。
• 高寒生态监测。
• 积雪保温效应研究。
• 雪—地热交换研究。
• 冻土研究。
• 高校科研院所。
• 野外长期定位观测站。

效益分析

连续观测效益

将人工雪坑的间断温度测量转化为全天候自动连续监测，显著提高时间分辨率。

剖面分析效益

一次获得多个层位温度，可以直接分析雪层垂向冷热结构和温度梯度。

融雪研究效益

连续跟踪不同层位接近0℃的时间和顺序，可辅助分析融雪启动和热量向深层传播过程。

冻融研究效益

能够记录白天升温、夜间降温以及重复融化—再冻结过程。

雪崩研究效益

雪温和温度梯度能够为雪层稳定性研究提供重要热状态背景，与压力、位移及含水率联合后可形成更加完整的数据链。

水文效益

雪温剖面与雪深、雪水当量、辐射和径流联合使用，可以提高对春季融雪过程的解释能力。

冻土与生态效益

底层雪温和地表附近温度可以用于分析积雪保温作用以及积雪对土壤冻结、解冻和生态过程的影响。

无人值守效益

太阳能、低功耗、远程通信及本地缓存降低高寒山区冬季人工巡检频率。

长期数据效益

多年连续运行可建立完整的积雪温度剖面数据库，用于气候变化和冰冻圈长期趋势研究。

国标规范

积雪温度分层远程监测属于积雪和冰冻圈自动观测应用，可结合积雪观测、自动气象观测、户外设备防护、通信及冰冻圈观测相关标准与技术资料进行设计。

1. GB/T 35229-2017《地面气象观测规范 雪深与雪压》：用于积雪观测场地、雪深、雪压及相关积雪观测方法参考。

2. GB/T 35237-2017《地面气象观测规范 自动观测》：用于自动气象观测系统及辅助环境要素监测参考。

3. GB/T 4208-2017《外壳防护等级（IP代码）》：用于户外采集主机、接头和设备结构防尘防水设计参考。

4. GB/T 17626系列《电磁兼容 试验和测量技术》：用于数据采集主机及通信设备电磁兼容设计和试验参考。

5. Modbus-RTU工业串行通信协议：用于RS485温度节点与采集主机之间数据通信参考。

6. WMO-No.8 Volume II《Measurement of Cryospheric Variables / Snow》：用于积雪与冰冻圈观测、传感器布设和数据质量控制参考。

以上标准与资料用于方案设计和方法参考，不代表设备已经取得相应认证或检测报告。正式项目应以招标文件、现行有效标准、最终传感器选型和项目检测资料为准。

参考文献

[1] GB/T 35229-2017，《地面气象观测规范 雪深与雪压》。

[2] GB/T 35237-2017，《地面气象观测规范 自动观测》。

[3] GB/T 4208-2017，《外壳防护等级（IP代码）》。

[4] GB/T 17626系列，《电磁兼容 试验和测量技术》。

[5] Modbus Application Protocol / Modbus over Serial Line相关技术规范。

[6] World Meteorological Organization. Guide to Instruments and Methods of Observation, WMO-No.8, Volume II: Measurement of Cryospheric Variables.

[7] 积雪垂直温度剖面、雪层热传输、融雪和再冻结相关冰冻圈研究资料。

案例分享

典型案例：高山雪崩研究站分层雪温监测

以下案例为典型项目方案模板，用于说明系统应用方法，不作为具体S-CG-SNOT01已交付项目业绩。

某高山雪崩研究区域冬季积雪持续时间长，需要连续了解雪层内部温度变化，并与雪深、雪荷载和弱层压力等数据进行联合研究。

项目采用8层雪温监测方案，层位参考设置为-5cm、0cm、10cm、25cm、50cm、100cm、150cm和200cm，同时配置雪深、雪荷载/弱层压力、自动气象站以及太阳能4G通信系统。

入冬初期积雪较浅时，只有靠近地面的部分温度节点位于雪层内部。随着降雪持续增加，更多高位节点逐渐被积雪覆盖。

雪深数据接入平台后，系统自动判断每个节点当前位于雪面以上、接近雪面还是雪层内部。

一次明显降温过程中，上部雪层温度首先快速下降，而深层雪温变化较慢。

平台形成：

空气降温 → 上层积雪快速响应 → 中层逐步降温 → 深层缓慢响应

的温度传播过程。

随后天气转暖，上部温度首先回升，中层和下层依次升温。平台通过升温速率和温度剖面直观显示热量向深层传播。

进入春季融雪阶段以后，靠近雪面的多个节点逐渐接近0℃，随后接近0℃的区域逐步向下扩展。

系统由此连续记录雪层从寒冷状态向融雪状态转变的全过程。

这些雪温数据与雪层压力、雪荷载和气象数据同步保存，为后续雪层稳定性和融雪过程研究提供长期基础数据。

典型案例：高寒流域融雪水文观测

某高寒流域春季融雪是流域径流的重要来源，希望掌握雪层内部升温及融雪启动过程。

项目配置6～10层雪温监测节点，同时接入雪深、雪水当量、太阳辐射、空气温度和降水数据。

冬季低温期间，雪层内部形成明显温度梯度。

进入春季以后，太阳辐射和气温不断增加，上部温度首先向0℃接近，随后中层和深层逐渐升温。

平台通过多层温度变化、雪深下降以及雪水当量变化，分析积雪开始融化和融雪过程发展。

如果进一步接入液态含水率传感器，则可以将“雪温接近融点”和“实际产生液态水”两个过程进行区分，提高融雪水文分析能力。

典型案例：滑雪场长期雪质观测

某高山滑雪场需要掌握自然雪和人工造雪后的雪层热状态，辅助雪道维护和雪季运行研究。

项目在代表性雪道旁布设多层雪温系统，同时配置雪深和表面微气象设备。

人工造雪以后，系统连续记录不同深度积雪温度变化，并观察雪层冷却和稳定过程。

白天受太阳辐射影响，上层温度升高较快；夜间温度下降以后，上部积雪重新冷却。

通过整个雪季长期数据，可以统计不同天气条件下雪层温度趋势、昼夜循环以及造雪后的热状态变化，为雪场雪质研究和运行管理提供基础资料。

典型案例：高寒生态与冻土监测

针对高寒生态和冻土研究，可以在地表以下-5cm、地表0cm以及不同雪层高度设置温度节点，同时布设土壤温湿度传感器。

冬季积雪形成以后，积雪具有明显的保温作用。虽然空气温度可能快速变化，雪层底部和土壤温度变化相对缓慢。

通过同步监测空气温度、雪层温度和土壤温度，可以研究：

大气温度变化 → 积雪热缓冲 → 雪—地界面温度响应 → 土壤冻结/解冻

的连续过程。

多年观测可进一步用于分析雪期长度、雪深和雪温变化对高寒土壤和生态系统的影响。