称重式降雪量监测方案

方案介绍

称重式降雪量监测方案面向高寒气象观测站、冰冻圈科研站、高寒流域水文站、山区公路铁路、雪崩监测区、滑雪场、高山景区、水利水电及高寒工程等应用场景，通过标准集水口、高精度称重模块、双采样桶自动转移机构、数据采集主机、远程通信及监测平台，对雪、雨夹雪及其他固态或混合降水进行连续自动观测。

本方案中的“降雪量”指降落到标准集水口内的固态或混合降水经过质量换算后得到的等效水当量降水量，单位通常为mm。该参数反映实际降水所包含的水量，并不等同于地面自然积雪厚度。若项目需要同时获取积雪深度，应另行配置超声波雪深传感器。

系统采用双桶称重式结构。上部实时采样桶负责高频称重，连续计算实时降水强度和当前累计降水量；当实时桶达到设定容量阈值后，自动卸料机构将样品转移到下部非实时储存桶，同时记录转移质量和事件状态。下部储存桶承担长期样品容量管理，从而延长高寒无人站的连续运行周期。

与需要先将雪融化再测量的方式相比，称重法直接测量进入集水口内降水物的质量，不要求固态雪首先完全融化，即可根据已知集水面积换算为等效降水量。同时，通过温度补偿、风振滤波、零点跟踪、异常冲击剔除和质量守恒校核，提高长期户外称重数据稳定性。

系统可独立建设称重式降雪量监测站，也可作为自动气象站、微气象站、积雪综合监测站或雪崩监测系统中的固态降水模块，与空气温湿度、风速风向、气压、雪深、雪温、雪密度、辐射、能见度及视频等设备统一组网。

监测目标

• 连续监测固态降雪水当量。
• 连续监测雨夹雪等混合降水水当量。
• 兼容液态降水称重监测。
• 实时计算降水强度。
• 统计分钟级降水量。
• 统计小时累计降水量。
• 统计日累计降水量。
• 统计月累计降水量。
• 统计年累计降水量。
• 监测单次降雪事件累计量。
• 记录降雪事件开始时间。
• 记录降雪事件结束时间。
• 记录降雪事件持续时间。
• 统计降雪事件峰值强度。
• 统计暴雪过程累计水当量。
• 实时监测上部采样桶当前容量。
• 实时监测下部储存桶当前容量。
• 计算两只采样桶剩余容量。
• 自动完成桶间样品转移。
• 记录每次自动卸料事件。
• 对桶间转移进行质量守恒校核。
• 监测称重零点和漂移状态。
• 监测称重稳定性和风振影响。
• 监测设备供电、通信和运行状态。
• 为高寒流域融雪水文模型提供降雪输入。
• 为暴雪、雪灾及雪崩研究提供新增降雪水量背景。
• 建立多年固态降水连续观测数据库。

需求分析

高寒地区冬季降水以雪、冰粒、雨夹雪等固态和混合相态为主。传统翻斗式雨量计主要针对液态降水，在固态降雪条件下可能出现集水口积雪、堵塞、滞留及无法及时翻斗等问题，因此难以直接获得连续可靠的降雪过程。

传统人工量雪或将收集到的雪样融化以后再测量的方法，可以获得阶段累计降雪量，但需要工作人员定期进入现场，只能形成离散时间数据，难以获取分钟级降雪强度、暴雪峰值和完整事件过程。

对于气象、水文和雪灾研究而言，不仅需要知道“下了多少雪”，还需要知道这些降雪实际包含多少水量。相同积雪厚度的新雪，由于雪密度差异，其对应的水当量可能存在明显差别，因此不能简单使用积雪深度代替降雪水量。

单桶称重设备虽然可以实现连续称重，但长期无人值守条件下会受到桶容量限制。当桶体接近满载以后需要人工清空，在交通困难的高山站点容易造成维护成本增加和数据中断。

因此本方案采用实时小桶与大容量储存桶组合。实时桶保持较高称重灵敏度，用于高频强度计算；达到阈值后自动将样品转入储存桶，在不明显降低实时测量能力的前提下延长维护周期。

高寒地区还普遍存在强风、低温、冻融和结冰问题。强风会造成机械振动和集水捕获误差，温度变化会造成称重零点漂移，湿雪和冻雪可能在卸料机构处粘附或架桥，因此系统需要同时解决机械隔离、算法滤波、防风、防粘、防冻和运行状态诊断问题。

监测方法

1. 标准集水口降水收集

采用具有已知几何面积的标准集水口收集自然降落的雪、雨夹雪和液态降水。集水口面积作为质量转换为水当量的基础参数，应在设备出厂及现场安装阶段进行尺寸核验。

2. 实时桶高频称重

降水进入上部实时采样桶以后，高精度称重传感器持续获取桶体质量变化。采集主机采用秒级或项目设定频率读取称重信号。

3. 称重稳定性处理

主机对原始质量数据进行零点修正、温度补偿、风振滤波、异常冲击识别和稳定窗口判断，提取有效质量增量。

4. 降水量换算

根据一定时间窗口内增加的降水质量和集水口面积，计算对应等效水当量。

5. 实时降水强度计算

将单位时间内的等效降水量换算为mm/h，得到当前降水强度。

6. 实时累计监测

实时采样桶从上一次卸料或复位后持续累计当前降水量，形成实时累计降水量。

7. 自动卸料转移

当实时桶当前质量或容量达到项目设定阈值时，系统暂停当前计算窗口并记录卸料前质量，自动打开卸料机构，将雪样或降水样品转移到下部储存桶。

8. 储存桶称重

推荐在下部非实时储存桶配置独立称重传感器，连续监测储存桶质量增加，对上桶质量减少和下桶质量增加进行交叉校核。

9. 总累计管理

系统将当前实时桶累计量、已经转入下部储存桶的非实时累计量以及跨周期历史累计量统一管理，得到完整总累计降水量。

10. 多参数联合监测

可同步配置气温、湿度、风速风向、雪深及视频等设备，对降水相态、风致捕获影响和积雪形成过程进行综合分析。

应用原理

1. 质量测量原理

降水进入标准集水口以后全部进入实时采样桶。称重传感器连续输出桶体与样品总质量m(t)。

通过空桶零点扣除和数据处理得到有效降水质量增量：

Δm = m(t2) - m(t1)

其中：

Δm为时间窗口内新增降水质量；

m(t1)为窗口开始质量；

m(t2)为窗口结束质量。

2. 水当量换算原理

集水口面积A为已知常数，降水质量可以换算为等效水柱高度：

P = Δm / (ρw × A) × 1000

其中：

P为等效降水量，单位mm；

Δm为降水质量，单位kg；

ρw为水密度，单位kg/m³；

A为集水口面积，单位m²。

因此无论进入集水口的是松散新雪、湿雪、雨夹雪还是雨，只要质量被准确测得，即可统一换算为水当量。

3. 降水强度计算

在时间窗口Δt内测得等效降水量ΔP，则实时降水强度：

I = ΔP / Δt × 3600

其中：

I为降水强度，单位mm/h；

Δt采用秒时进行3600换算。

实际系统可以采用1分钟或自定义时间窗口，并通过滑动平均和稳定性判断降低称重噪声对瞬时强度的影响。

4. 双桶累计原理

设：

Pr = 当前实时采样桶累计降水量

Pn = 已转移至非实时储存桶的累计降水量

Ph = 历史维护周期累计量

则总累计降水量为：

Pt = Pr + Pn + Ph

当实时桶完成一次自动卸料以后，Pr重新建立新的累计基准，而本次转移质量被加入Pn，从而保证总累计量连续。

5. 桶间质量守恒

一次正常转移过程中，理论上应满足：

ΔM实时桶 ≈ ΔM储存桶

如果实时桶减少质量与储存桶增加质量之间存在明显差异，则可能存在样品粘附、掉落、冻结、卸料不完整或称重扰动，平台可以标记为转移异常事件。

6. 容量计算

根据桶体最大允许质量Mmax和当前占用质量Mnow，可以计算：

剩余质量容量 = Mmax - Mnow

容量百分比：

C = Mnow / Mmax × 100%

也可以根据集水口面积转换为剩余等效降水量mm，为维护计划提供更直观的信息。

功能特点

• 固态降雪连续自动称重。
• 雨夹雪监测。
• 液态降水兼容监测。
• 无需首先完全融雪即可测量水当量。
• 秒级称重采集。
• 分钟级实时降水强度输出。
• 实时累计降水量统计。
• 非实时累计降水量统计。
• 总累计降水量统计。
• 分钟累计统计。
• 小时累计统计。
• 日累计统计。
• 月累计统计。
• 年累计统计。
• 降水事件自动识别。
• 事件开始时间记录。
• 事件结束时间记录。
• 事件持续时间统计。
• 事件累计降水量统计。
• 峰值降水强度统计。
• 双桶自动切换和卸料。
• 实时桶容量实时显示。
• 储存桶容量实时显示。
• 剩余容量实时计算。
• 桶满提前预警。
• 自动卸料阈值设置。
• 远程卸料测试。
• 卸料失败检测。
• 自动卸料重试。
• 桶间质量守恒检查。
• 称重零点自动跟踪。
• 低温温漂补偿。
• 风振数字滤波。
• 异常机械冲击剔除。
• 称重稳定窗口判断。
• 称重过载报警。
• 卸料门状态监测。
• 低电压报警。
• 通信离线报警。
• 本地数据缓存。
• 断网自动补传。
• 远程修改采集周期。
• 远程修改桶容量阈值。
• 远程参数维护。
• RS485/Modbus-RTU通信。
• 4G/GPRS远程联网。
• 支持NB-IoT、LoRa、以太网扩展。
• 支持北斗/卫星通信扩展。
• 支持CSV、Excel、PDF报表。
• 支持API、MQTT及项目数据库接口。

硬件清单

序号	设备名称	主要功能	配置建议
1	标准降水集水口	接收雪、雨夹雪、雨等降水并提供已知集水面积	核心配置
2	防风结构/Alter型防风圈	降低强风条件下固态降水捕获偏差	高风区推荐
3	实时采样桶	高频接收并称量当前降水样品	核心配置
4	高精度实时桶称重传感器	测量实时采样桶质量变化	核心配置
5	自动卸料/转移机构	达到阈值后将实时桶样品自动转入储存桶	核心配置
6	卸料门位置传感器	检测卸料门打开、关闭及异常状态	推荐选配
7	非实时采样/储存桶	长期储存已转移降水样品	核心配置
8	储存桶称重传感器	监测储存桶质量及进行质量守恒校核	推荐配置
9	数据采集主机	称重采集、滤波、强度计算、双桶状态机、累计量管理和通信	核心配置
10	本地数据存储模块	保存称重原始量、累计值、转移事件和运行状态	标准配置
11	RS485通信模块	接入自动气象站及第三方采集器	标准配置
12	4G/GPRS通信模块	远程数据上传和设备维护	常用配置
13	太阳能供电系统	无市电高寒地区独立供电	选配
14	低温储能电池	夜间及连续阴雪天气供电	太阳能项目配置
15	卸料机构防冻结加热模块	降低卸料口冻结和结冰卡滞	极寒项目选配
16	空气温湿度传感器	监测降水期间环境温湿状态	推荐选配
17	风速风向传感器	分析强风对降雪捕获效率的影响	推荐配置
18	超声波雪深传感器	同步监测地面积雪厚度	推荐选配
19	视频监控设备	查看集水口积雪、设备状态和降雪现场	选配
20	远程监测平台	实时强度、累计量、双桶容量、事件、告警及报表管理	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-WSP01	双桶称重式雪量仪
测量对象	雪、雨夹雪、雨等固态/液态/混合降水	输出等效水当量
测量原理	双桶称重式	质量变化换算等效降水量
集水口面积	典型200 cm²	可定制，几何面积建议计量确认
降水量分辨率	0.1 mm	典型参数
实时降水强度范围	0～300 mm/h方向设计	可按项目调整
降水强度分辨率	0.1 mm/h	典型参数
累计降水范围	单维护周期典型0～1250 mm水当量	软件总累计可长期累加
累计降水准确度	典型±0.2 mm（≤10 mm）或±2%（>10 mm）方向	最终以计量标定结果为准
实时桶称重量程	典型0～5 kg	可按项目定制
实时桶等效容量	约250 mm水当量	按200 cm²集水口计算，同时受雪体体积容量限制
储存桶称重量程	典型0～20 kg	可按项目扩展
储存桶等效容量	约1000 mm水当量	按200 cm²集水口计算，可定制更大容量
桶容量输出	当前质量、等效mm、占用百分比、剩余容量	双桶独立显示
内部称重采样	典型1 s级	可配置
数据输出周期	1 min～24 h	事件期间可提高输出频率
通信接口	RS485 / Modbus-RTU	标准工业通信
远程通信	4G/GPRS	可扩展NB-IoT、LoRa、以太网、北斗/卫星
本地存储	≥32 GB或不少于6万条带时间戳记录	可按项目扩展
供电	DC12～24V	太阳能+低温储能可选
工作温度	-40℃～+60℃方向设计	最终以称重模块和执行机构选型为准
主机防护等级	IP66/IP67方向设计	称重与机械执行结构按户外防水防雪设计
可选防护结构	Alter防风圈、卸料口防冻结、门位监测、视频监控	根据现场气候配置

方案实现

第一步：现场调查

调查项目区域冬季最低温度、历史最大降雪量、最大降雪强度、雨雪转换情况、风速风向、最大积雪深度、维护周期、供电和通信条件。

第二步：确定集水面积

根据项目监测标准、预期降雪强度、称重量程和所需分辨率确定集水口面积。典型方案采用200cm²，也可根据项目要求定制。

第三步：确定双桶容量

根据最长无人值守周期、当地累计降雪水当量和实际雪体体积确定实时桶与储存桶大小。

需要注意，固态雪具有较大体积，因此即使称重量程尚未达到上限，也可能先受到桶体几何容积限制。

第四步：观测点选址

选择开阔、具有代表性的气象观测区域，远离高大建筑、树木、屋檐落雪和明显人工堆雪区，并尽量避免局地强烈湍流和吹雪异常堆积影响。

第五步：基础施工

仪器基础保持水平、稳定，称重结构与太阳能立杆、采集主机支架等尽量机械隔离，减少风振传递。

第六步：安装集水口

根据当地最大积雪深度和相关观测要求确定集水口高度，避免冬季集水口被周围积雪埋没或形成明显人为堆雪。

第七步：配置防风系统

强风区域可配置Alter型或其他适用防风圈。防风结构与称重主体之间不得直接机械接触，以防将风力或结构振动传递至称重系统。

第八步：称重校准

设备安装完成后执行空桶零点校准，并使用标准砝码进行多点质量校验，记录零点、线性、灵敏度和环境温度。

第九步：卸料系统测试

使用模拟雪样或标准质量验证实时桶达到阈值后的卸料动作，检查上桶质量下降、下桶质量增加及平台累计量是否一致。

第十步：防冻结测试

低温项目检查卸料门、转轴及样品通道是否存在冻结和积雪架桥风险，根据需要配置局部加热、防粘材料或优化结构。

第十一步：通信和供电部署

有市电区域使用DC集中供电；无人区采用太阳能和低温电池，并考虑自动卸料机构启动时的瞬时峰值功耗。

第十二步：平台配置

建立实时强度、实时累计、非实时累计、总累计、实时桶容量、储存桶容量、卸料状态、设备运行状态及历史事件等数据字段。

第十三步：试运行

系统正式投入运行前建议连续运行72小时以上，检查称重稳定性、温漂、风振、通信、容量计算、本地缓存和双桶累计一致性。

数据分析

1. 实时降水强度分析

以1分钟或项目设置时间窗连续计算降水强度，形成mm/h时间序列，用于识别轻雪、中等降雪和短时间强降雪过程。

2. 实时累计分析

实时显示当前采样桶自上一次卸料以后累计进入的降水水当量。

3. 非实时累计分析

每次桶间自动转移以后，根据校核后的转移质量更新非实时累计量，用于记录已经进入下部储存桶的历史降水。

4. 总累计分析

将当前实时桶、已转移储存桶和历史维护周期累计量统一计算，形成连续总累计降水量。

5. 单次降雪事件分析

系统根据质量持续增加状态识别一次降水事件，并统计：

事件开始时间

事件结束时间

事件持续时间

事件最大强度

事件平均强度

事件累计降水量

事件卸料次数

6. 暴雪过程分析

当单位时间降水强度和事件累计量明显提高时，形成强降雪事件记录，并与当地业务阈值进行比较。

7. 双桶容量分析

平台实时计算两只桶的：

当前质量

当前等效水当量

当前占用百分比

剩余容量

预计维护时间

8. 自动转移分析

记录每一次卸料开始时间、结束时间、卸料前质量、卸料后质量、储存桶增加质量和执行机构状态。

9. 质量守恒分析

定义：

E_m = |ΔM上桶 - ΔM下桶|

如果E_m长期高于项目允许范围，可检查样品粘附、漏料、结冰、机械冲击或称重传感器异常。

10. 风振质量分析

将称重原始波动与同期风速进行比较。大风期间可自动延长稳定窗口或标记低可信度瞬时强度数据。

11. 捕获误差分析

高风速会使部分雪粒绕过集水口，导致固态降水捕获不足。科研或高精度气象项目可将风速、防风圈类型和称重降雪量联合分析，对捕获误差进行质量控制。

12. 雪深联合分析

配置超声波雪深设备后，可同步观察：

降雪水当量增加 → 地面积雪深度增加

并进一步分析不同降雪过程下的新雪密度差异。

13. 降雪平均密度辅助估算

当同一时间窗口内获得新增雪深ΔH和降雪水当量ΔP时，可在满足观测代表性条件下进行新雪平均密度辅助估算：

ρnew ≈ 1000 × ΔP / ΔH

其中ΔP与ΔH需采用一致长度单位。

该结果受风吹雪、积雪压实和测点空间差异影响，应作为辅助分析量使用。

14. 水文输入分析

称重式降雪量直接提供降雪水当量，可作为流域水量平衡、积雪累积和融雪径流模型的降水输入参数。

预警决策

称重式降雪量监测的预警重点包括强降雪事件、累计降雪超限、设备容量和设备运行状态。具体业务阈值应根据当地气象、交通、水文或雪灾管理要求设定。

一级：降雪开始提示

称重质量持续增加并达到有效降水判定条件。

系统动作：建立新降雪事件并开始计算事件强度和累计量。

二级：强降雪提示

实时降水强度持续高于项目设定阈值。

系统动作：发送强降雪提示，并联动雪深、道路气象或雪崩监测数据。

三级：累计降雪提示

一定时间范围内累计水当量达到项目设定阈值。

系统动作：形成阶段累计降雪事件，为道路除雪、雪荷载或雪崩风险分析提供输入。

四级：综合暴雪辅助预警

实时强度较高、持续时间较长、累计降雪量快速增加，并且同期雪深、风速、能见度等参数出现明显异常。

系统动作：将称重降雪量数据上传综合气象或冰雪灾害平台进行联合研判。

实时桶容量预警

实时桶接近卸料阈值时系统自动准备转移；达到设置值后执行自动卸料。

储存桶容量预警

下部储存桶达到维护预警比例时，平台提前发送维护通知，避免储存桶完全满载后造成后续数据中断。

卸料异常预警

如果实时桶质量未按预期下降、储存桶质量未同步增加或门位状态异常，系统标记卸料失败，可执行设定次数自动重试并通知维护人员。

称重异常预警

当零点漂移、持续振动、称重过载或数据长期不变化时，系统发送称重状态告警。

通信与供电告警

当出现设备离线、低电压、太阳能充电异常或网络中断时，系统保存本地数据并发送运行状态信息。

方案优点

适合固态降雪

直接通过质量测量获得水当量，不要求将雪首先完全融化，适合低温和高寒冬季连续观测。

固液混合降水兼容

同一套称重系统可以测量雪、雨夹雪和雨，减少不同相态切换传感器造成的数据口径差异。

同时获得强度和累计

高频称重能够获得实时强度，双桶累计逻辑又能够实现长期连续累计。

双桶延长无人值守周期

实时桶达到阈值后自动将样品转入大容量储存桶，相比普通单桶称重结构可减少人工清桶频率。

容量可视化

两只桶当前质量、占用百分比和剩余容量均可远程查看，使偏远站点维护从被动满桶处理转变为提前计划。

质量可追溯

系统保存原始称重、零点、卸料事件、桶间质量变化和异常状态，可用于后期数据核查。

高寒环境适配

采用耐低温部件、防水结构、温度补偿和可选卸料防冻结措施，适应长期冬季户外运行。

抗风振设计

通过稳定基础、称重机械隔离、数字滤波和稳定窗口算法减少强风对称重结果的影响。

通信方式灵活

支持RS485、4G/GPRS并可扩展NB-IoT、LoRa、以太网和卫星通信，适合不同野外网络条件。

系统集成方便

可作为气象站或积雪综合站中的降水模块，与雪深、气象和视频设备共用通信及平台。

应用领域

• 国家及区域气象观测站。
• 高山气象观测站。
• 自动气象站。
• 冰冻圈综合观测站。
• 高寒科研观测站。
• 高寒流域水文站。
• 雪水资源监测。
• 融雪径流研究。
• 春汛研究。
• 雪崩综合监测站。
• 雪崩科研试验场。
• 山区公路道路气象站。
• 高速公路冰雪监测。
• 铁路沿线气象监测。
• 高山隧道口。
• 高寒机场。
• 滑雪场。
• 高山景区。
• 水利水电工程。
• 风电场。
• 输电线路。
• 高寒矿区。
• 高寒生态研究。
• 自然保护区。
• 高校科研院所。
• 长期野外定位观测站。

效益分析

固态降水自动化效益

将传统人工集雪、融雪和称量方式转化为全天候自动连续称重，形成完整降雪事件时间序列。

时间分辨率效益

秒级内部称重和分钟级输出能够记录暴雪过程中强度快速变化，而不仅得到事件结束后的累计值。

水文价值

直接输出降雪水当量，可以作为流域水量平衡和融雪径流模型的实际降水输入。

气象价值

雪、雨夹雪和雨可采用统一质量测量逻辑，适用于全年混合相态降水监测。

雪崩监测价值

短时间大量新增降雪是雪层加载过程的重要背景因素，称重式降雪量可提供新增水当量和降雪强度数据，与雪深、雪荷载和雪层压力联合分析。

交通气象价值

道路和铁路管理部门可以获得实时降雪强度及累计量，为除雪、巡查和道路气象服务提供数据。

无人值守效益

双桶自动转移结构可以显著延长偏远高寒站点的维护周期，减少冬季人工进山频率。

维护计划效益

储存桶容量实时显示和提前预警，使工作人员可以按照实际剩余容量安排现场清桶和设备维护。

数据质量效益

原始质量、风振、温度、转移事件和双桶质量守恒数据全部保存，有利于后期发现异常并进行质量控制。

科研数据效益

长期秒级或分钟级质量序列可用于固态降水强度算法、风致捕获误差、雨雪相态和高寒降水特征研究。

国标规范

称重式降雪量监测属于固态/混合降水自动观测和称重测量应用，可结合以下现行标准及技术资料进行方案设计、设备选型、安装和数据质量控制。

1. QX/T 320-2016《称重式降水测量仪》：用于称重式气象降水测量仪器的技术设计、性能指标和观测方法参考。

2. SL/T 811.4-2021《降水量观测仪器 第4部分：称重式雨量计》：用于水文领域称重式降水量观测设备参考。

3. GB/T 7551-2008《称重传感器》：用于称重传感器性能、选型、计量特性及称重系统设计参考。

4. GB/T 4208-2017《外壳防护等级（IP代码）》：用于采集主机、连接器、电源和户外结构防尘防水设计参考。

5. GB/T 17626系列《电磁兼容 试验和测量技术》：用于数据采集、通信和控制设备电磁兼容设计参考。

6. WMO-No.8 Volume I Chapter 6《Measurement of Precipitation》：用于固态、液态及混合降水观测、称重式降水仪和固态降水捕获误差等方法参考。

7. Modbus-RTU工业串行通信协议：用于称重模块、采集主机以及自动气象站之间RS485数据通信参考。

正式项目应根据现行标准、项目招标文件、当地气象或水文业务要求、最终计量校准结果和技术协议确定具体量程、准确度、采样方式、集水口尺寸和验收指标。

参考文献

[1] QX/T 320-2016，《称重式降水测量仪》。

[2] SL/T 811.4-2021，《降水量观测仪器 第4部分：称重式雨量计》。

[3] GB/T 7551-2008，《称重传感器》。

[4] GB/T 4208-2017，《外壳防护等级（IP代码）》。

[5] GB/T 17626系列，《电磁兼容 试验和测量技术》。

[6] World Meteorological Organization. Guide to Instruments and Methods of Observation, WMO-No.8, Volume I, Chapter 6: Measurement of Precipitation.

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

[8] 固态降水称重观测、降雪捕获误差、风场修正及高寒气象观测相关研究资料。

案例分享

典型案例：高山气象站称重式降雪观测

以下案例为典型项目方案模板，用于说明系统应用方式，不作为具体S-CG-WSP01已交付项目业绩。

某高海拔气象站冬季长期处于低温环境，降水主要表现为雪和雨夹雪。原有翻斗式设备在降雪过程中需要依赖加热融雪，并且部分强降雪天气容易出现积雪滞留。

项目建设双桶称重式降雪量监测系统，配置200cm²标准集水口、实时称重桶、储存桶、自动卸料机构、防风圈、太阳能低温储能和4G数据通信。

降雪开始以后，雪粒直接落入上部实时采样桶。

称重传感器持续记录质量增加，主机按照1秒级内部采样获得质量序列，并计算分钟降雪强度。

平台形成：

降雪开始 → 实时桶质量增加 → 水当量增加 → 实时强度计算 → 事件累计不断增加

的连续过程。

随着降雪继续，实时桶达到预设卸料阈值。

系统自动冻结当前计算窗口，记录卸料前质量，随后打开卸料机构将样品转移至下部储存桶。

卸料过程中，上部桶质量迅速下降，同时下部储存桶质量增加。

主机自动检查：

实时桶减少质量 ≈ 储存桶增加质量

确认正常以后完成本次转移事件，并重新建立实时桶称重基准。

整个过程中，总累计降雪量保持连续，不会因为实时桶卸料而归零。

通过整个雪季运行，平台可以统计年度降雪事件次数、单次事件最大水当量、最大分钟强度、月累计和整个雪季总固态降水量。

典型案例：高寒流域水文站

某高寒流域春季径流主要来自冬季积雪和春季融雪，但原有水文站主要依赖普通降水计，在寒冷季节固态降水观测质量不足。

项目配置双桶称重式雪量仪，同时增加空气温度、风速风向和超声波雪深设备。

一次降雪发生以后，称重雪量仪实时记录新增降雪水当量，雪深设备同步记录地面积雪厚度增加。

系统可以同时得到：

降雪水当量 → 实际新增水资源量

新增雪深 → 地面积雪几何厚度

气温与风场 → 降雪形成及吹雪背景

这些参数共同形成流域冬季积雪累积过程。

进入春季以后，可以将冬季累计降雪水当量、当前雪水储量及河道径流数据进行对比，为融雪径流模型和春汛分析提供基础输入。

典型案例：山区道路暴雪监测

某山区高速公路高海拔路段冬季暴雪频繁，需要实时了解强降雪过程，为道路除雪和冬季交通管理提供数据。

项目在重点道路气象站建设称重式降雪量、雪深、温湿度、风速风向和视频综合监测系统。

正常小雪期间，平台持续显示较低的分钟降雪强度。

一次强降雪天气到来以后，实时桶质量增加速度明显加快，计算得到的降水强度持续上升。

平台自动记录事件开始时间，并实时累计本次降雪水当量。

当实时降雪强度达到项目设定值以后，系统发送强降雪提示。

如果同期雪深快速增加、能见度下降和风速升高，则可以将多项数据统一展示给道路管理人员。

与传统只查看雪深相比，称重式设备能够进一步告诉管理人员当前降雪实际有多强，以及过去数小时已经累计多少水当量。

典型案例：冰冻圈科研高频固态降水观测

某冰冻圈科研站需要研究不同风速和降雪类型条件下的固态降水捕获特性。

项目采用高频称重模式，保存秒级原始质量序列，同时配置防风圈、风速风向、空气温度和视频。

科研人员可以将不同风速条件下称重原始数据、降雪强度和视频中的雪粒状态进行联合分析。

在大风天气下，如果标准集水口记录的降雪水量明显低于低风条件或参考设备，则可以进一步分析风场造成的固态降水捕获误差。

平台除保存最终分钟降水量外，还保留原始质量、滤波前后结果、零点变化和卸料事件，使科研人员能够重新调整算法参数并对历史数据进行复算。

长期运行后，可建立高海拔地区不同温度、风速、降雪相态和降雪强度条件下的固态降水高时间分辨率数据集。