风携带雪粒的跃移悬浮输运监测方案

项目背景与行业痛点

高寒地区积雪在达到一定风力条件后，雪粒会从雪面起动，并在气流作用下以滚动、蠕移、跃移和悬浮等不同形式发生搬运。其中近地层跃移是风吹雪质量输运的重要组成部分，而较细雪粒在强风和湍流作用下还可进入更高空气层形成悬浮或悬移输运。

雪粒输运是造成道路雪漂、铁路路堑积雪、高山垭口吹雪、雪面侵蚀、积雪重新分配和山区能见度下降的重要动力过程。

对于山区公路、铁路、机场、高山水文、冰冻圈科研、雪崩源区、风电场和高寒工程，仅监测风速并不能回答“当前究竟有没有雪粒被搬运”“雪粒主要集中在哪个高度”“有多少雪从迎风侧向背风侧输运”。

传统人工雪粒收集器虽然可以获得一定时间范围内的积雪输运量，但难以连续记录吹雪起动、增强、减弱和停止的瞬态过程。

如果只使用单高度风吹雪传感器，也难以区分近雪面跃移输运和较高空气层悬浮输运。

风携带雪粒输运监测主要存在以下问题：

• 只看风速不能确认雪粒是否真正起动。
• 同一风速下，不同雪温、雪粒粒径、湿度和雪面结壳状态可能具有不同起动条件。
• 跃移雪粒主要集中在近雪面区域，高层悬移雪粒的浓度和输运机制不同。
• 雪面会随着降雪、风蚀和漂积不断升降，固定绝对高度会造成实际相对雪面高度变化。
• 强风本身会造成立杆和撞击杆低频摆动，需要与真实雪粒撞击区分。
• 冰粒、冻雨、机械碰撞也可能形成类似撞击脉冲。
• 雪粒粒径、速度和撞击角度都会影响输出信号。
• 单个撞击计数不能直接等同于绝对质量通量。
• 大型雪原和道路断面存在明显空间差异，需要多点、多高度联合监测。
• 偏远高寒区域普遍存在低温、无市电、通信弱和长期无人值守需求。

因此，需要建设多高度风吹雪跃移—悬浮输运监测系统，通过不同相对雪面高度的雪粒撞击传感器、风速风向梯度监测、雪深自动修正和输运模型标定，连续获得雪粒垂向输运剖面、起动阈值、主导风向以及质量输运特征。

建设目标与监测目标

建设目标

建设一套能够直接感知雪粒真实运动，并对近地跃移层、过渡层和悬浮层进行分层监测的风吹雪综合在线观测系统。

系统通过多个不同高度的S-CG-BSN01雪粒撞击感知单元，与风速、风向、温湿度和雪深监测同步融合，形成：

雪面状态 → 风场增强 → 雪粒起动 → 近地跃移 → 高度扩展 → 悬浮输运 → 输运增强/衰减 → 停止

的完整风吹雪事件过程。

监测目标

• 直接监测真实雪粒撞击事件。
• 监测近雪面跃移雪粒活动。
• 监测不同高度雪粒输运强度。
• 监测较高空气层悬浮雪粒输运。
• 建立雪粒输运垂向剖面。
• 监测风吹雪起动时间。
• 分析风吹雪起动风速。
• 分析输运增强和衰减过程。
• 识别风吹雪停止时间。
• 监测主导输运风向。
• 统计单位时间撞击次数。
• 计算撞击能量和相对输运指数。
• 经标定后输出质量输运率或雪通量。
• 结合雪深分析风蚀和漂积过程。
• 形成整个雪季雪粒搬运总量和输运玫瑰图。

需求分析

雪粒直接感知需求

系统核心不是根据风速间接推断吹雪，而是利用雪粒直接撞击传感器判断是否真正发生雪粒搬运。

多高度分层需求

跃移和悬浮的空间分布不同，因此应在距离雪面不同高度布置多个感知节点，形成雪粒通量垂向剖面。

雪面动态修正需求

风蚀和漂积会不断改变雪面高程，因此所有传感器的“高度”应表示相对于当前雪面的高度，而不是仅记录固定安装绝对高度。

风场同步需求

风速和风向是雪粒起动和输运的重要动力条件，因此雪粒撞击与风场数据必须使用统一时间基准。

高频动态采集需求

单个雪粒撞击属于快速瞬态过程，需要高采样率动态采集系统保留真实脉冲特征。

强风振动抑制需求

强风会造成杆体整体低频摆动，应通过结构增强、频带滤波、参考振动通道和脉冲识别降低误报。

绝对质量输运标定需求

撞击信号与雪粒数量、粒径、速度和撞击方向有关，因此工程初期可输出相对输运指数；如需定量质量输运率，则应进行风洞或现场收集器标定。

空间断面监测需求

道路、铁路和雪漂工程往往需要比较迎风侧、路基、路堑和背风侧雪粒搬运差异，因此应支持多站断面组网。

总体解决方案

系统采用“雪粒直接撞击 + 多高度阵列 + 风场同步 + 雪面高度修正 + 边缘识别 + 标定输运模型”的技术路线。

以S-CG-BSN01作为基础雪粒撞击监测单元，在同一立杆或独立支架上设置多个不同相对雪面高度的雪粒感知层。

典型可设置：

H1 = 0.05m

H2 = 0.10m

H3 = 0.20m

H4 = 0.50m

H5 = 1.00m

H6 = 2.00m

实际层位根据雪粒输运研究目标和当地最大雪深进行调整。

低层传感器重点感知近地跃移雪粒，中高层传感器用于分析雪粒由跃移层向悬浮层扩展的过程。

独立雪深传感器持续测量当前雪面高度，平台将所有撞击传感器绝对安装高程转换为实时“距雪面高度”。

风速风向传感器同步记录输运驱动风场，科研项目可设置多个风速高度建立风速廓线。

总体技术路线为：

风速增强

↓

雪面临界起动条件达到

↓

近地雪粒滚动/蠕移

↓

跃移雪粒撞击

↓

雪粒碰撞雪面并激发更多颗粒

↓

输运强度增加

↓

部分细小雪粒进入更高空气层

↓

悬浮/悬移输运

↓

多高度撞击阵列形成垂向输运剖面

↓

风向和通量联合计算

↓

风吹雪质量输运及空间再分配分析

系统架构设计

近雪面感知层：

5cm / 10cm / 20cm 雪粒撞击节点

跃移—悬浮过渡层：

50cm / 100cm 雪粒撞击节点

悬浮雪粒感知层：

1～2m及项目化更高层雪粒监测节点

雪面基准：

雪深传感器 / 雪面高度修正

风场：

风速 + 风向 + 可选多高度风速梯度

微气象：

温度 + 湿度 + 气压 + 可选雪表温度

动态采集：

高输入阻抗前端 + 滤波 + 24位ADC + 高频采样

边缘分析：

脉冲检测 + 撞击次数 + 峰值 + 能量 + 持续时间 + 频谱

输运模型：

相对输运指数 + 高度剖面 + 风速阈值 + 标定质量输运率

通信：

RS485 / 4G / NB-IoT / LoRa / Ethernet / 卫星

平台：

风吹雪事件 + 垂向输运剖面 + 输运玫瑰图 + 雪漂移分析 + 报表

监测内容与监测方法

技术原理与算法模型

风吹雪雪粒起动机理

积雪表面的雪粒受到空气动力、重力、颗粒间黏结力以及表面摩擦等共同作用。

当风速和表面剪切作用达到一定条件后，部分雪粒开始运动。

实际起动条件受：

雪粒粒径 + 雪温 + 含水状态 + 雪面结壳 + 风速 + 湍流

共同影响，因此不存在适用于所有雪况的唯一固定起动风速。

跃移输运

跃移雪粒从雪面被抬起后沿短距离抛物线轨迹运动，再次撞击雪面。

撞击可能进一步激发其他雪粒起动，从而形成持续的近地雪粒搬运过程。

跃移输运通常主要集中在靠近雪面的空气层，因此本系统在近雪面位置采用较密的高度布点。

悬浮输运

较细雪粒在较强湍流作用下可以被抬升到更高空气层，并维持较长距离输运。

随着高度增加，雪粒撞击频次通常显著下降，因此高层监测需要较高灵敏度和更长统计时间窗。

PVDF雪粒撞击感知原理

雪粒撞击316L不锈钢感应杆后，使杆体产生瞬态弯曲、应变和应力波。

贴附于杆体内壁的PVDF压电薄膜将动态应变转换为电荷或电压脉冲。

信号经过高输入阻抗前置放大、带通滤波和24位ADC采集后，边缘算法提取：

峰值

脉冲宽度

能量

持续时间

频谱

事件间隔

单位时间撞击频次

定义某统计时间窗Δt内有效撞击数量为N：

Fn = N / Δt

可作为该高度雪粒活动强度的基础指标。

相对输运指数

可综合撞击次数与撞击能量构造：

TI = F(N, E, P, Δt)

其中：

N：撞击次数；

E：撞击能量特征；

P：撞击峰值或幅值统计。

TI适合作为同一设备、同一站点和相近雪况条件下的相对输运强度。

垂向输运剖面

多个高度节点分别得到：

q(z1)、q(z2)、q(z3)……q(zn)

即可形成风吹雪输运随距雪面高度变化的垂向分布。

未进行质量标定时，q(z)可表示相对输运指数；完成项目标定后，可转换为质量输运量或质量通量。

雪面高度动态修正

设某一撞击节点绝对高程为Zi，当前雪面高程为Zs：

Hi = Zi - Zs

Hi即为传感器当前真实距雪面高度。

这样即使发生降雪堆积或风蚀，平台仍可以使用相对雪面高度对输运剖面进行比较。

起动风速识别

当撞击频次由背景水平首次持续显著增加，同时风速满足合理条件时，可以记录该次吹雪事件对应的起动风速。

经过大量事件统计后，可形成不同雪况条件下的经验起动风速分布，而不应采用单次事件直接定义固定阈值。

停止风速识别

当输运指数持续下降至背景范围并维持一定时间，可记录该次事件的停止风速。

起动风速与停止风速可能并不完全一致，因此应分别统计。

风向输运量

按照风向θ对所有输运事件进行扇区统计：

Q(θ) = Σq(t | θ)

可形成雪粒输运玫瑰图，识别主要搬运方向。

绝对质量输运率

如果项目需要kg/(m·s)、g/(m²·s)等物理量，可建立：

Qm = F(N, E, U, z, SnowType, Calibration)

其中模型系数通过风洞或现场标准收集器确定。

不同撞击杆尺寸、安装高度、雪型及算法版本发生变化时，应重新确认标定模型。

跃移—悬浮分层识别方法

跃移和悬浮并不是具有绝对固定高度边界的两个完全独立区域，因此工程系统不建议采用单一固定高度直接定义二者，而应结合多高度输运强度形成连续剖面。

实际高度不宜机械固定，应根据现场雪粒尺度、风况、积雪厚度及科研目标设计。

多高度阵列布设方案

标准工程型

可采用3层：

0.1m + 0.5m + 1.5m

主要用于识别近地输运、过渡输运和高层吹雪活动。

精细科研型

可采用6层：

0.05m + 0.10m + 0.20m + 0.50m + 1.00m + 2.00m

形成较完整雪粒垂向分布。

道路雪漂断面

可在道路迎风侧、路肩、路面、中央分隔带和背风侧分别设置多高度阵列。

铁路路堑断面

可沿迎风坡顶、边坡、轨道区域和背风坡建立横向输运监测断面。

雪原科研阵列

可在主风向上设置多个前后排列的多高度输运塔，研究雪粒输运沿程变化。

风场梯度监测设计

对于普通工程应用，一个开阔位置风速风向传感器即可用于事件关联。

对于研究跃移与悬浮输运机理的科研项目，建议增加多高度风速：

U0.5

U1

U2

U5

或根据项目设置其他高度。

通过风速廓线可以进一步研究近雪面风切变、摩阻速度及雪粒起动关系。

风场传感器应尽量避免撞击杆、机柜、太阳能板和立杆本身造成的遮挡及尾流干扰。

风吹雪事件识别逻辑

风振与干扰识别

低频杆体风振

强风可能造成整根撞击杆缓慢摆动，其频率和波形通常与瞬态雪粒撞击不同。

系统通过机械加固、带通滤波和脉冲识别进行抑制。

冰粒/冻雨

冰粒可能产生幅值较大的撞击脉冲，应结合温度、降水相态和事件持续方式进行区分。

机械碰撞

人员或工具碰撞往往形成极强单次异常事件，可通过幅值、持续时间及维护日志标记。

结构共振

不同长度和直径的撞击杆具有不同固有频率，因此改变结构后需要重新进行频响测试和算法适配。

参考振动通道

高精度项目可在立杆内部增加独立结构振动传感器，用于识别整个支架同步振动，并从雪粒撞击信号中进行质量控制。

系统功能设计

雪粒撞击实时监测

连续记录真实雪粒撞击。

多高度输运剖面

同步显示不同距雪面高度雪粒输运强度。

跃移输运识别

重点分析近地雪粒活动。

悬浮输运识别

监测较高空气层雪粒输运。

撞击次数统计

按照秒、分钟、小时等时间窗统计。

撞击能量分析

分析雪粒撞击峰值、能量和频谱。

输运指数

输出无量纲或项目定义的相对输运强度。

质量输运率

经现场或风洞标定后输出物理量。

起动风速识别

自动记录吹雪发生时对应风速。

主导输运风向

建立风向扇区输运统计。

雪面动态修正

根据雪深自动调整各层实际相对雪面高度。

吹雪事件管理

记录开始、峰值、持续时间、衰减和结束。

原始高频波形

保留重要事件原始撞击波形。

断网续传

现场离线运行并在网络恢复后补传。

多站组网

支持断面、道路和雪原多站统一管理。

硬件组成与配置方案

核心设备参数

上述多高度层位属于本方案的工程建议，不是S-CG-BSN01单机固定标准结构。实际层数和安装高度应依据当地雪面变化、目标输运层、研究精度和现场维护条件进行项目化设计。

绝对质量输运标定方案

如果项目只要求识别吹雪发生、强弱变化和风向关系，可直接使用撞击次数、能量及相对输运指数。

如果项目要求获得kg/(m·s)、g/(m²·s)等质量输运指标，需要建立专用标定模型。

风洞标定

在可控风速、雪粒粒径和雪粒浓度条件下，将S-CG-BSN01与标准雪粒质量收集设备同步测试。

建立：

撞击次数 → 质量通量

撞击能量 → 质量通量

风速 + 撞击次数 + 能量 → 质量通量

等模型。

现场标定

在正式站点旁同步安装雪粒收集器，按照固定时间窗获得真实收集雪质量。

将：

撞击次数N

撞击能量E

风速U

风向θ

相对雪面高度z

与实际收集质量进行回归或非线性拟合。

分层标定

多高度系统最好对不同高度分别建立标定关系，避免直接将近雪面高浓度跃移层标定参数应用于高层低浓度悬浮雪粒。

模型版本管理

平台记录：

传感器编号 + 撞击杆结构 + 安装高度 + 雪型 + 标定日期 + 模型版本

确保后期数据具有可追溯性。

软件平台与数据展示

数据分析与智能应用

风吹雪起动阈值统计

长期积累不同雪温、湿度和雪面条件下雪粒首次起动对应风速，建立站点经验起动条件库。

跃移层厚度分析

比较不同高度输运指数随风速变化，可以研究高强度跃移活动主要集中的垂向范围。

悬浮发展分析

当较高节点由背景进入持续撞击状态时，可记录雪粒输运向高空气层扩展的过程。

垂向输运衰减

比较q(z)随高度的变化，可研究不同风速下雪粒输运强度垂向衰减。

主导输运方向

根据风向扇区累计输运量确定一年或一个雪季主要积雪搬运方向。

风蚀—漂积关系分析

将上风侧输运、下风侧输运和雪深变化统一分析，可以判断典型区域积雪净侵蚀或净堆积。

道路雪漂移分析

通过道路断面多个站点比较，分析雪粒如何从迎风坡越过路面并在背风侧形成雪漂。

交通低能见度分析

将高层悬浮雪粒输运与能见度数据联合，可研究强吹雪导致的白化和交通视距下降过程。

积雪水文再分配分析

风吹雪会使雪资源从部分坡面搬运到其他区域。多站输运数据与SWE、雪深联合，可研究流域积雪空间再分配。

雪崩源区风输雪分析

在雪崩起雪坡和山脊附近，可利用输运方向和强度分析风吹雪向背风坡持续补雪的过程，为雪荷载和雪崩源区研究增加风输雪数据。

预警机制与决策支撑

项目实施方案

第一阶段：现场风吹雪调查

调查主导风向、最大风速、最大雪深、历史雪漂移、雪面侵蚀和吹雪高发区域。

第二阶段：监测目标确定

明确项目主要关注吹雪事件、跃移/悬浮垂向结构、道路雪漂还是绝对质量输运量。

第三阶段：多高度层位设计

根据目标确定3层、6层或更多传感器。

第四阶段：雪面高度监测设计

配置独立雪深传感器，保证整个雪季可实时计算各节点相对雪面高度。

第五阶段：风场建设

配置标准风速风向；科研项目增加多高度风速。

第六阶段：立杆与基础施工

强风区域采用法兰、锚栓、混凝土基础和拉索。

第七阶段：多通道同步采集

所有撞击传感器和气象设备建立统一时间基准。

第八阶段：背景数据采集

分别采集：

无风无雪粒

强风无吹雪

弱吹雪

典型强吹雪

等背景样本。

第九阶段：事件阈值调试

根据实际杆体风振、雪粒撞击和环境噪声调整放大倍数、滤波和脉冲判定参数。

第十阶段：质量标定

需要绝对通量时同步开展现场收集器或风洞对比。

第十一阶段：平台模型建设

建立各高度通道、雪面高度、风场及标定模型对应关系。

第十二阶段：首个雪季试运行

经历完整吹雪季后优化起动阈值、层位设计和质量输运模型。

安装部署要求

• 优先布设在山口、垭口、风口、雪原、路堑和典型风吹雪通道。
• 避开建筑物、大型岩体、树木和其他明显扰乱风场的障碍物。
• 多高度撞击杆应尽量处于相近风场条件。
• 低层节点不得被积雪长期掩埋。
• 整个雪季应持续记录当前雪面高度。
• 各高度均应以“距当前雪面高度”作为分析基准。
• 风速风向传感器应安装在开阔位置。
• 太阳能板不得明显遮挡主要来流方向。
• 立杆采用拉索提高强风稳定性。
• 撞击杆不建议持续加热，避免改变雪粒撞击和融化行为。
• 电缆必须采用耐低温、防水结构，并预留应力释放。
• 绝对输运量项目应在同一代表性位置设置标准收集器。

运维服务保障

撞击杆检查

定期检查杆体变形、覆冰、连接和机械稳定性。

PVDF通道检查

监测零噪声、灵敏度和异常漂移。

结构风振检查

强风季重点检查拉索、法兰和基础。

雪面高度校核

检查雪深设备与现场实际雪面是否一致。

风向校准

确认风向零位及安装方位没有变化。

标定模型维护

传感杆、更换PVDF、调整高度或结构后重新确认标定模型。

太阳能维护

检查面板积雪、电池低温性能和供电状态。

通信维护

弱网区域确保本地数据、事件文件和原始波形完整保存。

雪季后分析

统计全年吹雪时长、最大输运指数、主要风向、起动风速及累计标定输运量。

项目优势与方案价值

直接感知真实雪粒

不是仅根据风速推断，而是直接记录雪粒撞击。

从单高度升级到垂向剖面

多个高度同时观测，可研究雪粒由近地跃移向高层悬浮发展的过程。

雪面动态修正

通过雪深实时修正各传感器距雪面高度，避免整个雪季几何关系失真。

高频原始信号

24位高速采集保留真实雪粒撞击波形，便于科研、算法升级和重新分析。

风场同步

能够研究真正发生雪粒输运时的起动风速和主导方向。

绝对输运可升级

早期可采用相对输运指数，后期经标定升级为质量输运率。

适合工程与科研

既可用于道路雪漂治理，也可用于风吹雪动力学和冰冻圈研究。

长期无人值守

太阳能、低温储能、本地缓存和远程通信适用于偏远雪区。

应用场景

效益分析

标准规范与技术依据

风吹雪输运监测涉及动态撞击信号、自动气象、积雪监测和户外高寒设备，目前绝对雪粒质量输运量仍需要以项目化标定作为主要定量依据。

成功案例

当前资料未提供可公开核验的SIYB®多高度跃移—悬浮风吹雪输运已交付项目，因此不虚构客户、地点和实测业绩。以下作为典型工程配置模板。

参考文献

1. GB/T 32335-2015《机械振动与冲击 振动数据采集的参数规定》。
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. World Meteorological Organization, Guide to Instruments and Methods of Observation, WMO-No.8。
5. WMO-No.8 Volume II: Measurement of Cryospheric Variables / Snow。
6. Pomeroy, J.W. & Gray, D.M. Saltation of snow. Water Resources Research, 1990。
7. Li, L. & Pomeroy, J.W. Estimates of threshold wind speeds for snow transport using meteorological data. Journal of Applied Meteorology, 1997。
8. PVDF LDT0-028K或同类压电薄膜技术资料。
9. 风吹雪跃移、悬浮、输运通量、近地风场和积雪再分配相关公开研究资料。

本方案属于风携带雪粒跃移—悬浮输运综合在线监测前期技术设计方案。实际项目中的撞击杆数量、层位高度、风速传感器层数、采样率、事件阈值、雪面高度修正方式和通信供电方案，应依据当地最大雪深、风速范围、目标输运高度、道路/雪原地形及研究目标进行项目化确定。

特别说明：跃移和悬浮属于连续变化的风吹雪输运机制，并不存在适用于所有雪况的统一固定高度分界。本方案采用多高度连续观测，通过雪粒输运随高度的实际分布来描述近地跃移、过渡和高层悬浮过程，比单一高度直接贴标签更加适合工程和科研应用。

同时，S-CG-BSN01可以直接输出雪粒撞击次数、能量和相对输运强度，但绝对质量输运率不能仅凭撞击计数直接得到。如果客户要求输出kg/(m·s)、g/(m²·s)或整个雪季累计搬运质量，应同步开展风洞或现场标准收集器标定，并对不同高度、撞击杆结构和雪型维护独立标定模型。