称重雪量监测雪崩预警方案

项目背景与行业痛点

山地雪崩的形成与既有雪层结构、弱层状态、坡度坡向、风吹雪再分配、温度变化以及新增降雪荷载等因素密切相关。其中，短时间大量降雪会快速增加坡面积雪质量，使原有雪层承受新的附加荷载，是雪崩风险监测中非常重要的外部驱动因素。

在雪崩源区，管理人员不仅需要知道“下雪了”，更需要连续回答：

• 当前降雪强度是多少。
• 最近1小时新增了多少雪水当量。
• 最近3小时、6小时、12小时和24小时累计增加了多少降雪质量。
• 本轮暴雪事件一共给坡面增加了多少kg/m²的新雪质量。
• 降雪是否仍在快速增强。
• 新增降雪是否同时伴随强风和风吹雪向起雪坡输送。
• 原有雪层是否已经处于高荷载、弱层异常或湿化状态。
• 一次强降雪后风险是在立即升高，还是在数小时后随着风输雪和雪层调整继续发展。

传统雪尺主要监测积雪厚度，而积雪厚度受到新雪密度、风压实、沉降和坡面积雪重新分配影响，并不能直接表示新增质量。

人工降雪取样或融雪称量可以得到累计雪水量，但通常只能获得间断数据，很难提供分钟级降雪强度和完整暴雪过程。

翻斗式雨量设备在固态降水环境下容易受到雪堵、结冰和融雪加热影响，也难以直接保持高寒暴雪条件下连续的固态降水观测。

雪崩预警中的新增雪荷载监测主要存在以下问题：

• 雪深增加量不能直接等同于新增雪质量。
• 新雪密度变化较大，相同雪深增量可能对应完全不同的新雪荷载。
• 短时强降雪比日累计值更能反映快速加载过程，但人工方法难以连续获得。
• 暴雪过程往往持续数小时至数天，需要同时监测强度和不同时间窗累计量。
• 强风可能造成降雪捕获偏差，同时又会把新雪输送到背风起雪坡。
• 单一降雪量不能反映坡面实际雪荷载，因为还存在风吹雪搬运和原有积雪。
• 新增降雪本身不能直接证明弱层已经破坏。
• 雪崩危险坡面通常位于偏远无人区，设备必须长期无人值守。
• 暴雪天气往往伴随通信不稳定、低温和太阳能不足。
• 真正的雪崩预警需要把降雪输入与雪层状态、风场和动态监测放在同一时间轴。

因此，需要建设称重雪量监测雪崩预警系统，以S-CG-WSP01双桶称重式雪量仪连续获取固态降水水当量、实时强度和事件累计量，并进一步换算新增雪质量荷载，与风场、雪深、雪密度、雪层压力、雪温、液态含水率和雪崩动态监测数据共同形成雪崩风险研判体系。

建设目标与监测目标

建设目标

在典型雪崩源区、历史雪崩释放区、山区公路铁路上方危险坡面、滑雪场雪崩控制区及高山科研区域建设自动称重雪量监测节点。

系统连续获取整个降雪事件的：

实时降雪强度 → 分钟累计 → 小时累计 → 事件累计 → 24小时/72小时新增SWE → 新增雪质量荷载

并与坡面积雪状态和风场数据融合，建立“新增雪荷载输入—雪层承载状态—风险变化—动态事件确认”的雪崩监测技术链。

监测目标

• 连续监测固态降雪水当量。
• 连续监测雨夹雪和混合降水。
• 输出实时降雪强度。
• 统计1小时新增降雪水当量。
• 统计3小时新增降雪水当量。
• 统计6小时新增降雪水当量。
• 统计12小时新增降雪水当量。
• 统计24小时新增降雪水当量。
• 统计72小时暴雪累计量。
• 统计完整降雪事件累计量。
• 换算单位面积新增雪质量kg/m²。
• 计算单位时间新增雪荷载速率。
• 识别降雪开始、增强、峰值、衰减和结束。
• 识别持续强降雪过程。
• 结合风速风向分析风吹雪再分配。
• 结合原有雪层状态辅助雪崩风险研判。

需求分析

新增质量而非单纯雪深需求

雪崩危险性分析需要关注坡面增加了多少质量负荷，而不仅仅是雪面增高了多少厘米。因此，应通过称重方式直接获得降雪质量并换算水当量。

分钟级降雪强度需求

相同24小时累计降雪量，如果集中在3小时内完成，与均匀分布在24小时内，其雪层快速加载过程明显不同。因此需要保留分钟级降雪强度。

滚动时间窗需求

雪崩风险模型需要同时计算：

ΔSWE1h

ΔSWE3h

ΔSWE6h

ΔSWE12h

ΔSWE24h

ΔSWE72h

用于描述不同时间尺度上的新增雪荷载。

降雪事件识别需求

系统应将连续降雪过程识别为独立事件，记录事件开始、峰值、持续时间和累计量。

风吹雪联合需求

测得的垂直降雪只是新增雪输入的一部分。强风环境下，大量雪可能从其他坡面被搬运到背风起雪坡，因此高等级雪崩项目需要同时监测风和风吹雪输运。

雪层状态联合需求

同样20mm水当量新增降雪，落在稳定厚雪层和存在脆弱弱层的雪盖上，风险意义可能完全不同，因此称重雪量必须与雪层结构、压力、温度、LWC等联合使用。

高寒长期运行需求

系统需要支持低温称重补偿、防风、双桶自动转移、容量监控、本地缓存和太阳能低温供电。

总体解决方案

系统采用“称重降雪输入 + 风场 + 坡面积雪状态 + 弱层/压力 + 动态雪崩确认”的总体技术路线。

S-CG-WSP01使用标准集水口收集雪、雨夹雪和雨，由实时称重桶连续测量质量变化并换算等效水当量。

边缘主机实时计算：

降雪强度I

实时累计Pr

非实时累计Pn

总累计Pt

1h / 3h / 6h / 12h / 24h / 72h滚动累计

新增质量荷载kg/m²

当实时桶达到容量阈值后，系统自动将样品转移到储存桶，并通过双桶质量变化进行质量守恒校核，使暴雪长期过程不中断。

系统再与以下设备进行联合：

风速风向

风吹雪输运

雪深

雪密度/SWE

雪温

雪层LWC

雪层压力/弱层

雪体位移

振动/地声/次声

视频

形成：

新增降雪输入

↓

新雪质量快速增加

↓

风吹雪再分配

↓

坡面实际荷载累积

↓

原有弱层/雪层状态响应

↓

风险等级变化

↓

振动/次声/视频动态确认

↓

雪崩预警与人员避险

系统架构设计

降雪输入层：

S-CG-WSP01双桶称重式雪量仪

风场：

风速 + 风向

风输雪：

多高度雪粒跃移/悬浮输运，可选

雪盖状态：

雪深 + 雪密度 + SWE

雪层内部：

雪温 + LWC + 雪层压力/弱层

坡面动态：

雪体位移

雪崩动态确认：

振动 + 地声 + 次声/气浪 + 视频

边缘计算：

降雪强度 + 滚动累计 + 新增雪质量 + 荷载速率 + 风振滤波 + 事件识别

通信：

RS485 / 4G / NB-IoT / LoRa / Ethernet / 北斗或卫星

平台：

降雪事件 + 新增荷载 + 雪层状态 + 风输雪 + 风险模型 + 告警联动

监测内容与监测方法

技术原理与算法模型

称重式雪量测量原理

已知标准集水口面积为A，降雪进入实时采样桶后，称重传感器连续获取总质量m(t)。

在时间窗口Δt内，净质量增加为：

Δm = m(t2) - m(t1)

换算等效水当量：

ΔP = Δm / (ρw × A) × 1000

其中：

ΔP：等效降水量，mm；

Δm：净新增质量，kg；

ρw：水密度，kg/m³；

A：集水口面积，m²。

实时降雪强度

实时降雪强度：

I = ΔP / Δt

按小时单位换算后得到mm/h。

水当量与单位面积质量关系

1mm液态水覆盖1m²面积，其体积约为0.001m³，对应质量约1kg。

因此对于降雪水当量：

1mm SWE ≈ 1kg/m² 新增水质量

例如一次降雪累计20mm水当量，则代表垂直降雪给每平方米水平面积输入约20kg水质量。

这一关系非常适合用于雪崩新增雪荷载分析。

新增质量荷载

某时间窗新增降雪水当量为ΔSWE时：

Mnew ≈ ΔSWE kg/m²

其中ΔSWE采用mm表示。

例如：

6小时新增SWE = 30mm

则相当于：

约30kg/m²新增水质量输入。

新增法向重力荷载

如果仅用于水平单位面积对应重力载荷，可表示：

q = Mnew × g

例如20kg/m²对应约196N/m²重力。

对于实际倾斜起雪坡，雪层中的法向和沿坡分量还与坡度、雪体结构和坡面几何有关，因此不能直接把水平水当量换算值当成实际弱层剪切应力。

新增荷载速率

定义新增质量加载速率：

Rm = ΔM / Δt

单位可采用：

kg/(m²·h)

由于1mm SWE约对应1kg/m²，因此：

1mm/h降雪水当量强度 ≈ 1kg/(m²·h)质量加载速度

多时间窗加载模型

平台持续计算：

L1 = ΔSWE1h

L3 = ΔSWE3h

L6 = ΔSWE6h

L12 = ΔSWE12h

L24 = ΔSWE24h

L72 = ΔSWE72h

不同时间窗同时保留，可以同时识别短时暴雪和持续性降雪。

降雪事件累计

对于一场完整降雪事件：

Pe = ΣΔP

并记录：

开始时间

结束时间

持续时间

最大强度

平均强度

事件总水当量

事件总新增质量

坡面实际加载修正

仅使用称重雪量仪测得的是站点垂直降雪输入。

坡面实际新增雪量可进一步表示为：

LoadSlope = F(Psnow, WindTransport, Terrain, Aspect, SnowRetention)

其中：

Psnow：垂直新增降雪；

WindTransport：风吹雪输运；

Terrain：局地地形；

Aspect：坡向；

SnowRetention：雪面滞留/侵蚀状态。

因此，在强风山区不应把气象站称重雪量直接等同于背风起雪坡实际积雪增加量。

雪崩新增雪荷载指标体系

雪崩预警多参数判别模型

称重式雪量数据应作为“外部新增荷载输入”进入雪崩风险模型，而不应单独输出“雪崩一定发生”的结论。

综合风险可表示为：

R = F(NewSnow, LoadingRate, WindLoading, ExistingSWE, WeakLayer, Temperature, LWC, Slope, History)

其中：

NewSnow：新增降雪水当量；

LoadingRate：新增荷载速率；

WindLoading：风吹雪附加荷载；

ExistingSWE：原有积雪储量；

WeakLayer：弱层及压力状态；

Temperature：雪层温度；

LWC：液态含水状态；

Slope：坡度和地形；

History：历史雪崩及现场标定资料。

权重和阈值应依据当地多年雪崩事件、雪坑数据和实际运行资料建立。

典型雪崩风险发展逻辑

阶段一：降雪开始

称重雪量仪首先检测到稳定质量增加，系统创建一次新的降雪事件。

阶段二：新增荷载持续增加

1h、3h、6h滚动累计不断升高，坡面开始承受持续新增质量。

阶段三：强风参与

如果同期出现强风，系统同时检查背风坡和风吹雪输运数据。

阶段四：原有雪层响应

雪层压力、弱层、位移或其他状态数据出现变化时，综合风险进一步提高。

阶段五：降雪停止后的延迟风险

降雪停止并不意味着风险立即解除。风吹雪可能仍在向坡面积雪，同时雪层仍在经历压实和应力调整。

阶段六：雪体动态事件

如果振动、地声、次声、雷达或视频检测到雪体运动，则由“发生前风险监测”进入“实际雪崩事件确认和人员避险”阶段。

预警机制与决策支撑

具体黄色、橙色、红色阈值不建议在没有当地历史样本的情况下采用全国统一固定数值。项目初期可保留滚动时间窗和组合规则，由当地雪崩专业人员结合雪坑、地形和历史事件进行率定。

雪崩源区布点方案

高海拔主气象站

设置称重雪量、风速风向和空气温湿度，获得区域新增降雪输入。

起雪坡附近代表站

在安全且能够代表危险坡面降雪条件的位置设置第二雪量/气象节点，减少高差和局地天气差异。

山脊风输雪站

设置风吹雪输运监测，用于量化雪从迎风区域跨越山脊向背风坡搬运。

背风起雪坡状态站

重点设置雪深、SWE、雪层压力、雪温和LWC。

动态事件站

在雪崩沟上中下游安全位置设置振动、地声、次声或雷达节点。

这样可以形成：

天空降雪输入

+

风吹雪横向输入

+

坡面实际雪荷载

+

弱层响应

+

雪崩动态事件

的完整监测链。

系统功能设计

分钟级降雪强度

实时显示固态/混合降水强度。

滚动新增雪量

自动计算1h、3h、6h、12h、24h和72h累计。

新增雪质量

将mm水当量直接换算为kg/m²。

新增荷载速率

显示kg/(m²·h)加载速度。

完整降雪事件

记录开始、结束、峰值、持续时间和总量。

双桶自动管理

实时桶接近容量阈值后自动向储存桶转移。

质量守恒校核

比较实时桶质量下降和储存桶质量增加。

桶容量管理

显示当前占用、百分比和剩余容量。

风振过滤

通过结构和算法降低强风对称重的影响。

温漂补偿

修正高寒环境下称重零点变化。

风雪联合

将降雪强度与风速、风向和风吹雪统一显示。

雪层联合

关联雪深、SWE、雪温、LWC和压力。

风险模型

输出新增雪荷载及项目化综合风险状态。

断网续传

暴雪通信异常期间本地持续记录。

远程运维

支持采样、告警、卸料和容量参数管理。

硬件组成与配置方案

核心设备参数

上述容量为典型设计值。实际固态降雪可用容量还受到雪密度、桶体容积、积雪架桥、结冰和压实影响，雪崩预警站应根据当地极端连续暴雪量重新核算桶体容量和维护周期。

软件平台与数据展示

数据分析与智能应用

短时强降雪识别

通过分钟级和小时级水当量变化识别短时间快速新增质量事件。

连续暴雪分析

通过24h和72h累计指标分析持续多日的雪荷载增长。

降雪峰值分析

统计每次降雪事件最大mm/h和对应发生时间。

新雪总质量计算

直接将水当量转换为kg/m²，为雪层荷载模型提供输入。

风吹雪附加荷载

结合风向和风吹雪输运判断气象站降雪之后，有多少雪可能进一步向背风坡集中。

降雪—雪深关系

将新增水当量与雪深增加量对比，可研究新雪密度、沉降和风输雪影响。

降雪—雪密度关系

分析不同降雪事件中新雪质量增加与总体雪密度变化。

降雪—压力响应

将坡面雪层压力变化与新增降雪负荷统一时间轴分析，可观察外部加载向雪层内部传递的过程。

风险滞后分析

统计历史雪崩事件发生时间与降雪峰值、24h累计和降雪结束时间之间的时间差，为当地预警窗口建立经验依据。

自然雪崩样本库

对每次真实雪崩保存：

事件前72小时降雪

事件前24小时降雪

峰值降雪强度

风速风向

风吹雪

雪深/SWE

雪层压力

温度/LWC

雪崩实际发生时间

长期形成当地雪崩新增荷载特征数据库。

项目实施方案

第一阶段：雪崩历史调查

收集雪崩源区、起雪坡、历史降雪、暴雪、风场和雪崩发生资料。

第二阶段：站点代表性分析

确定称重雪量仪能够代表目标危险坡面降雪输入的位置。

第三阶段：极端暴雪分析

根据历史最大24h、72h及连续雪日确定集水口、双桶容量和维护周期。

第四阶段：基础建设

设备采用独立稳定基础，称重结构与主立杆、太阳能支架进行机械隔离。

第五阶段：防风设计

高风区域设置适合固态降水观测的防风结构，同时避免防风圈与称重主体产生机械接触。

第六阶段：称重校准

安装后完成空桶零点和标准砝码多点校验。

第七阶段：卸料测试

验证实时桶质量下降、储存桶质量增加及累计逻辑。

第八阶段：雪崩辅助站建设

配置风速风向、雪深、SWE、压力及项目需要的动态传感器。

第九阶段：平台时间统一

确保降雪、风、压力、振动和次声使用统一时间基准。

第十阶段：滚动时间窗配置

平台建立1h、3h、6h、12h、24h和72h累计。

第十一阶段：首个雪季基线

记录正常降雪和所有实际雪崩事件，建立当地项目阈值。

第十二阶段：模型年度优化

每个雪季结束后根据真实事件和误报情况优化下一年度模型。

安装部署要求

• 选择能够代表雪崩源区降雪的开阔位置。
• 避开建筑物、树木、岩壁和异常雪漂积区域。
• 称重基础保持水平和稳定。
• 称重系统与太阳能立杆尽量机械隔离。
• 强风区建议配置防风圈。
• 防风结构不得接触称重主体。
• 集水口高度应考虑当地最大雪深。
• 集水口不得被周边积雪埋没。
• 安装后完成标准砝码多点校准。
• 自动卸料机构应进行低温、防粘和防冻结设计。
• 卸料执行机构供电应考虑瞬时峰值电流。
• 太阳能按冬季最差日照和连续暴雪天气设计。
• 设备至少连续试运行72小时检查零漂、风振和累计一致性。
• 雪崩源区项目应同步记录站点海拔、坡向和目标危险坡面的空间关系。

运维服务保障

称重零点检查

定期检查实时桶和储存桶空载零点。

标准质量校验

雪季前使用标准砝码进行多点线性验证。

集水口维护

检查结冰、异物和积雪架桥。

防风结构检查

检查防风圈变形及是否与称重主体产生接触。

卸料机构维护

重点检查低温冻结、粘雪和门位状态。

双桶质量守恒检查

比较卸料前后两桶质量变化，及时识别转移异常。

容量维护

储存桶接近满容量前安排清理，避免暴雪期间数据中断。

太阳能维护

检查面板积雪、电池低温容量和充电状态。

通信与缓存

确认弱网条件下数据完整保存和自动补传。

雪季后模型复盘

将所有真实雪崩与降雪、风场和雪层数据重新分析，优化项目阈值。

项目优势与方案价值

直接测新增雪质量

称重法不是只看积雪厚度，而是直接获得固态降水质量并换算水当量。

新增雪荷载工程化

mm水当量可以直接转化为kg/m²，为雪崩加载模型提供直观输入。

分钟级连续过程

不仅获得日累计，还能捕获快速暴雪的峰值强度。

支持多时间窗风险模型

1～72小时滚动累计可以同时描述快速和持续加载。

双桶长期无人值守

自动转移延长偏远雪区连续观测周期。

固态雪无需先融化

降低必须依赖融雪加热测量带来的额外能耗。

完整质量追溯

保存原始称重、转移事件和容量状态，方便数据质量检查。

可扩展完整雪崩体系

能够进一步与风吹雪、压力、位移、振动和次声形成多源雪崩监测系统。

应用场景

效益分析

标准规范与技术依据

以下标准与资料主要用于称重式降水观测、称重系统和户外设备设计参考。雪崩风险等级和实际预警阈值还应依据当地雪崩专业规范、历史事件和现场监测资料建立。

成功案例

当前资料未提供可公开核验的SIYB® S-CG-WSP01用于雪崩预警的已交付项目，因此不虚构真实客户、地点和预警效果。以下作为典型项目配置模板。

参考文献

1. 《S-CG-WSP01 称重式雪量仪产品说明书》。
2. QX/T 320-2016《称重式降水测量仪》。
3. SL/T 811.4-2021《降水量观测仪器 第4部分：称重式雨量计》。
4. GB/T 7551-2008《称重传感器》。
5. GB/T 4208-2017《外壳防护等级（IP代码）》。
6. GB/T 17626系列《电磁兼容 试验和测量技术》。
7. World Meteorological Organization, Guide to Instruments and Methods of Observation, WMO-No.8, Volume I, Chapter 6: Measurement of Precipitation.
8. Modbus Application Protocol / Modbus over Serial Line相关技术规范。
9. 新雪荷载、降雪水当量、风吹雪再分配、雪层弱层及雪崩危险评价相关技术资料。

本方案属于“称重式新增降雪荷载 + 多参数雪崩风险监测”的前期技术设计方案。正式项目中的集水面积、双桶容量、降雪强度时间窗、1/3/6/12/24/72小时累计指标、风险阈值、站点数量和雪崩联动逻辑，应根据当地历史暴雪、雪崩档案、坡度坡向、风场和实际雪层结构进行项目化确定。

特别说明：S-CG-WSP01测量的是降落到标准集水口内的固态或混合降水所对应的水当量，而不是地面积雪厚度，也不是起雪坡实际总雪荷载。气象站测得的垂直降雪输入进入坡面以后，还会受到风吹雪搬运、压实、沉降和局地地形控制，因此高精度雪崩项目应同步监测风吹雪、坡面雪深、SWE或压力。

同时，新增降雪量属于雪崩发生前的重要外部加载因素，但不能单独作为“达到某个mm就一定发生雪崩”的确定判据。更合理的技术体系应形成“新增降雪水当量 + 荷载速率 + 风吹雪附加量 + 原有SWE + 雪温/LWC + 雪层压力/弱层 + 坡度地形”的发生前风险研判，再与“振动/地声 + 次声/气浪 + 雷达/视频”的发生后动态监测相衔接。