雪层和表面温度测量薄冰危险监测方案

项目背景与行业痛点

高寒湖泊、水库、河道、湿地、景区冰面以及高山积雪覆盖冰面在冬季会经历结冰、增厚、积雪覆盖、升温、融化、再冻结和春季消融等复杂过程。在部分区域，冰面上方长期覆盖积雪。积雪具有明显隔热作用，会改变冰层与空气之间的热交换，使得“气温很低”并不一定代表冰层仍在快速增厚；同样，在升温、强太阳辐射、暖风、雨雪转换或水下暖流影响下，冰层可能在表面仍有积雪覆盖的情况下逐渐变薄。

对于高山景区、冰湖、冬季水库、冰上巡检区、科研观测区及人员可能进入的冰面，仅依靠空气温度或人工目测难以准确判断冰层热状态。特别是在初冬结冰期和春季消融期，冰面可能存在局部薄冰、暗冰、融蚀孔、雪下水层、裂隙以及冰层厚度空间不均匀等现象。

传统薄冰危险管理主要存在以下问题：

• 空气温度不能直接代表雪面、冰面或冰层内部温度。
• 积雪覆盖后，冰层与大气之间的热交换发生明显改变。
• 人工接触式测温无法长期保持在不断变化的真实雪表面。
• 单一冰面表面温度无法反映雪层和冰层内部热梯度。
• 薄冰区域可能具有明显空间差异，单个监测点不能代表整个冰面。
• 太阳辐射、暖风、降雨以及水下暖流可能造成局部快速消融。
• 初冬冻结形成的新冰可能温度很低但实际厚度仍不足。
• 春季冰层即使夜间重新冻结，结构也可能已经经历严重融蚀。
• 仅依据0℃附近温度判断“安全/危险”存在明显局限。
• 景区和人员活动区需要把监测结果转化为现场警告和区域管控。

因此，需要建设雪层和表面温度薄冰危险综合在线监测系统，通过雪表面非接触红外温度、雪层内部温度剖面、冰层温度、冰厚、水温、雪深和气象数据联合分析，连续识别冰面冻结、增厚、升温、融化和再冻结过程，并向管理人员提供薄冰风险变化信息。

建设目标与监测目标

建设目标

在高寒湖泊、水库、河流、冰面景区及典型积雪覆盖冰面建立“雪表—雪层—冰层—水体”垂向热状态综合在线监测系统。

利用S-CG-SST01红外雪表面温度监测仪连续获得真实雪表辐射温度，结合多层雪温、冰层温度和冰厚监测，建立从大气到水体的完整温度和冰况数据链。

系统形成：

空气环境 → 雪表面温度 → 雪层温度剖面 → 雪—冰界面 → 冰层温度 → 冰厚 → 冰—水界面 → 水温

的综合在线监测体系。

监测目标

• 连续监测雪表面真实热状态。
• 监测雪表面接近0℃持续时间。
• 监测雪表面温度过零次数。
• 监测雪表面快速升温和快速降温。
• 监测雪层内部不同深度温度。
• 建立雪层温度垂向剖面。
• 监测雪—冰界面温度。
• 监测冰层内部温度。
• 监测冰—水界面及冰下水温。
• 监测冰层实际厚度。
• 监测冰厚增长和减薄速率。
• 识别冻结、持续冻结、融化及再冻结过程。
• 识别局部异常升温区域。
• 建立薄冰危险多参数判别机制。
• 支持声光、广播、警示屏和管理平台联动。

需求分析

真实雪表温度监测需求

接触式传感器容易随着降雪被埋入雪层，无法长期代表真实表面。因此雪面热状态适合采用非接触红外方式连续测量。

雪层内部温度监测需求

雪层具有明显隔热作用。相同雪表温度下，不同厚度和内部温度梯度可能对应不同的雪—冰界面热交换，因此需要多层雪温剖面。

冰层内部监测需求

如果目标是薄冰危险监测，仅有雪温不足以判断冰层实际状态，应增加冰层温度或冰—水界面相关传感器。

冰厚直接监测需求

温度数据主要反映热状态，无法直接替代实际冰厚。因此人员安全项目必须配置独立冰厚监测手段。

空间差异监测需求

入水口、出水口、泉眼、河道汇入口、桥墩附近、水流较快区域和太阳辐射差异区域可能存在局部薄冰，应采用多点布设。

冻融过程识别需求

系统不仅需要知道当前温度，还应自动计算升降温速率、0℃附近持续时间、过零次数及连续冻融周期。

人员安全联动需求

景区、施工区或巡检区需要把监测结果转换为可执行的危险区域提示、禁止进入、声光警告和管理信息。

总体解决方案

系统采用“雪表红外测温 + 雪层温度剖面 + 冰层温度 + 冰厚 + 水温 + 雪深 + 微气象 + 平台风险分析”的综合在线监测架构。

雪表面采用S-CG-SST01非接触红外温度监测仪，通过8～14μm方向热红外辐射测量自然雪面温度。

雪层内部沿垂向设置多个温度节点，形成雪层温度剖面。

在雪—冰界面、冰层内部以及冰—水界面设置项目化温度节点，建立完整垂向热梯度。

独立冰厚传感系统持续监测冰层厚度和厚度变化。

冰下配置水温传感器，必要时增加流速监测，识别水下暖水、汇流或较强水流造成的局部底部融冰风险。

总体技术路线为：

空气温度/辐射/风

↓

雪表面红外温度

↓

雪层多点温度

↓

雪—冰界面温度

↓

冰层温度梯度

↓

冰厚与变化率

↓

冰下水温

↓

冻融状态识别

↓

薄冰风险综合判断

↓

平台告警与人员区域管控

系统架构设计

雪表面感知：

S-CG-SST01红外雪表面温度

雪层感知：

多层雪温传感器

雪—冰界面：

界面温度节点

冰层感知：

冰层多点温度 + 冰厚监测

水体感知：

冰下水温 + 可选流速/水位

雪况辅助：

雪深 + 可选雪密度/SWE

气象：

空气温湿度 + 风速风向 + 短波辐射 + 长波辐射 + 降水

边缘计算：

温度补偿 + 过零次数 + 冻融指数 + 热梯度 + 冰厚变化率 + 异常检测

通信：

RS485 / Ethernet / 4G / NB-IoT / LoRa / 可扩展卫星链路

平台：

雪表温度 + 温度剖面 + 冰厚 + 风险地图 + 告警 + 历史事件

监测内容与监测方法

技术原理与算法模型

雪表面红外测温原理

自然雪面会根据自身热状态向外辐射红外能量。

S-CG-SST01使用热红外探测器接收测量视场内的辐射能量，并结合传感器标定曲线、雪面发射率和探头内部温度补偿，计算雪表面辐射温度。

该方式无需与雪表直接接触，因此不会因积雪深度变化而逐渐变成“内部雪温传感器”。

雪表—雪层温度梯度

设雪表温度为Ts，雪层不同高度温度为：

T1、T2、T3……Tn

可形成：

Ts → T1 → T2 → T3 → Tn

的完整雪层垂向温度剖面。

通过不同层之间的温度变化，可以分析雪面冷却、雪层隔热和内部热量传递。

雪—冰界面热状态

雪层覆盖会降低冰面与冷空气之间的直接换热。

当雪层较厚时，即使空气温度很低，雪—冰界面仍可能保持相对较高温度，从而降低冰层继续快速增厚的能力。

冰层温度梯度

可在冰层中设置多个温度测点：

Ti1、Ti2、Ti3……Tin

形成：

雪—冰界面 → 冰层内部 → 冰—水界面

温度剖面。

当整个冰层温度逐渐接近相变温度时，应结合冰厚变化进一步关注融化和结构退化。

冻融过零分析

系统持续统计雪表或重点层位温度穿越0℃附近的次数。

频繁经历升温—降温—再冻结，说明表面环境存在明显冻融循环。

0℃附近持续时间

系统可以统计雪表和冰层关键位置在0℃附近的累计持续时间。

持续接近融点本身不等同于冰已经危险，但与持续正能量输入、冰厚下降和水温升高同时出现时，应提高风险关注等级。

温度变化率

可计算：

RT = ΔT / Δt

用于识别暖空气侵入、强太阳辐射和快速降温等过程。

冰厚变化率

定义冰厚为Hi：

RHi = ΔHi / Δt

当RHi持续为负值时，表示冰层正在净减薄。

雪盖隔热分析

将雪深Hs、空气温度Ta、雪表温度Ts和雪—冰界面温度Tsi统一分析，可评估雪盖隔热效应。

例如：

空气持续低温

但雪深较大

同时雪—冰界面温度长期接近0℃

说明冰层获得的有效冷量可能明显低于仅根据空气温度推断的情况。

冰下热源分析

如果冰下水温持续偏高，或者某一监测点水温明显高于周边站点，同时冰厚持续减薄，应重点关注水下暖流、地下水补给、入水口或水体流动等影响。

薄冰危险综合判别逻辑

薄冰危险监测不建议采用“温度低于某值=安全”或“高于某值=危险”的单参数判断，而应综合冰厚、温度和环境过程。

建议风险模型采用：

Risk = F(冰厚、冰厚变化率、雪表温度、冰层温度、冰下水温、雪深、辐射、气温、降雨、空间位置)

具体“冰厚达到多少可以允许人员或车辆通行”不应由本温度系统直接给出统一数值。冰体承载能力还受到冰型、气泡、裂隙、雪冰层、白冰/黑冰比例、水流、温度历史以及局部缺陷等影响，应由项目管理单位依据现场冰况检测和相应安全管理规范确定。

多层温度剖面设计

对于积雪覆盖冰面，可设计如下典型监测剖面：

雪层和冰层厚度具有季节变化，因此内部传感器具体层位和安装结构应结合项目冰厚范围进行设计。

薄冰重点区域布点设计

岸边浅水区

岸边受太阳辐射、岸坡热量和水位变化影响较大，应设置代表性监测点。

河流/水库入水口

流入水体温度和水流可能降低结冰速度，是局部薄冰重点区域。

出水口和泄水设施附近

水体流动增强区域应重点关注。

地下水泉眼区

地下水温度可能高于冰面环境，容易形成局部异常薄冰。

桥墩和建筑物附近

水流扰动、阴影和结构热交换可能导致冰况不均匀。

深水/浅水过渡区

可设置不同水深监测点比较冰厚形成差异。

人员活动区

景区、冰上通道、巡检路线和固定活动区应设置较密监测网络。

背景参考站

在水流稳定、无明显局部热源的代表性区域设置背景站，用于与危险区域对比。

系统功能设计

雪表非接触测温

全天候连续监测当前真实雪表面温度。

雪层温度剖面

显示不同深度雪层温度和热梯度。

冰层温度剖面

显示冰层不同深度温度。

冰厚连续监测

输出当前冰厚及变化趋势。

冰厚变化率

自动识别持续增厚、稳定和减薄过程。

0℃持续时间

统计雪表、界面和冰层关键位置接近融点的持续时间。

过零次数

自动统计冻融循环次数。

快速升温/降温

自动识别短时间明显温度变化。

雪盖隔热分析

综合空气温度、雪深和雪—冰界面温度分析雪层隔热作用。

局部异常检测

比较多个监测点冰厚和温度差异，识别异常薄冰区域。

风险分区

平台可按照监测结果形成正常、关注、危险等项目化区域状态。

现场联动

支持声光报警、广播、LED警示屏和管理系统接口。

历史事件复盘

保存升温、融化、冰厚下降和告警全过程。

硬件组成与配置方案

核心设备参数

雪表红外温度精度除传感器本体外，还受到雪面发射率、测量光斑、观测角度、红外窗口结霜、积雪杂质及周边非雪目标影响，因此项目实施时应进行现场光斑确认和必要的参考温度比对。

软件平台与数据展示

数据分析与智能应用

初冬结冰过程分析

通过空气温度、雪表/冰表温度、冰层温度和冰厚联合记录冰层从初生薄冰向稳定冰层发展的过程。

雪盖隔热效应分析

比较不同雪深条件下冰层增厚速度，分析厚雪覆盖对冰层持续冻结的抑制作用。

春季融冰过程分析

当太阳辐射增强、雪表温度升高、冰层温度整体升高且冰厚开始下降时，可识别进入明显消融阶段。

昼融夜冻分析

利用过零次数和日内温度变化分析白天融化和夜间表层重新冻结过程。

再冻结假象识别

夜间雪表或冰表温度下降并不代表整个冰层重新恢复原始结构强度，因此平台应同时显示冰厚和前期消融历史，避免仅依据表面重新冻结降低风险等级。

局部薄冰识别

比较同一冰面的多个监测点，如果某个区域冰厚明显小于背景站，并伴随较高冰下水温或持续减薄，可形成局部异常点。

水下热源识别

通过水温、冰厚和邻站对比，辅助发现泉眼、入水口及水流活动对底部融冰的影响。

辐射融冰分析

将短波辐射、长波辐射和雪表温度统一分析，可研究晴天强太阳辐射导致的冰雪表面升温过程。

冰季完整事件链

长期运行可形成：

初始结冰 → 冰厚增长 → 积雪覆盖 → 冻结减缓 → 暖期升温 → 表面融化 → 冰层减薄 → 再冻结 → 春季快速退冰

的完整冰季数据集。

预警机制与决策支撑

薄冰危险预警建议采用冰厚为关键直接指标，温度、冰厚变化率、水温和天气条件作为综合风险修正因素。

对于人员开放区域，系统告警不能替代现场安全检查。发现异常薄冰、快速减薄或监测设备失效时，应按照管理单位既有安全制度采取限制进入、人工复核或区域关闭措施。

项目实施方案

第一阶段：冰域调查

调查水域面积、水深、入水口、出水口、泉眼、桥墩、水流、人员活动区及历年结冰消融资料。

第二阶段：危险区域识别

重点标记可能形成局部薄冰的位置，以及人员巡检和游客活动路线。

第三阶段：多站布点设计

采用危险点 + 代表点 + 背景参考点组合布设。

第四阶段：雪表红外站建设

根据最大雪深和红外探头D:S或视场角确定安装高度和光斑。

第五阶段：雪层温度链建设

在代表性积雪区设置多层温度节点。

第六阶段：冰层监测建设

安装冰层温度、冰厚和冰下水温监测设备。

第七阶段：气象系统建设

配置空气温湿度、风速风向、降水以及项目需要的短波/长波辐射。

第八阶段：现场警告建设

人员活动区域根据风险管理要求设置警示屏、声光报警或广播。

第九阶段：数据基线建立

记录一个完整冻结发展过程，建立不同站点正常冰厚和温度背景。

第十阶段：风险模型调试

根据现场人工冰厚检查、钻孔或其他参考数据调整冰厚和温度组合判据。

第十一阶段：平台联调

建立站点位置、冰厚、温度剖面、气象、视频和现场告警设施之间的数据关系。

第十二阶段：冰季运行

对整个冻结—稳定—融化周期进行连续监测，并根据现场结果持续优化风险规则。

安装部署要求

• 红外探头采用独立横臂垂直或小角度向下观测雪面。
• 红外测量光斑内不得长期混入岩石、植被、支架等非雪目标。
• 探头安装高度应按最大雪深和视场角计算。
• 红外窗口应采用防雪、防结霜结构。
• 结霜严重区域可采用低功率除霜，但不得明显改变目标雪面温度。
• 雪温传感器应准确记录绝对高度。
• 冰层测点位置应建立永久空间坐标。
• 冰厚设备的安装不得人为破坏关键人员活动区冰层。
• 水下传感器线缆应避免水流拖拽。
• 重点人员区域应设置多个监测点，不能仅采用单点代表整个冰域。
• 太阳能和采集主机应考虑最大积雪高度和低温电池性能。
• 现场所有人员安全决策应同时参考冰厚直接监测结果。

运维服务保障

红外窗口维护

定期检查结霜、积雪、污染和遮挡。

现场温度比对

科研或重点安全项目可定期采用参考温度设备进行比对。

冰厚复核

根据项目安全制度定期采用独立方法对自动冰厚设备进行现场核验。

温度链检查

检查雪层和冰层温度节点是否移位、损坏或脱离目标介质。

水下设备检查

检查冰下水温、水流设备和线缆状态。

供电维护

持续检查太阳能、电池电压及低温容量。

通信维护

弱网络区域保证本地数据持续保存，并验证断网续传。

风险规则复核

每个冰季结束后根据实际冰况、现场封控记录和监测数据调整下一年度风险判据。

项目优势与方案价值

表面与内部同步监测

将红外雪表温度与雪层内部温度结合，避免只看到单个温度点。

从雪层延伸到冰层

进一步监测雪—冰界面、冰层内部和冰—水界面，形成完整垂向热状态。

温度与冰厚分工明确

温度负责描述冻结和融化趋势，冰厚负责直接描述冰层几何厚度，两类数据相互补充。

识别雪盖隔热效应

可以解释为什么厚雪覆盖时，即使空气很冷，冰层增长仍可能较慢。

识别局部薄冰

多点组网能够发现单一平均值难以反映的空间异常。

连续记录冻融全过程

自动记录0℃持续时间、过零次数、升降温速率和冰厚变化。

适合高寒长期无人值守

支持太阳能、远程通信、本地缓存和低温工程结构。

支持人员安全联动

能够与声光报警、警示屏、视频和区域管理系统连接。

应用场景

效益分析

标准规范与技术依据

本系统涉及红外辐射测温、自动气象观测、户外设备防护和冰冻圈监测。温度相关标准主要用于测量链路和设备设计参考，薄冰人员安全管理还应结合项目所在地实际水域管理制度和现场冰况检测要求。

成功案例

当前资料未提供可公开核验的SIYB®“雪层+雪表温度+冰厚”薄冰危险综合在线监测实际交付项目，因此不虚构真实客户、项目地点和运行数据。以下作为典型工程配置模板。

参考文献

1. JJG 856《工作用辐射温度计检定规程》。
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。
7. WMO-No.8 Volume II: Measurement of Cryospheric Variables / Snow。
8. 热红外辐射测温、雪表面能量平衡、雪层热传导和冰冻圈观测相关公开技术资料。
9. 湖冰、河冰、冰层热力过程、冰厚变化及冰—水热交换相关研究资料。

本方案属于雪层和表面温度测量薄冰危险综合在线监测的前期技术设计方案。正式项目中的监测点数量、雪温层位、冰层温度层位、冰厚设备形式、风险分区、现场告警设施、通信方式和供电方案，应依据具体水体类型、水深、水流、历史冰况、人员活动范围和现场安全管理要求确定。

特别说明：S-CG-SST01及雪层温度系统主要提供冰雪热状态、冻融趋势和能量变化信息，不能单独证明冰面具有人员或车辆承载安全性。涉及人员进入冰面的项目，应把冰厚直接监测作为核心数据，并结合冰型、裂隙、局部水流、入水口、泉眼、历史融化过程以及现场人工检查进行综合判定。

对于真正面向人员避险的项目，推荐最终形成“雪表温度 + 雪层温度 + 雪—冰界面温度 + 冰层温度 + 冰厚 + 冰下水温 + 气象 + 视频 + 声光警告”的完整技术体系，使系统从单纯的温度观测升级为可用于冰面风险管理的综合在线监测系统。