SPA雪特性分析系统

系统功能

Sommer公司研发的积雪分析系统（Snow Pack Analysing System，SPA）是一个**性的雪水特征监测系统，它可以对雪水当量、雪密度、雪深度以及雪中冰和水含量进行连续监测。SPA系统由SPA传感器（或称作SWS，Snow water senser雪水传感器）、阻抗分析盒以及雪深传感器组成。

工作原理

雪深

测量传感器的原理，是在传感器和雪表面之间，通过超声波的传输时间计算雪深。温度对测量产生的影响，通过自动温度补偿解决。

SPA适合长期原位观测，对安装场地要求会比较苛刻。传感器形状是扁平形并呈线状，通过测量雪层中的冰、水、空气三者的介电常数，来得出雪水当量、平均雪密度还有液态水含量。理论依据是雪、水、空气的介电常数在高频（10KHZ或更高）下是不同的。

介电常数测量

雪的组成有三个部分，包括冰、水和空气。不同的成分会产生不同的测量影响，这些不同的物质有不同的介电常数。采用一个平坦的带状传感器（SPA 传感器），并且使用至少两个波段，消除由于单独物质带来的影响。

液态水含量、冰含量、雪密度，以及雪水当量

在积雪中，比容相当于液态水和冰的含量。通过这些信息，我们可以计算出雪的密度。综合雪密度和雪深，我们可以定义出雪水当量。

系统配置

单个SPA传感器测量

这个方案里只含单个SPA传感器。主杆用来固定机箱（数据采集器）、雪深、SPA系统的阻抗分析盒等，然后传感器拉伸杆安装于主杆周围。传感器长度是5米，雪深固定在主杆的横臂上，与SPA传感器结合观测。此系统可以测得

l 雪深

l 雪水当量

l 平均降雪密度

l 平均液态水含量

四个SPA传感器测量

这个方案是在上面单个传感器版本的基础上增加了三个SPA传感器。水平安装的两根传感器是用来测量不同深度下的雪密度和雪水当量，那么也就可以得出雪的密度廓线；坡式安装的两个传感器可以测量更大的面积，从而使得观测有更好的代表性。所以这个版本的系统可以测量以下要素：

1. 雪深

2. 平均降雪密度

3. 雪密度廓线

4. 雪水当量

5. 平均液态水含量

6. 液态水含量廓线

SPA可以连续监测积雪层中的液态水含量，这是一项很*的功能。在融雪（冰）期，比如春天，当液态水从雪中溢出或者快要溢出的时候，SPA可以监测到这种状态，并给予这种临界状态的预警，从而对雪崩、冰融、洪涝等灾害提供良好的预报依据。另外在一些水电公司，以及政府防汛防洪部门，需要对水资源进行严密的监控，对水的收集，以及对融雪水量大小的预计都非常的重要。通过这些测量反馈，可以预防洪水。在农业领域和采矿领域，可以消除由于融雪产生的水渗透至土壤或地下所产生的影响。

积雪里面的液态水含量，以及融雪水含量，饱和度都是可以被估算出来。现在，我们可以通过SPA系统测量出这些参数。因此，系统可以为水文设计提供非常重要的更新信息。此外，这些信息对于融雪模型也是非常重要的，参比一些远程遥测数据。SPA可以在地面进行控制，完成标定。雪密度和雪中液态水含量对于处于湿状态的雪容易产生的雪崩风险评估来讲，都是非常重要的参数，SPA可以帮助改善测量单位的数据质量和密度，因此，系统可以增加生活在高山地区的人群和错落的安全。

无冰层影响

在积雪中，雪枕通常情况下会由于冰层产生一些问题。这种现象是由于该区域的的雪的融合和冰冻反复发生产生的冰层引起的，这样就会对测量结果产生一定的影响，SPA系统不会由于冰层而产生这样的影响。

SPA系统*大可以安装四个SPA传感器，具体安装的数量根据用户的需要而定。传感器可以有一定的倾斜度，或者与积雪场保持水平。这几种不同可能的安装方式可以优化需求信息，有以下三种安装方式：

1：综合安装方式

这种安装方式是一个倾斜的SPA传感器和一个水平的SPA传感器。雪的密度，雪水当量，以及冰和液态水含量构成了完整的雪中物质含量，可通过倾斜的传感器进行测量，水平的传感器可以提供附加的测量信息，比如雪与地面的紧密程度。

2：剖面安装方式

SPA传感器的被安装至水平位置，这样可以增加测量雪的剖面密度和液态水含量。通过这种方法，可以测量出可能存在的正在运动的融雪水状况，并且可以产生一个雪密度廓线。

3：面积安装方式

多个SPA传感器可以安装成星状，传感器的测量值可以进行平均，从而提供一个立体范围状况，而且还可以标定远程遥测数据。

系统组成

技术参数

数据展示

参考文献

1. 张伟，沈永平，贺建桥，贺斌，努尔兰·哈再孜，雪娇，王国亚. "阿尔泰山融雪期不同下垫面积雪特性观测与分析研究." 《冰川冻土》 2014年03期

2. 张波;刘志辉;王慧;房世峰;;融雪期融雪水下渗分析及下渗率模拟研究[J];安徽农业科学;2013年24期

3. 田华;杨晓丹;张国平;赵琳娜;;2009年3月中旬新疆融雪型洪水气象成因分析[A];中国水利学会2010学术年会论文集（上册）[C];2010年

4. Choi G, Robinson D, Kang S.Changing northern hemisphere snow seasons[J]. Journal of Climate, 2010, 23(19): 5 305-5 310.

5. [王建, 李硕. 气候变化对中国内陆干旱区山区融雪径流的影响[J]. 中国科学: D 辑, 2005, 35(7): 664-670.]