冬奥将至看仪器如何揭示雪的“奥秘”

  雪的测试涉及参数众多,包括雪状、雪硬度、雪密度、雪深度、降雪量、雪压、穿透阻力、粒径、粘滞系数、移雪量、雪通量、雪浓度、雪晶浓度、雪面温度、雪水当量、雪中含水量和含冰量等。

  在冬奥会所有比赛项目中,雪上项目约占70%。跳台滑雪、高山滑雪等都极具速度和技巧,雪特性及气候平均状态随时间的变化对运动员的影响很大。作为冬奥雪上项目主场,张家口属于温带大陆性季风气候,早晚温差大、风大,白天气温温差大,雪会融化,到了晚上,雪温、空气相对湿度变化,雪的硬度也会发生明显的变化。工作人员要及时监测赛场雪况,给运动员更好的比赛条件。

  雪的测试涉及参数众多,包括雪状、雪硬度、雪密度、雪深度、降雪量、雪压、穿透阻力、粒径、粘滞系数、移雪量、雪通量、雪浓度、雪晶浓度、雪面温度、雪水当量、雪中含水量和含冰量等。那么如何通过仪器揭示雪的“奥秘”呢?小编特整理了一些与“雪”有关的仪器,以供参考。

  贯入仪亦称穿透计,是一种测定土壤穿透阻力的仪器。而积雪贯入仪是一种测定积雪穿透阻力的仪器,可拿来表征雪硬度。

  随着南极科考事业的蓬勃发展以及北京和张家口共同获得2022年冬季奥林匹克运动会的举办权,冬奥会滑雪场和相关配套基础设施的建设工作也一直广受各界的关注。因此,南极机场跑道和滑雪场跑道等冰雪工程建设的发展,对于我国南极科考事业的发展和2022年北京冬季奥运会的顺利举办具备极其重大的战略意义。其中,压实积雪跑道的硬度测量所涉及的测试技术的发展和相关贯入仪的研发是要解决的首要技术问题。

  贯入仪是一种具有广泛应用前景的仪器,还可以在其上安装许多额外的传感器,从而能够在一次测试中获得大量信息,包括力学、微观结构、视觉、雪崩等。

  高山滑雪比赛项目中,运动员最高时速可达到 248km/h,对雪道硬度有苛刻要求。雪道表面一定要保持结晶状态,近似于冰面,被称为冰状雪。冰状雪不是单纯让雪结冰,而是雪质硬化的过程,需要 精耕细作 。

  如何评价“冰状雪”赛道质量?中国科学院南京天文光学技术研究所南极团队,参与承担了科技部“科技冬奥”重点专项中关于冰状雪赛道质量检验的专用仪器的研制工作,与中国气象科学研究院合作研发了冰雪粒径检测仪和雪硬度计,助运动员乘风破浪,为北京 2022 年冬奥会保驾护航。

  奥运气象保障要求气象数据获取达到“秒级、分钟级”,通过气象数据信息了解区域内气象要素实时变化,为组委会和运动员提供实时气象信息。针对冬奥会场地特殊的气象监测需要,航天新气象公司组织技术攻关小组,研究冬奥会雪务观测需求,设计了一款实时为赛事场地的短临预报服务提供数据支撑的雪温雪状观测仪。

  这款仪器能自动识别粉状雪、壳状雪、冰状雪、浆状雪四种雪状,并探测雪地实时温度。它支持蓝牙和4G通信,实时定位,在线地图回看坐标数据,可随时随地进行探测,一键生成数据报文、抓取图像,满足赛场精细化观测需求。这也是冬奥会官方指定的一款测雪气象装备。

  融雪型雨雪量计是利用加热、不冻液等方式将固态降水(雪、雨夹雪)融化为液态后,进行雨雪量自动测量的仪器。融雪型雨雪量计由融雪装置、雨量传感器、记录器三部分所组成,其中记录器可置于室内。

  国际上很成熟的融雪型雨雪量计主要有三种,包括电加热式、不冻液式和燃气加热式。这三种雨雪量计均采用翻斗式雨量传感器。近几年我国也研制成几种融雪型雨雪量计,大多数为不冻液式。

  雪水当量是指当积雪完全融化后,所得到的水形成水层的垂直深度。一种雪水当量仪的测量原理是基于雪层所引起的流体静压强(静力压),即:雪层对充满水袋内液体(水和乙二醇以1比1比例混合,有防冻作用)的压力转换为水袋内液体对传感器的压力,传感器内的液体上升,上升的液体对传感器产生一个压力,然后转换为电压模拟量输出到数据采集器,数据采集器采集信号并运算,最后得到雪水当量。同时测得的雪深,并利用“雪水当量=积雪平均密度*积雪深度”的计算公示即可得出积雪密度。

  风吹雪,由气流挟带起分散的雪粒在近地面运行的多相流,又称风雪流,简称吹雪。它是一种较为复杂的特殊流体,有较大的危害性。起动风速和雪的输送是风吹雪的主要形成过程。前者是指使雪粒起动运行的临界风速,它的大小既和雪的密度、粒径、粘滞系数等有关,又与太阳辐射、气温、地面粗糙度等外界条件相关。 “风吹雪”现象常发生在雪停之后,通常会出现在晴朗天气。

  风吹雪粒子监测系统利用可见激光,发射端和接收端之间产生直径非常小的光斑,在发射和接收器之间的光束衰减或阻断来识别雪粒和雪片。其可用来测量风吹雪粒子的通量、环境的温湿度及风力的大小,是测量暴风雪的高精度传感器,主要是测量风雪(暴风雪)的颗粒,风从地面被风吹起雪沙粒的大小的专业产品,可应用于雪通量的理论模型研究、雪崩预警、常规冰雪特性研究等领域。

  除以上仪器外,雪测量仪器还包括称雪器、积雪重量级、雪量计、移雪量测试仪等。