雪水当量测量仪

高山滑雪最高时速达248km/h，滑雪赛道也需要“塑胶跑道”“更快，更高，更强”是奥林匹克的口号，充分反映了奥林匹克运动所倡导的不断进取、永不满足的奋斗精神。奥运会纪录的频频打破，不但有运动员的刻苦训练，教练员的辛勤指导，科技尤其是对于运动场地的科技提升也扮演了重要的角色。就拿大家熟悉的田径运动场而言，最初的跑道是煤渣跑道（相信很多70后、80后的老伙伴们都跑过吧），后来改成了人工合成的塑胶跑道，与煤渣跑道相比，其弹性好，吸震能力好，为运动员的发挥和成绩的提高提供了物质基础。在1968年的墨西哥奥运会上，在首次使用的塑胶跑道赛场上创造了诸多的奥林匹克纪录。2022年中国北京即将举行冬季奥林匹克运动会，中国提出了“科技冬奥”的概念，中国冰雪运动必须走科技创新之路。高山滑雪比赛是冬季奥运会的重要组成部分，被誉为“冬奥会皇冠上的明珠“。高山滑雪的观赏性强，危险性大，比赛时运动员最高时速可达到248km/h。高山滑雪比赛均采用冰状雪赛道。什么是冰状雪？所谓冰状雪，是指滑雪场的雪质形态，其表面有一层薄的硬冰壳，用于减小赛道表面对于滑雪板的摩擦力。可以说冰状雪赛道就是高山滑雪项目的塑胶跑道，其制作的质量对提高运动员的成绩及滑雪的舒适感，保护运动员的身体，延长运动寿命有着十分重要的作用。看似简单的冰状雪赛道，制作起来却大有讲究。冰状雪的制作过程十分复杂，目前采用的是向雪地内部注水的方案。但是注水的强度和注水的时间把握需要根据不同的赛道地点以及当时注水时的气温进行相应的调节，以保证冰状雪赛道既有一定的强度，又有足够的弹性，使得运动员能够在高速的高山滑雪比赛中舒畅的进行滑降、回转等比赛项目。与田径场塑胶跑道不同的是，每次比赛每一个运动员在进行高山滑雪比赛时，由于技术动作的需要，都或多或少的会对冰状雪的赛道产生一定损伤，为了保证比赛的公平性，前后出发的滑雪运动员的赛道雪质状态需要保证一致，因此冰状雪赛道还需要有一定的厚度以及均匀性。研制新型冰状雪测量仪器，保障赛道质量既然冰状雪赛道有如此多的要求，那么过去是如何判断冰状雪赛道的雪质的呢?主要是采用人工判断的方法，即找一些有经验的裁判员用探针安装在电钻上进行触探工作，通过触探工作反馈的手感判断冰状雪赛道的建造质量。这种带有一定“盲盒”性质的判断工作往往会显得很不透明，也不利于这项运动的推广。助力2022北京冬奥会，依托科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项2020的“不同气候条件下冰状雪赛道制作关键技术”项目，中国科学院南京天文光学技术研究所南极团队和中国气象科学研究院共同合作研发了用于判断冰状雪赛道质量的冰雪粒径测量仪和冰雪硬度测量仪，其目的在于将冰状雪质量的人工主观判断，变成清晰可见的客观物理数据，通过对这些物理数据的科学分析，结合有经验的运动员的滑雪体验，掌握不同地点，不同天气条件下冰状雪赛道的制作方法。主要有如下两种仪器：冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪。积雪颗粒的形状及大小是影响雪的力学性质的主要因素，不同大小雪粒之间在自然状态下空隙不断变小，雪中含有的空气降低，使得雪粒间的化学键合力增强，从而影响雪的硬度。那么如何测量积雪的颗粒呢，科研人员采用漫散射原理：近红外光经过粗糙的表面会被无规律的向各个方向反射，会造成光强度减弱，光减弱的大小跟表面的粗糙相关，而积雪表面的粗糙程度是由粒径决定的。通过测量光减弱的比例间接的测量出冰雪的颗粒大小。冰雪粒径自动测量仪测量注水雪样雪的硬度测试是反映冰雪强度的重要指标之一，冰雪硬度测量仪的原理是通过电机带动滑轨驱动探头打入冰状雪赛道内部，并读取探头受到的反作用力的大小来判断冰雪的硬度条件。该方法的好处是可以做到基本无损的对赛道进行冰雪硬度的测量，不影响赛道的后续使用，并且可以通过读取力和冰状雪深度的曲线了解冰状雪赛道的均匀性。针对高山滑雪的赛场坡度较陡，人工攀爬十分困难，科研人员在仪器的便携性上做了特殊的设计，设计了一款折叠式的硬度测量仪，方便携带，可以从坡顶沿雪道一直测量到坡底，实现了仪器的“就地展开”和“指哪测哪”的功能。冰雪硬度测量仪现场工作照片2020年11月-2021年3月，抓住冬奥会举办前的最后一个冬季的机遇，在冬奥会举办地北京延庆、河北张家口以及黑龙江哈尔滨亚布力冬季体育训练基地对不同气候条件、不同注水强度的冰状雪赛道，使用研制的冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪进行了粒径及冰雪硬度测试，获得了不同深度冰雪粒径的变化图以及不同深度的冰雪硬度的曲线图。冰状雪赛道压强-深度关系图该项目的首席科学家，中科院西北研究院冰冻圈科学国家重点实验室副主任王飞腾研究员认为“雪粒径及硬度计等新型冰雪仪器的研究，将过去以人工经验为主的冰状雪赛道状态判断变为了客观、清晰的科学指标，为冰状雪赛道制作标准的透明化提供了参考依据”。项目攻关团队的带头人，国际冰冻圈科学协会副主席，中国气象科学研究院丁明虎研究员认为“雪粒径和硬度计的设计充分考虑了不同于自然雪的人工造雪的特殊情况，仪器在项目工作中表现优异，性能稳定，可靠性高。”未来将在南极天文台发挥作用冰雪强度、硬度的测量不仅可以应用于滑雪相关的体育运动中，在未来的极地工程建设上也能发挥作用。遥远的南极虽然不是适合人类居住的地方，但是却有着良好的天文观测条件。根据2020年在 Nature 上发表的一篇文章，证明昆仑站所在的冰穹A地区的光学天文观测条件优于已知的其他任何地面台址。这项研究成果确认了昆仑站有珍贵的天文观测台址资源，为我国进一步开展南极天文研究奠定了科学的基础。但是如何在南极地区安装大型望远镜又有很多实际的困难，其中之一就是普通的大型望远镜的基墩都是直接安装在地球的基岩上，这样基墩比较扎实稳固，能保证望远镜在观测时不会因为地基不稳产生晃动，但是冰穹A地区的冰大约有4000m那么厚，相当于1500层楼房那么高，如果再想将望远镜基墩打入基岩显然难以做到。那么大型望远镜如何能够平稳的伫立在南极浮动的冰盖上呢？这就需要科学家们对冰穹A地区的冰雪进行特殊的加固处理，使其能够满足基墩的设计要求。在加固处理完后，我们的雪粒径和硬度测量仪就可以对加固后的冰雪强度进行测量，通过科学的数据检验其是否能够满足南极大型望远镜的需求。

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，雪特性以及气候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。积雪贯入仪贯入仪亦称穿透计，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，可以用来表征雪硬度。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有重要的战略意义。其中，压实积雪跑道的硬度测量所涉及的测试技术的发展以及相关贯入仪的研发是需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，从而可以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。冰雪粒径检测仪和雪硬度计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。雪道表面必须保持结晶状态，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测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。雪温雪状观测仪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。超声波积雪雪深计超声波积雪深度计是利用超声波技术测量积雪深度的仪器。在高于当地最大积雪深度的一根支杆上，装有一个超声波转换器，由其发出的声脉冲经雪面反射后又被它所接收。从测得声脉冲返回的时间就可算出转换器到雪面的距离，而转换器到地面的距离是固定的，故后者减去前者即为积雪深度。激光雪深计激光雪深计在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离，叠加基准面的初始值从而计算出雪深。融雪型雨雪量计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、记录器三部分组成，其中记录器可置于室内。国际上比较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。雪水当量测试仪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。雪面温度监测仪雪面温度测量是地面气象观测重要的一部分，不同于传统的固定位置的温度测量仪器。按照《地面气象观测规范》，雪面温度测量要符合规范要求，当降雪覆盖了温度传感器时，要人工将其拔出，并重新放置，并使得温度传感器一半位于雪中，另一半暴露于空气当中。风吹雪粒子监测系统风吹雪，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。

近日，在重庆市自然科学基金重点项目支持下，重庆融海超声医学工程研究中心有限公司和重庆大学合作，研制出一种全石英光纤法珀干涉型超声水听器。 　　该项目研究了高强度聚焦超声场中的侧向敏感和端部敏感的全石英光纤超声水听器的传感原理，并成功研制出原型样机及测量HIFU声场的仪器系统，实现了HIFU场高分辨率和高声压的测量。　　该项目取得的重大突破，将有利的推动我国HIFU医疗器械产业发展，并为我国高强度聚焦超声(HIFU)技术无创治疗实体肿瘤新方法发展起到了推动作用，也进一步打破了我国在高声压的HIFU声场测量仪器领域严重依赖进口的局面。　　要想精确预测治疗剂量和HIFU生物学效应、以及确保治疗的有效性和安全性，高强度聚焦超声技术需要有高声压的HIFU声场测量仪器的支撑。这也是HIFU医疗器械产业发展的关键所在，随着该项目取得的突破，我国在该领域实现了重要的发展，并将推动相关医疗技术的发展。