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僅僅五六年的時(shí)間，一批研究冰川和凍土的中國(guó)科學(xué)家成為冬奧會(huì)雪務(wù)保障專(zhuān)家。

他們研發(fā)了經(jīng)濟(jì)高效的儲(chǔ)雪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冬奧會(huì)“用雪自由”;成功造出“冰狀雪”賽道，為高山滑雪提供國(guó)產(chǎn)“高速公路”;建立雪質(zhì)模擬預(yù)報(bào)模型，賽道雪質(zhì)變化第一次有了科學(xué)依據(jù)……

中國(guó)科學(xué)院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、北京冬奧會(huì)賽事用雪保障關(guān)鍵技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)骨干成員王飛騰研究員在接受南方日?qǐng)?bào)記者專(zhuān)訪時(shí)說(shuō)，“通過(guò)冬奧會(huì)，我們掌握了一整套雪務(wù)保障技術(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)研究的空白。”

更重要的是，冬奧會(huì)的雪務(wù)研究，給這些從事冰凍圈基礎(chǔ)研究的科學(xué)家提供了走向應(yīng)用研究的契機(jī)。

挑戰(zhàn)

雪務(wù)保障“從零開(kāi)始”

2015年夏天，北京申辦冬奧會(huì)成功。當(dāng)年冬天，中科院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室名譽(yù)主任秦大河院士帶領(lǐng)幾個(gè)年輕人到張家口的崇禮萬(wàn)龍滑雪場(chǎng)做雪質(zhì)觀測(cè)。

當(dāng)時(shí)的中國(guó)沒(méi)有一條合格的“冰狀雪”賽道，這種高山滑雪專(zhuān)用的“高速公路”如何鋪設(shè)，技術(shù)掌握在外國(guó)人手中。

“2015年之前，國(guó)內(nèi)在雪務(wù)保障關(guān)鍵技術(shù)的研究方面十分薄弱，可以說(shuō)是沒(méi)有一篇論文。”王飛騰感慨道，“就連我們這些長(zhǎng)期從事冰川研究和保護(hù)的科技工作者，對(duì)‘冰狀雪’等很多概念也很陌生。”

雪務(wù)保障，成為舉辦冬奧會(huì)必須突破的挑戰(zhàn)。

2017年，在秦大河的帶領(lǐng)下，我國(guó)正式組建北京冬奧會(huì)賽事用雪保障關(guān)鍵技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)(下稱(chēng)“雪務(wù)保障團(tuán)隊(duì)”)。中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院、北京師范大學(xué)、中國(guó)氣象科學(xué)研究院、哈爾濱體育學(xué)院、河北省氣候中心等科研院校和相關(guān)企業(yè)參與其中。

“雪務(wù)保障工作是歷屆冬奧會(huì)最核心的工作。”王飛騰說(shuō)。

教訓(xùn)比比皆是：2010年溫哥華冬奧會(huì)遭遇暖冬，降雪量銳減，雪務(wù)保障短板使得比賽問(wèn)題連連。當(dāng)年1月平均氣溫較往年偏高3攝氏度，臨近比賽時(shí)，組委會(huì)不得不動(dòng)用多種大型設(shè)備遠(yuǎn)距離調(diào)雪，然而“遠(yuǎn)雪難解近渴”，高山滑雪賽事5次改期，速度滑冰、單板滑雪等9次推遲。緊接冬奧會(huì)的冬殘奧會(huì)更是全部日程重排，沒(méi)有一個(gè)項(xiàng)目按原定計(jì)劃舉辦。

2014年索契冬奧會(huì)，吸取溫哥華教訓(xùn)，提前制定雪務(wù)保障計(jì)劃，提前一年儲(chǔ)存45萬(wàn)立方米積雪，確保了賽事所需雪資源。但仍然有2次改期，8次推遲，5次提前。

王飛騰告訴記者，北京和張家口屬于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，溫差大、少雪;冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)比賽時(shí)間又在氣溫回暖的2—3月，雪道可能融化，造雪機(jī)工作難度大;同時(shí)，高溫和降雨等極端天氣概率增加，賽道雪質(zhì)需要一整套的保障方案。

特別是，包括人工造雪、“冰狀雪”賽道制作、儲(chǔ)雪方案等雪務(wù)保障的核心技術(shù)均被國(guó)外壟斷，而且還面臨技術(shù)封鎖，無(wú)法拿到賽道雪的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

“此外，受雪務(wù)保障技術(shù)制約，我國(guó)教練團(tuán)隊(duì)難以及時(shí)掌握雪道關(guān)鍵參數(shù)，主要憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，技戰(zhàn)術(shù)水平科技含量低，影響比賽成績(jī)。”王飛騰說(shuō)，雪上項(xiàng)目是北京冬奧會(huì)的“重頭戲”，占金牌總數(shù)的70%，關(guān)系重大。

為此，從2017年開(kāi)始，雪務(wù)保障團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了新的挑戰(zhàn)。而對(duì)于王飛騰來(lái)說(shuō)，這意味著他的科研方向由冰川，部分轉(zhuǎn)向到冬奧雪場(chǎng)。

突破

成百上千次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

王飛騰介紹，世界上90%的滑雪場(chǎng)都使用人工造雪;特別是在冬奧會(huì)的高山滑雪項(xiàng)目里，幾乎全部要依賴(lài)人工造雪。

高山滑雪的回轉(zhuǎn)、大回轉(zhuǎn)、跳臺(tái)加速等競(jìng)技滑雪場(chǎng)地，需要“冰狀雪”賽道。

王飛騰介紹，“冰狀雪”的表面保持結(jié)晶狀態(tài)，能夠減少摩擦力，是高山滑雪的“高速公路”。“運(yùn)動(dòng)員速度非?？欤瑫r(shí)速可以達(dá)到120至130千米。所以要求雪比較硬，但如果過(guò)硬也會(huì)帶來(lái)安全隱患。”

合適的密度是0.65克/立方厘米。而造雪機(jī)造出來(lái)的雪密度通常為0.4克/立方厘米，這就需要對(duì)雪層進(jìn)行注水。但怎么注水，誰(shuí)也不清楚。

為此，中國(guó)氣象科學(xué)研究院牽頭，在張家口云頂滑雪場(chǎng)、黑龍江亞布力滑雪場(chǎng)和國(guó)家高山滑雪中心開(kāi)展了大量的“冰狀雪”制作試驗(yàn)，并開(kāi)展不同氣候條件下，不同注水技術(shù)與壓實(shí)方法的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和定量分析。

在成百上千次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，雪務(wù)保障團(tuán)隊(duì)獲得了一組又一組數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比，確定了最適合當(dāng)?shù)氐?ldquo;冰狀雪”制作方案。

測(cè)試結(jié)果顯示，國(guó)產(chǎn)“冰狀雪”符合國(guó)際雪聯(lián)的要求。它鋪設(shè)在賽道上，運(yùn)動(dòng)員在高速轉(zhuǎn)彎情況下也能保證雪道表面平整光滑。參賽選手不論第幾個(gè)出場(chǎng)，雪道都處于相對(duì)完美狀態(tài)，確保了比賽的公平性。

此外，雪務(wù)保障團(tuán)隊(duì)還同國(guó)內(nèi)企業(yè)合作，設(shè)計(jì)出“人工造雪系統(tǒng)智能控制模塊”，確保比賽無(wú)論何時(shí)出現(xiàn)需求，智能控制模塊都能夠立即調(diào)動(dòng)資源生產(chǎn)出“冰狀雪”。

“這種智能控制模塊，與國(guó)內(nèi)滑雪場(chǎng)常用供水系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)是兼容的。這意味著，我們研究的‘冰狀雪’技術(shù)不僅能服務(wù)于冬奧，也能為國(guó)內(nèi)冰雪運(yùn)動(dòng)提供長(zhǎng)期支持。”王飛騰說(shuō)。

團(tuán)隊(duì)成員還發(fā)現(xiàn)，采用國(guó)內(nèi)技術(shù)生產(chǎn)的“冰狀雪”，較使用國(guó)外常規(guī)技術(shù)的運(yùn)行成本還要低10%以上。

“國(guó)外的人工造雪技術(shù)壟斷，主要依靠企業(yè)多年來(lái)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)累積。而我們是建立在大量的研究和測(cè)試工作上，研究出一套雪務(wù)保障的科學(xué)體系。”王飛騰認(rèn)為，雪務(wù)保障團(tuán)隊(duì)在技術(shù)研發(fā)和降低成本上堅(jiān)持精益求精的態(tài)度，是研究能夠獲得成果的關(guān)鍵，這也符合北京冬奧組委會(huì)“低碳辦奧”的理念。

吸取歷屆冬奧會(huì)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、規(guī)避用雪風(fēng)險(xiǎn)，冬奧會(huì)需要提前儲(chǔ)雪。這也是雪務(wù)團(tuán)隊(duì)攻關(guān)的重點(diǎn)。

儲(chǔ)雪原理很簡(jiǎn)單，就是給雪堆蓋“被子”，把太陽(yáng)輻射能量反射出去。但“被子”選擇什么材料，需要大量測(cè)試。根據(jù)不同的氣象條件，結(jié)合太陽(yáng)光照射率等參數(shù)，最終，團(tuán)隊(duì)選用了土工織布加聚氨酯泡沫材料，在經(jīng)濟(jì)型和實(shí)用性上取得較好的效果。

同時(shí)，雪堆堆成什么形狀利于儲(chǔ)雪，團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了研究，最后開(kāi)發(fā)出儲(chǔ)雪堆智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，能夠結(jié)合外界條件給出具體應(yīng)對(duì)方案。

利用這些技術(shù)，團(tuán)隊(duì)在延慶石京龍滑雪場(chǎng)參與儲(chǔ)雪試驗(yàn)。2017年，經(jīng)過(guò)一個(gè)夏季的“考驗(yàn)”，60%左右的雪被成功儲(chǔ)存。由雪務(wù)保障團(tuán)隊(duì)打造的儲(chǔ)雪方案，也已在國(guó)內(nèi)多個(gè)滑雪場(chǎng)進(jìn)行了技術(shù)示范。2021年5月在新疆阿勒泰市舉辦的國(guó)際滑雪積分系列賽，正是應(yīng)用了這一儲(chǔ)雪技術(shù)，使得國(guó)內(nèi)首次在0℃以上溫度條件下成功舉辦國(guó)際專(zhuān)業(yè)滑雪賽事。

儲(chǔ)雪技術(shù)自主研發(fā)成功后，北京冬奧組委會(huì)才有底氣放棄昂貴的國(guó)外方案。

應(yīng)用

成果“反哺”冰川研究

2月13日，原定于當(dāng)日10時(shí)和11時(shí)進(jìn)行的北京冬奧會(huì)自由式滑雪女子坡面障礙技巧資格賽第1輪和第2輪比賽因遭遇大雪，比賽被迫延期。

雪上項(xiàng)目對(duì)氣象條件有特殊的要求，氣溫高于5℃或低于-20℃、強(qiáng)風(fēng)、過(guò)高相對(duì)濕度和過(guò)大降雪等惡劣天氣，會(huì)導(dǎo)致比賽延期甚至取消。近幾日，王飛騰等雪務(wù)保障團(tuán)隊(duì)成員都在北京冬奧會(huì)張家口賽區(qū)忙前忙后。

雪務(wù)保障團(tuán)隊(duì)在本屆冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目主要的舉辦地——云頂滑雪公園，建立了雪場(chǎng)雪質(zhì)綜合觀測(cè)體系。通過(guò)賽道雪質(zhì)等級(jí)判別模型、氣象場(chǎng)降尺度技術(shù)和雪質(zhì)演變模型，團(tuán)隊(duì)能夠根據(jù)賽區(qū)內(nèi)設(shè)置的自動(dòng)氣象站等觀測(cè)設(shè)備收集數(shù)據(jù)，模擬和預(yù)測(cè)雪質(zhì)因氣候和人為因素影響出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。

“除了風(fēng)力、氣溫等因素外，人為因素也會(huì)對(duì)雪質(zhì)產(chǎn)生影響。人工造雪倒在賽道上，需要壓雪車(chē)等設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步加工。壓雪車(chē)需要壓幾趟、壓多長(zhǎng)時(shí)間，模型都能給出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。”王飛騰表示，“這一技術(shù)在國(guó)際上是首創(chuàng)的。”

在冬奧組委會(huì)場(chǎng)地運(yùn)行團(tuán)隊(duì)和雪務(wù)公關(guān)團(tuán)隊(duì)的共同努力下，本屆冬奧會(huì)滑雪賽道的雪況獲得了國(guó)際雪聯(lián)和各國(guó)運(yùn)動(dòng)員的稱(chēng)贊。國(guó)際雪聯(lián)高山滑雪委員會(huì)主席伯恩哈德·魯西日前表示，賽道雪況很好，“甚至可以說(shuō)沒(méi)有辦法更好了來(lái)形容”;2月8日衛(wèi)冕高山滑雪男子超級(jí)大回轉(zhuǎn)比賽的奧地利名將邁爾日前也表示，雪道質(zhì)量“非常優(yōu)秀”，能夠在本屆冬奧會(huì)上獲得獎(jiǎng)牌“是我職業(yè)生涯的重大一步”。

“2017年期間，國(guó)內(nèi)幾乎沒(méi)有一條能夠符合國(guó)際滑雪比賽要求的賽道。如今，國(guó)內(nèi)雪務(wù)保障關(guān)鍵技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)零的突破，近年來(lái)還培養(yǎng)了多名掌握相關(guān)技術(shù)的碩士和博士，在期刊上發(fā)表了多篇文章，獲得了多項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)利。”王飛騰感慨。

王飛騰還告訴記者，雪務(wù)保障團(tuán)隊(duì)的多項(xiàng)技術(shù)突破，不僅能夠?qū)ξ覈?guó)冰雪運(yùn)動(dòng)的發(fā)展提供有效支持，還能夠“反哺”團(tuán)隊(duì)成員的專(zhuān)業(yè)研究。

2020年和2021年夏季，由王飛騰帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)將本屆冬奧會(huì)期間采用的儲(chǔ)雪技術(shù)，應(yīng)用到四川達(dá)古冰川的保護(hù)工作中。

科研團(tuán)隊(duì)在500平方米的試驗(yàn)區(qū)冰面上蓋上一層“被子”，有效阻擋太陽(yáng)輻射和冰面的熱交換，達(dá)到阻擋冰川消融的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在2個(gè)月時(shí)間內(nèi)，“蓋被子”的地方較附近冰面的厚度高出1.2米左右。(記者泠汐王詩(shī)堃 實(shí)習(xí)生鄭濤)