科技冬奥里的冰雪奥秘记中科院西北生态

科技冬奥里的冰雪奥秘——记中科院西北生态环境资源研究院雪务保障关键技术攻关团队中科院西北生态环境资源研究院北京冬奥会雪务保障技术攻关团队负责人王飞腾（左三）与队员在北京首钢大跳台合影留念。图片由受访者提供团队成员对赛道储雪堆雪粒径进行观测。团队成员夜以继日在国家跳台滑雪中心开展储雪工作。团队成员在北京延庆国家高山滑雪中心开展冰状雪制作试验。也许你不知道，自然状态下的降雪几乎难以满足冬奥会的赛事要求。北京冬奥会真正的场地用雪，是靠人工造雪来实现的。一支来自甘肃的科研团队，历时近6年，苦心研究、踏雪逐梦，用科技创新为北京冬奥会提供了有力保障。新甘肃·甘肃日报记者苏家英张燕茹冰雪为景，万众欢歌。在北京冬奥会上，冬奥健儿们在赛场旋转、跳跃、滑行，他们奋力拼搏，在冰雪中激扬一起向未来的青春力量，尽显冰雪运动的魅力。为办好这场冰雪盛事，有这样一批科技工作者，他们在六年时间里，攻克了冰状雪赛道制作关键技术，打造出了属于中国人自己的“冰状雪”赛道，从造雪、保雪到储雪，攻克了“雪务保障”难题，保障北京冬奥会实现了“用雪自由”。然而，就在几年前，中国在造雪、保雪和储雪方面的技术还几近空白，甚至无法造出一条合格的“冰状雪”赛道。为攻破技术难关，从年开始，在中国科学院院士、冰冻圈科学国家重点实验室名誉主任秦大河的带领下，中国正式组建北京冬奥会赛事用雪保障关键技术研究团队，中国科学院西北生态环境资源研究院、北京师范大学、中国气象科学研究院、哈尔滨体育学院、云顶滑雪公园等科研院校和相关企业参与其中。中国科学院和科技部也先后启动了与冬奥会相关的重点部署项目、院士咨询项目和国家重点研究项目等，进一步推动雪务科技攻关。近6年时间，这支来自甘肃的科研团队，苦心研究、踏雪逐梦，用科技创新，为北京冬奥会提供了有力保障，同时为实现“三亿人参与冰雪运动”提供了技术支撑，为冰川保护提供了新的解决方案。挑战人工造雪为什么一定要用“人造雪”？“自然雪”不行吗？“在没接触冬奥会科研项目之前，我跟大多数人的想法一样，以为滑雪场的雪主要来自于自然降雪。”中科院西北研究院雪务保障关键技术攻关团队负责人王飞腾坦言。但是，冬奥会用雪，对密度、硬度、含水量等参数有着严格要求。哪怕是同一块场地的不同地段，对雪质的要求也不尽相同。在这种情况下，自然降雪很难满足赛事的雪质要求。“‘人造雪’可控性强，只要温度低于零摄氏度，造雪机就可以正常工作且时间可控，而且适用场景丰富，可以满足不同比赛场地的需求，适合大多数雪上比赛项目。”王飞腾解释，因此，冬奥会比赛的滑雪竞技项目，使用的几乎都是“人造雪”。什么是冰状雪赛道？为什么要制作冰状雪赛道？“尽管我们是长期从事冰川研究和保护的科技工作者，但是包括冰状雪赛道等在内的很多概念，几年前我们才有所耳闻。”王飞腾说。据了解，冰状雪赛道，指的是滑雪场雪质的一种形态，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，相当于高山滑雪、大回转等项目的“高速公路”。高质量的冰状雪赛道对提高运动员的成绩及滑雪的舒适感、保护运动员的身体都有着十分重要的作用。“这种赛道不易受损，保证了比赛中，首个出场的运动员和最后出场的运动员所面对的赛道都是一样的，让比赛更公平、更安全。”王飞腾补充，想要制作出一条属于中国自己的冰状雪赛道、一条高质量的冰状雪赛道，其实困难重重。造雪机造出来的雪密度通常在0.4克每立方厘米以下，而冰状雪密度需要达到0.65克每立方厘米，若大于这个密度雪就会变成冰。冰状雪的制作过程中，需要注水，但是注水的时长、相隔时间以及水压等具体参数，都需要经过反复试验。同时，造出来的冰状雪，也需得适应中国北方干燥、昼夜温差大的气候特征。长期以来，雪务保障核心技术被国外垄断，并对我国进行技术封锁。“国外的技术团队在做雪务工作的时候，不让我们看，甚至连雪场的防护栏都不让我们插，在监测验收雪道质量的时候，只告诉你合格不合格，至于哪些具体参数不合格是不会说的。”王飞腾说。团队成员李慧林告诉记者：“除了技术难题，疫情对我们的工作也造成了很大困扰。我们的研究需要大量野外和雪场试验，而疫情导致很多野外工作无法顺利进行，大大缩减了我们野外实地作业的时间。”面对巨大的压力，雪务保障关键技术攻关团队迎难而上，为攻破技术难题，他们奔波在黑龙江亚布力滑雪场、云顶滑雪公园、国家高山滑雪中心等场地，不断进行冰状雪制作实验。尽管试验地区气温低、寒气重，但王飞腾和团队成员选择奋战一线不退缩，一干就是十几个小时。“在恶劣寒冷的气候环境下，我们紧密团结在一起，铺雪、注水、压实、测量、分析……在成百上千次的不同注水技术与压实方法的现场试验中，我们获得了一组又一组数据，通过对比，最终确定了最适合当地的冰状雪制作方案。”王飞腾至今难忘，首次成功制作出冰状雪赛道时，团队成员欢呼鼓掌的样子。该团队还同国内企业合作，设计出“人工造雪系统智能集成系统”，该系统能够将泵站集成模块、造雪水处理集成模块、造雪管线模块等进行系统集成，能够提高造雪效率，降低雪场运行成本，大幅度降低了对环境的破坏。这是推动国内冰雪运动发展的关键技术，“这种智能模块集成系统，与国内滑雪场常用供水系统和水处理系统是兼容的。这意味着，我们研究的雪务保障关键技术，不仅能服务于冬奥，也能为后冬奥时代我国冰雪产业的发展提供长远的科技支持。”王飞腾说。做好赛道“体检”造雪难题已破，如何进行雪质预测，是王飞腾团队要解决的另一个问题。通俗地讲，雪质预测工作就是能够利用雪冰专业预测模型，结合气象条件，对雪道雪质的变化进行预测。雪质预测工作的一个难点在于山区天气的复杂多变，国内外无成熟的预测模型借鉴之处：举办冬奥会的各城市气候条件不同，即便是有多次冬奥会举办经验的国家，也不能够直接照搬此前相对成熟的技术。对于我国而言，也是难度不小。“我国冰雪研究起步晚，举办国际赛事经验不足，尤其此次举办地北京是大陆性季风气候，昼夜温差大，气象条件不利，在冬春交替期还易出现极端天气。”王飞腾说道，“并且比赛时间又在气温回暖的2月至3月，雪道可能融化……以上种种，对赛道雪质的应急保障方案提出了更高要求。”除了气候影响，滑雪场赛道的阳坡、阴坡之分，也需纳入考虑——天气晴朗、气温较高时，阳坡雪道融化加速，会直接影响雪场赛道的质量和运动员的比赛成绩。因此，历届冬奥会赛场都高度重视雪道状况预测和雪质风险防范。“过去，滑雪场依靠雪上巡视员进行人工观察，一般到了下午两点至四点气温上升时，雪质变差，晚上就要补雪。可以发现，依靠人工不仅费时费力，而且不够精确。”王飞腾介绍，如今，雪务保障关键技术攻关团队在北京冬奥会张家口赛区云顶滑雪公园建立了密集的气象观测网络，结合雪道雪质数据等关键参数，研发了雪质监测和预报技术，成功构建赛道雪质等级判别模型。“以前能预测到公里级分辨率的雪道情况，就很不错了。现在利用新的技术，可以对雪道不同位置的雪质进行提前预测。”王飞腾说。中国气象科学研究院研究员丁明虎介绍，雪务保障关键技术攻关团队，目前不仅掌握了开展不同气候条件下属地化的冰状雪赛道制作技术，而且还研发出了冰雪硬度测量仪和冰雪粒径测量仪等冰状雪赛道的专业监测设备。“值得一提的是，冰雪硬度测量仪和冰雪粒径测量仪等用于检测雪道雪质是否达标、雪粒是否均匀的仪器，在我国首次实现了在冰状雪赛道的监测应用。”丁明虎说。“当我们自己掌握了造雪、保雪技术后，一些国外的技术团队，从一开始对我们进行技术封锁，变成了主动与我们交流、探讨。”王飞腾感到自豪。可以说，雪质监测和预报技术的成功研发，不仅为雪务保障关键技术攻关团队后续工作打下坚实的基础，也让团队更有信心面对后续的挑战。攻关高效储雪真正实现绿色“用雪自由”，离不开高效储雪技术。受气温变化的影响，导致冬奥赛事延迟的教训比比皆是。吸取历届冬奥会经验教训，雪务保障关键技术攻关团队决定研发储雪技术，来防范气温升高导致的用雪风险。他们尝试在冬天气温低时，提前造好雪，并通过技术手段将雪储存起来，以备不时之需。“此前，国内外储雪的研究很少，且涉及不同学科，只能自己不断摸索、多次试验。”团队成员王兴说。在冬奥组委场馆运营团队支持下，雪务保障关键技术攻关团队在延庆石京龙滑雪场开展了储雪试验。年夏季过后，60%左右的雪被成功储存，我国储雪技术取得新的突破。“储雪原理很简单，就是给雪堆盖‘被子’，把太阳辐射能量反射出去。但‘被子’选择什么材料，需要大量测试。”王飞腾解释。储雪涉及的科学问题包括覆盖方案的选择、储雪堆堆形、储雪量确定以及最重要的储雪堆内部雪质变化，王兴介绍，“覆盖方案和储雪堆堆形是关乎储雪损耗的决定性因素，覆盖方案的选择需要综合考虑储雪地的气象条件、绝热保温能力和经济性因素。”他们将自然雪堆放到一起，形成山丘的形状。接着，根据不同的气象条件，结合太阳光照射率等参数，利用“土工布+秸秆”“土工布+锯末”“土工布+泡沫塑料”等不同方式，进行储雪覆盖。反复试验后，该团队最终选取经济性和实用性最好的“土工布+泡沫塑料”方式。该团队打造的储雪方案，陆续在国内多个滑雪场进行了技术示范。其中，有力保障了去年5月，在新疆阿勒泰举办的国际雪联越野滑雪积分系列赛。这是国内首次在零摄氏度以上温度条件下举行的专业比赛，也是越野滑雪国家集训队滑雪健儿们前往北京冬奥会的一把通关“钥匙”。此次储雪方案的成功尝试，也宣告着冬奥会的“提前演练”顺利完成。在气温高达二十多摄氏度情况下，雪道洁白如初，而白色雪道的周边，却满是绿意盎然。“很少有人能想到，原来雪还能储存。”王飞腾表示。目前，雪务保障关键技术攻关团队已在首钢大跳台成功储雪立方米，在国家高山滑雪中心储雪立方米。这也为即将开始的冬残奥会应对气温上升导致的用雪风险提供了保障。“国外的人工造雪技术垄断，主要依靠企业多年来的技术和经验累积。而我们是建立在大量的研究和测试工作上，研究出一套雪务保障的科学体系。”王飞腾认为，雪务保障关键技术攻关团队在技术研发和降低成本上坚持精益求精的态度，是研究能否获得成果的关键，这也符合北京冬奥组委会“低碳办奥”的理念。“目前，我们的技术更倾向于服务冬奥，后续，我们还需要根据后冬奥时代冰雪产业的发展需求，持续进行技术调整，提供更加绿色、环保的技术支撑。”李慧林表示。在冬奥会契机下，雪务保障关键技术攻关团队不但储备了核心技术，还培养了我国第一批雪务方向的研究生、滑雪场技术骨干，也为“后冬奥时代”我国冰雪产业发展添足马力。王飞腾还告诉记者，团队的多项技术突破，不仅能够对我国冰雪运动的发展提供有效支持，还能够“反哺”团队成员的专业研究。年和年夏季，由王飞腾带领的科研团队将本届冬奥会期间采用的储雪技术，应用到四川达古冰川的保护工作中。科研团队在平方米的试验区冰面上盖上一层“被子”，有效阻挡太阳辐射和冰面的热交换，达到阻挡冰川消融的目的。实验结果显示，在2个月时间内，“盖被子”的地方较附近冰面的厚度高出1.2米左右。从一无所知到攻破技术难题，从被质疑到被肯定……一路走来，雪务保障关键技术攻关团队与冰雪的故事，说不完道不尽。他们，终于研发出适合中国冰雪产业发展的雪务保障一体化解决方案，在造雪、保雪、储雪等方面，为北京冬奥会雪上项目提供了“硬气”的技术支撑和服务保障，也为我国后冬奥时代冰雪运动产业“南展西扩东进”战略和“三亿人参与冰雪”目标提供了科技支撑。我国刚刚起步的冰雪产业，从零到超越，踏雪筑梦，一定会走向更好的未来。

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