僅僅五六年的時間，一批研究冰川和凍土的中國科學(xué)家成為冬奧會雪務(wù)保障專家。
他們研發(fā)了經(jīng)濟(jì)高效的儲雪技術(shù)，實現(xiàn)冬奧會“用雪自由”;成功造出“冰狀雪”賽道，為高山滑雪提供國產(chǎn)“高速公路”;建立雪質(zhì)模擬預(yù)報模型，賽道雪質(zhì)變化第一次有了科學(xué)依據(jù)……
中國科學(xué)院冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室副主任、北京冬奧會賽事用雪保障關(guān)鍵技術(shù)研究團(tuán)隊骨干成員王飛騰研究員在接受南方日報記者專訪時說，“通過冬奧會，我們掌握了一整套雪務(wù)保障技術(shù)，填補(bǔ)了國內(nèi)研究的空白。”
更重要的是，冬奧會的雪務(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“從零開始”
2015年夏天，北京申辦冬奧會成功。當(dāng)年冬天，中科院冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室名譽(yù)主任秦大河院士帶領(lǐng)幾個年輕人到張家口的崇禮萬龍滑雪場做雪質(zhì)觀測。
當(dāng)時的中國沒有一條合格的“冰狀雪”賽道，這種高山滑雪專用的“高速公路”如何鋪設(shè)，技術(shù)掌握在外國人手中。
“2015年之前，國內(nèi)在雪務(wù)保障關(guān)鍵技術(shù)的研究方面十分薄弱，可以說是沒有一篇論文。”王飛騰感慨道，“就連我們這些長期從事冰川研究和保護(hù)的科技工作者，對‘冰狀雪’等很多概念也很陌生。”
雪務(wù)保障，成為舉辦冬奧會必須突破的挑戰(zhàn)。
2017年，在秦大河的帶領(lǐng)下，我國正式組建北京冬奧會賽事用雪保障關(guān)鍵技術(shù)研究團(tuán)隊(下稱“雪務(wù)保障團(tuán)隊”)。中國科學(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最核心的工作。”王飛騰說。
教訓(xùn)比比皆是：2010年溫哥華冬奧會遭遇暖冬，降雪量銳減，雪務(wù)保障短板使得比賽問題連連。當(dāng)年1月平均氣溫較往年偏高3攝氏度，臨近比賽時，組委會不得不動用多種大型設(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。緊接冬奧會的冬殘奧會更是全部日程重排，沒有一個項目按原定計劃舉辦。
2014年索契冬奧會，吸取溫哥華教訓(xùn)，提前制定雪務(wù)保障計劃，提前一年儲存45萬立方米積雪，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;冬奧會和冬殘奧會比賽時間又在氣溫回暖的2—3月，雪道可能融化，造雪機(jī)工作難度大;同時，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、儲雪方案等雪務(wù)保障的核心技術(shù)均被國外壟斷，而且還面臨技術(shù)封鎖，無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，我國教練團(tuán)隊難以及時掌握雪道關(guān)鍵參數(shù)，主要憑借個人經(jīng)驗指導(dǎo)，技戰(zhàn)術(shù)水平科技含量低，影響比賽成績。”王飛騰說，雪上項目是北京冬奧會的“重頭戲”，占金牌總數(shù)的70%，關(guān)系重大。
為此，從2017年開始，雪務(wù)保障團(tuán)隊開始了新的挑戰(zhàn)。而對于王飛騰來說，這意味著他的科研方向由冰川，部分轉(zhuǎn)向到冬奧雪場。
突破
成百上千次現(xiàn)場試驗
王飛騰介紹，世界上90%的滑雪場都使用人工造雪;特別是在冬奧會的高山滑雪項目里，幾乎全部要依賴人工造雪。
高山滑雪的回轉(zhuǎn)、大回轉(zhuǎn)、跳臺加速等競技滑雪場地，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)動員速度非?？?，時速可以達(dá)到120至130千米。所以要求雪比較硬，但如果過硬也會帶來安全隱患。”
合適的密度是0.65克/立方厘米。而造雪機(jī)造出來的雪密度通常為0.4克/立方厘米，這就需要對雪層進(jìn)行注水。但怎么注水，誰也不清楚。
為此，中國氣象科學(xué)研究院牽頭，在張家口云頂滑雪場、黑龍江亞布力滑雪場和國家高山滑雪中心開展了大量的“冰狀雪”制作試驗，并開展不同氣候條件下，不同注水技術(shù)與壓實方法的現(xiàn)場試驗和定量分析。
在成百上千次的現(xiàn)場試驗中，雪務(wù)保障團(tuán)隊獲得了一組又一組數(shù)據(jù)，通過對比，確定了最適合當(dāng)?shù)氐?ldquo;冰狀雪”制作方案。
測試結(jié)果顯示，國產(chǎn)“冰狀雪”符合國際雪聯(lián)的要求。它鋪設(shè)在賽道上，運(yùn)動員在高速轉(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出場，雪道都處于相對完美狀態(tài)，確保了比賽的公平性。
此外，雪務(wù)保障團(tuán)隊還同國內(nèi)企業(yè)合作，設(shè)計出“人工造雪系統(tǒng)智能控制模塊”，確保比賽無論何時出現(xiàn)需求，智能控制模塊都能夠立即調(diào)動資源生產(chǎn)出“冰狀雪”。
“這種智能控制模塊，與國內(nèi)滑雪場常用供水系統(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，也能為國內(nèi)冰雪運(yùn)動提供長期支持。”王飛騰說。
團(tuán)隊成員還發(fā)現(xiàn)，采用國內(nèi)技術(shù)生產(chǎn)的“冰狀雪”，較使用國外常規(guī)技術(shù)的運(yùn)行成本還要低10%以上。
“國外的人工造雪技術(shù)壟斷，主要依靠企業(yè)多年來的技術(shù)和經(jīng)驗累積。而我們是建立在大量的研究和測試工作上，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)隊在技術(shù)研發(fā)和降低成本上堅持精益求精的態(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“低碳辦奧”的理念。
吸取歷屆冬奧會經(jīng)驗教訓(xùn)、規(guī)避用雪風(fēng)險，冬奧會需要提前儲雪。這也是雪務(wù)團(tuán)隊攻關(guān)的重點。
儲雪原理很簡單，就是給雪堆蓋“被子”，把太陽輻射能量反射出去。但“被子”選擇什么材料，需要大量測試。根據(jù)不同的氣象條件，結(jié)合太陽光照射率等參數(shù)，最終，團(tuán)隊選用了土工織布加聚氨酯泡沫材料，在經(jīng)濟(jì)型和實用性上取得較好的效果。
同時，雪堆堆成什么形狀利于儲雪，團(tuán)隊也進(jìn)行了研究，最后開發(fā)出儲雪堆智能設(shè)計系統(tǒng)，能夠結(jié)合外界條件給出具體應(yīng)對方案。
利用這些技術(shù)，團(tuán)隊在延慶石京龍滑雪場參與儲雪試驗。2017年，經(jīng)過一個夏季的“考驗”，60%左右的雪被成功儲存。由雪務(wù)保障團(tuán)隊打造的儲雪方案，也已在國內(nèi)多個滑雪場進(jìn)行了技術(shù)示范。2021年5月在新疆阿勒泰市舉辦的國際滑雪積分系列賽，正是應(yīng)用了這一儲雪技術(shù)，使得國內(nèi)首次在0℃以上溫度條件下成功舉辦國際專業(yè)滑雪賽事。
儲雪技術(shù)自主研發(fā)成功后，北京冬奧組委會才有底氣放棄昂貴的國外方案。
應(yīng)用
成果“反哺”冰川研究
2月13日，原定于當(dāng)日10時和11時進(jìn)行的北京冬奧會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。
雪上項目對氣象條件有特殊的要求，氣溫高于5℃或低于-20℃、強(qiáng)風(fēng)、過高相對濕度和過大降雪等惡劣天氣，會導(dǎo)致比賽延期甚至取消。近幾日，王飛騰等雪務(wù)保障團(tuán)隊成員都在北京冬奧會張家口賽區(qū)忙前忙后。
雪務(wù)保障團(tuán)隊在本屆冬奧會雪上項目主要的舉辦地——云頂滑雪公園，建立了雪場雪質(zhì)綜合觀測體系。通過賽道雪質(zhì)等級判別模型、氣象場降尺度技術(shù)和雪質(zhì)演變模型，團(tuán)隊能夠根據(jù)賽區(qū)內(nèi)設(shè)置的自動氣象站等觀測設(shè)備收集數(shù)據(jù)，模擬和預(yù)測雪質(zhì)因氣候和人為因素影響出現(xiàn)的動態(tài)演變過程。
“除了風(fēng)力、氣溫等因素外，人為因素也會對雪質(zhì)產(chǎn)生影響。人工造雪倒在賽道上，需要壓雪車等設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步加工。壓雪車需要壓幾趟、壓多長時間，模型都能給出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。”王飛騰表示，“這一技術(shù)在國際上是首創(chuàng)的。”
在冬奧組委會場地運(yùn)行團(tuán)隊和雪務(wù)公關(guān)團(tuán)隊的共同努力下，本屆冬奧會滑雪賽道的雪況獲得了國際雪聯(lián)和各國運(yùn)動員的稱贊。國際雪聯(lián)高山滑雪委員會主席伯恩哈德·魯西日前表示，賽道雪況很好，“甚至可以說沒有辦法更好了來形容”;2月8日衛(wèi)冕高山滑雪男子超級大回轉(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”，能夠在本屆冬奧會上獲得獎牌“是我職業(yè)生涯的重大一步”。
“2017年期間，國內(nèi)幾乎沒有一條能夠符合國際滑雪比賽要求的賽道。如今，國內(nèi)雪務(wù)保障關(guān)鍵技術(shù)不僅實現(xiàn)零的突破，近年來還培養(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，獲得了多項技術(shù)專利。”王飛騰感慨。
王飛騰還告訴記者，雪務(wù)保障團(tuán)隊的多項技術(shù)突破，不僅能夠?qū)ξ覈┻\(yùn)動的發(fā)展提供有效支持，還能夠“反哺”團(tuán)隊成員的專業(yè)研究。
2020年和2021年夏季，由王飛騰帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊將本屆冬奧會期間采用的儲雪技術(shù)，應(yīng)用到四川達(dá)古冰川的保護(hù)工作中。
科研團(tuán)隊在500平方米的試驗區(qū)冰面上蓋上一層“被子”，有效阻擋太陽輻射和冰面的熱交換，達(dá)到阻擋冰川消融的目的。實驗結(jié)果顯示，在2個月時間內(nèi)，“蓋被子”的地方較附近冰面的厚度高出1.2米左右。(記者泠汐王詩堃 實習(xí)生鄭濤)
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