服務冬奧、支撐發(fā)展：冰凍圈科學的延拓

秦大河 效存德,* 丁明虎 王飛騰 朱志強 殷水清 任賈文

1 中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 冰凍圈科學國家重點實驗室 蘭州 730000

2 北京師范大學 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室 北京 100875

3 中國氣象科學研究院全球變化與極地研究所 北京 100081

4 哈爾濱體育學院 哈爾濱 150006

冰凍圈科學是以冰川（冰蓋）、凍土、積雪、河冰、湖冰等陸地冰凍圈要素，海冰、冰架、冰山等海洋冰凍圈要素，以及雪、霰、雹等大氣冰凍圈要素為研究對象，以冰凍圈要素的形成和演化規(guī)律為基礎，以與其他圈層相互作用為重點，以為社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展服務為目的的科學[1]。冰凍圈科學主要由冰凍圈過程、機理及變化規(guī)律，冰凍圈變化的影響機制，以及影響的適應研究等 3 個層階組成；這 3 個層階從基礎研究到應用基礎研究再到應用研究，漸次推進。隨著對基礎研究科學認識的不斷深入，不斷推動著冰凍圈科學應用的發(fā)展。

冰凍圈應用科學發(fā)展的一個重要方向是將冰凍圈研究與社會經(jīng)濟發(fā)展緊密結合，為解決國家重大需求和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展服務[2]。我國冰雪資源豐富，發(fā)展冰雪體育和冰雪旅游產(chǎn)業(yè)具有廣闊前景。北京冬奧會的成功申辦，激發(fā)了公眾冬季體育熱情，為我國冰雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了有力的助推作用。近年來，全國新建雪場每年以幾十個的數(shù)量遞增，各地冰雪資源得以迅速開發(fā)，冰雪運動、冰雪旅游得以快速普及。然而，我國冰雪產(chǎn)業(yè)起步較晚，現(xiàn)有的冰雪科研隊伍尚未涉足這一領域，科研力量薄弱。因此，新時期我國的冰雪產(chǎn)業(yè)既面臨著難得的發(fā)展機遇，又面臨著各類挑戰(zhàn)。

1 冰川學長期積累奠定了應用研究基礎

“以任務帶學科”是新中國成立初期較為普遍的科學研究之路，中國冰凍圈科學也不例外。在施雅風領導下，20 世紀 50 年代末中國科學院冰雪利用研究隊率先以冰川學、凍土學引入，初衷旨在滿足國家社會經(jīng)濟發(fā)展建設的需求，主要是解決祁連山冰雪融水資源的開發(fā)利用及青藏公路建設中所涉及的凍土問題；并于 1965 年成立了中國科學院蘭州冰川凍土沙漠研究所（1978 年分為中國科學院蘭州冰川凍土研究所和中國科學院蘭州沙漠研究所，現(xiàn)均已并入中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院）[3]。1966—1976 年很多研究一度受干擾而被迫停頓，但冰川學研究在極困難的情況下堅持前進，應用冰川學得到了一定的發(fā)展。這個時期，中國科學院冰川凍土研究所開辟了天山西段公路雪崩和風吹雪的實驗研究，提出了防治工程設計[4]，還開始黃河河冰觀測和力學性質(zhì)實驗研究。20 世紀 80 年代初，中國科學院蘭州冰川凍土研究所成立了冰雪物理應用研究室，專門開展積雪、冰川及其他冰體物理和應用基礎研究，從而使我國的雪冰物理研究在冰結構和雪的成冰過程、雪冰熱學、冰力學和冰川動力學等方面取得了一定的進展。但后來隨著我國基礎研究出現(xiàn)“向 SCI 論文看齊”的導向，傳統(tǒng)冰雪物理應用研究隊伍逐漸失散，研究出現(xiàn)青黃不接的局面。

21 世紀以來，中國冰凍圈研究內(nèi)容不斷深入，科學認知水平大幅提高，同時在冰凍圈組成要素形成演化、冰凍圈變化的過程與機理研究，以及基于單點和流域尺度的觀測試驗及理論等取得重要進展，中國的冰凍圈科學研究實現(xiàn)了與國際接軌，研究工作進入了平穩(wěn)、快速的發(fā)展階段。中國學者在冰凍圈變化[5,6]、冰凍圈變化的影響、冰凍圈影響的適應對策[7]等方面開展了一系列研究，取得了系統(tǒng)性成果，基本完成了從基礎研究到應用研究的貫通，從而使冰凍圈科學邁向體系化的新高度。

經(jīng)過長期的學術積累，中國科學家提出冰凍圈科學的概念和理論框架，初步形成了冰凍圈科學體系，率先在國際上建立了以“冰凍圈科學”命名的科研機構——冰凍圈科學國家重點實驗室。該實驗室將冰凍圈過程與機理、冰凍圈與其他圈層相互作用和冰凍圈變化影響的適應對策確定為主體研究脈絡，以期為社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展服務[1]；“冰凍圈科學研究集體”榮獲 2021 年度中國科學院杰出科技成就獎。同時，瞄準未來需求，冰凍圈科學國家重點實驗室加強青年人才培養(yǎng)，編纂了《英漢冰凍圈科學詞匯》《冰凍圈科學辭典》等工具書，撰寫了以《冰凍圈科學概論》（中、英文）為主體，15 冊本冰凍圈科學分論為輔助的教材體系，并獲得首屆全國優(yōu)秀教材（高等教育類）特等獎；在中國科學院大學等全國 8 所大學開設冰凍圈科學普及課程及研究生課程，培養(yǎng)了一大批中青年人才，形成了以冰凍圈科學國家重點實驗室為學科發(fā)展策源地和思想中心，以中國科學院青藏高原研究所、清華大學、北京大學、北京師范大學、中國氣象科學研究院、中國極地研究中心等科研院所/高校研究團隊為分支的全國人才布局，這標志著冰凍圈科學的發(fā)展已經(jīng)進入了新時代。

2 冬奧雪務：學科應用研究新機遇

北京冬奧會申辦成功之初，全國數(shù)百個滑雪場沒有一條雪道符合國際雪聯(lián)的高山雪道標準。針對冬奧會賽事用雪保障的關鍵技術和冰雪經(jīng)濟發(fā)展的國家需求，中國科學院、國家自然科學基金委員會、科學技術部等部門，先后啟動了中國科學院學部咨詢項目和重點部署項目、國家自然科學基金創(chuàng)新研究集體項目（三期）和重大研究計劃項目、國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”重點專項等。在這些項目的支持下，冰凍圈科學國家重點實驗室聯(lián)合北京師范大學、中國氣象科學研究院、哈爾濱體育學院、山東師范大學、河北省氣象局、中國科學院南京天文光學技術研究所等科研和業(yè)務機構，以及雪邦雪業(yè)、亞布力訓練基地、國家高山滑雪中心、云頂滑雪公園等國內(nèi)冰雪產(chǎn)業(yè)一流企業(yè)，組建了一支由院士指導、中年科學家?guī)ш?、青年骨干攻關、研究生和產(chǎn)業(yè)人員參與的研究團隊；研究團隊攻克了包括造雪、雪道制作、雪質(zhì)預測和儲雪在內(nèi)的多個技術難題，研究了氣候變化對中國滑雪旅游的影響、冰雪旅游如何助力山區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

在開展研究的過程中，通過給年輕人壓擔子，使得一批青年優(yōu)秀人才脫穎而出。例如，丁明虎、王飛騰、王世金等，目前已經(jīng)成為科研骨干。同時，也培養(yǎng)了我國第一批雪務保障方向的研究生、滑雪場技術工程師，為“后冬奧時代”我國冰雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展按下“快進鍵”。這些科研工作，為冰凍圈科學服務國家需求提供了成功經(jīng)驗，也是學科鏈條延伸的典型案例。

北京冬奧會“帶動三億人參與冰雪運動”，切實將“冷資源”變成了“熱經(jīng)濟”。2021 年 7 月 18 日，國務院印發(fā)了《全民健身計劃（2021—2025 年）》，強調(diào)要持續(xù)開展群眾冬季運動推廣普及。在“后冬奧時代”，要讓冰雪運動的紅利持續(xù)釋放。冰凍圈科學工作者通過部署新領域人才，組建科研院所+企業(yè)相結合的科技創(chuàng)新團隊，為保障北京冬奧會順利舉辦和推動中國冰雪產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了智力支持。

針對北京冬奧會雪務保障關鍵技術和我國冰雪產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略所開展的大量探索性研究，總結主要進展如下。

2.1 北京冬奧會雪務保障關鍵技術

（1）雪場賽道雪質(zhì)的預報?；﹫鰵庀髼l件和賽道雪質(zhì)是決定比賽成績的重要影響因素，是國際雪聯(lián)及運動員判斷比賽舒適度和能否進行比賽的關鍵要素[8]。雪質(zhì)演變受到局地氣象條件的影響顯著，局地氣象場的預報精度決定了雪質(zhì)預報的精度；而且北京冬奧會張家口賽區(qū)雪場山地地形復雜，增加了使用降尺度技術的難度。研究團隊結合動力與統(tǒng)計降尺度方法的優(yōu)點，提高局地氣象場的預報精度；同時，基于氣象要素變化影響雪質(zhì)演變的機理，發(fā)展雪質(zhì)演變物理模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型；此外，利用積雪觀測資料，系統(tǒng)地研究和分析北京-張家口地區(qū)積雪的時空分布，揭示在全球變暖背景下該地區(qū)積雪的變化特征和發(fā)展趨勢，為 2022 年北京冬奧會提供科學的參考[9]。該項研究的關鍵突破點包括：① 以雪厚度、硬度、密度、表面溫度、粒徑、含水量為主要指標，建立賽道雪質(zhì)指標的量化標準和等級判別模型；② 針對張家口崇禮區(qū)冬奧雪場的復雜山地地形，研發(fā)動力與統(tǒng)計相結合的氣象場降尺度技術；發(fā)展高精度氣象-雪質(zhì)演變模型；③ 將雪質(zhì)監(jiān)測、預報和判定 3 個模塊進行集成，形成雪質(zhì)監(jiān)測-預報-判定系統(tǒng)，進行雪場天氣變化風險評估與賽道雪質(zhì)預警。

（2）不同氣候條件和制作流程對冰狀雪賽道雪質(zhì)的綜合影響。冰狀雪是雪冰體育界約定俗成的一個通俗性稱謂，冰川學術語是粒雪冰，其密度介于 0.45 g/cm3—0.83 g/cm3。北京冬奧會之前，國內(nèi)滑雪場冰狀雪賽道的制作經(jīng)驗較少，大型賽事（包括冬奧會項目）的冰狀雪賽道都聘請國外團隊制作和維護冰狀雪賽道，其技術對外保密。研究團隊通過系統(tǒng)研究，并在黑龍江亞布力滑雪場、河北云頂滑雪公園和北京國家高山滑雪中心開展了大量的現(xiàn)場試驗，突破國外對冰狀雪賽道制作關鍵參數(shù)的技術封鎖，研發(fā)了適合中國不同氣候條件并滿足國際大型賽事技術標準的高山冰狀雪賽道制作關鍵技術并形成標準，為國內(nèi)舉辦大型雪上項目和冰雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學支撐。該項技術的關鍵突破點包括：① 確立冰狀雪賽道的雪冰物理特性參數(shù)指標，形成以雪冰物理特性參數(shù)為基礎的高山滑雪冰狀雪賽道雪質(zhì)評定標準；② 確定冰狀雪賽道質(zhì)量的關鍵影響因素，針對我國不同氣候區(qū)域研發(fā)“屬地化”冰狀雪制作技術，編制冰狀雪賽道制作的技術流程和實施指南；③ 研發(fā)了冰狀雪賽道質(zhì)量檢測專用儀器的研制，包括硬度測量儀和冰雪粒徑測量儀。

（3）儲雪堆消融動態(tài)過程模擬預報。在北京冬奧會期間，根據(jù)冬奧會場館所處的地形、局地氣象條件、比賽項目的雪質(zhì)要求，針對性地制定了“一場一策”的場館儲雪技術方案。賽時，在首鋼大跳臺和國家跳臺滑雪中心儲雪 7 000 m3，確定了儲雪堆設計方案，并能對雪堆體積和內(nèi)部雪質(zhì)實時監(jiān)測，從而為賽事用雪提供應急保障。研究團隊利用數(shù)值模擬方法分析不同覆蓋材料的絕熱保溫性能表現(xiàn)，評估各種可能的儲雪覆蓋方案，討論最佳儲雪方案[10,11]。在此基礎上，研發(fā)了“儲雪堆智能設計系統(tǒng)”，實現(xiàn)屬地化“量身定制”的儲雪堆設計，克服傳統(tǒng)設計方案推廣性差、無法預判效果等弊端。該項技術的關鍵突破點包括：① 研發(fā)“儲雪堆智能設計系統(tǒng)”，實現(xiàn)在不同氣候條件、不同隔熱材料配置方案，以及不同地形條件下，最佳儲雪堆幾何形態(tài)方案的自動設計；② 建立了雪堆內(nèi)部雪質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析雪質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和周邊氣象數(shù)據(jù)，對儲雪過程中出現(xiàn)的風險進行科學評估，確定風險等級，提出應對方案。

（4）高效能造雪模式集成技術。北京冬奧會之前，國內(nèi)在廣泛應用人工造雪過程中，基本采用國產(chǎn)的低效人工控制操作設備或引進國外的大功率高壓力直供和接力的半自動、自動化系統(tǒng)，并且要根據(jù)每個雪場的具體條件和需求進行專門的單獨設計和施工。因此，具有操作不便、效率低下、運行成本高、投資過大、系統(tǒng)建設對環(huán)境破壞和影響較大的不利因素。2022 年北京冬奧會滑雪場地類型復雜，造雪受到多種因素影響[12]。在研究我國適合開展滑雪運動的地理條件的基礎上，設計多模式網(wǎng)絡造雪系統(tǒng)，滿足了不同項目滑雪場地的造雪需求，包括對場地整體進行劃分，形成不同區(qū)域和多個相關的獨立子系統(tǒng)，以適應不同海拔、溫度、濕度的變化，提高造雪系統(tǒng)的運行能力和效率。該系統(tǒng)的關鍵突破點包括：① 研發(fā)了高效造雪系統(tǒng)模塊優(yōu)化集成技術，對滑雪場泵站集成模塊、造雪水處理集成模塊、造雪管線模塊和泵站模塊進行集成，實現(xiàn)了智能模塊集成設計；② 開發(fā)了智能網(wǎng)絡化控制軟件技術，針對高效人工造雪系統(tǒng)特點和智能網(wǎng)絡化控制需求，構建基于安卓（Android）平臺與本地、混合和移動網(wǎng)絡（Web）架構的智能網(wǎng)絡化人工造雪系統(tǒng)中泵站控制系統(tǒng)。

2.2 以冰凍圈服務引領冰雪產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展

“冰天雪地也是金山銀山”，冰凍圈服務指人類社會從冰凍圈系統(tǒng)中獲得的所有惠益。冰凍圈服務以供給服務、調(diào)節(jié)服務、文化服務和支持服務等給冰雪地帶的人們帶來福祉。為此，工作組開展了大量研究。

（1）評估了滑雪產(chǎn)業(yè)的自然稟賦和未來風險。① 滑雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展對氣候資源和地理條件依賴度極高?；跉v史氣象觀測和地形數(shù)據(jù)，研究揭示了我國積雪資源的自然稟賦，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定積雪區(qū)即東北地區(qū)、新疆北部和青藏高原等地的積雪豐度相比于歐洲西部和北美等地較為薄弱，目前的滑雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要依靠人工造雪。研究顯示，我國人工造雪潛力高值區(qū)主要分布在“橫斷山—秦嶺—太行山—燕山”一線的西北部地區(qū)，整體呈現(xiàn)“西北多，東南少”的空間分布特征。綜合考慮地形、積雪和氣候等要素，我國滑雪旅游發(fā)展的自然適宜區(qū)主要集中在東北地區(qū)的長白山和大、小興安嶺地區(qū)，西北地區(qū)的天山、阿爾泰山、祁連山等地，以及華北地區(qū)的燕山、太行山、呂梁山等地，因此應將這些地區(qū)作為重點發(fā)展區(qū)域[13-15]。② 氣候變化已經(jīng)成為滑雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的最大挑戰(zhàn)。在全球氣候變暖背景下，我國滑雪場未來可用的自然降雪量下降、人工造雪窗口期縮小，滑雪場發(fā)展的自然適宜度降低。到 21 世紀中葉，滑雪場發(fā)展的自然適宜度只有在 RCP2.6①RCP（Representive Concentration Pathways，典型濃度路徑），是聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）采樣的氣候情景，集中反映人口、經(jīng)濟增長、能源結構和技術革新對溫室氣體排放的影響。用單位面積的輻射強迫表示未來100年溫室氣體穩(wěn)定濃度的情景；通常使用4種情景，即RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5——輻射強迫的強度依次增強。情景下呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，在 RCP4.5 和 RCP8.5 情景下則持續(xù)降低，并且滑雪旅游發(fā)展的自然適宜區(qū)逐漸向高緯度、高海拔地區(qū)轉(zhuǎn)移[15]。為此，我國在大力發(fā)展滑雪旅游的同時，應充分考慮氣候風險，構建適應氣候變化的滑雪旅游新發(fā)展格局，以促進我國滑雪旅游可持續(xù)發(fā)展。

（2）聚焦貧困山區(qū)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和生態(tài)文明建設，給出了冰雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。我國冰雪資源富集區(qū)主要位于高緯度、高海拔山區(qū)，也是貧困度發(fā)生度較高的地區(qū)。中國原 832 個貧困縣（現(xiàn)均已脫貧）中，位于冰川資源富集區(qū)和穩(wěn)定積雪區(qū)的占比分別為 15.0%和 26.4%。隨著我國脫貧攻堅戰(zhàn)取得了全面勝利，山區(qū)的交通、通信和基礎設施得到改善，豐富的冰雪資源為鞏固山區(qū)脫貧攻堅成果、發(fā)展冰雪經(jīng)濟提供了基礎。研究組對此開展了系統(tǒng)研究。① 綜合考慮冰雪旅游發(fā)展的自然因素和社會經(jīng)濟因素，研究了原14個集中連片特困區(qū)冰雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適宜性。結果表明，適宜發(fā)展冰川旅游的鄉(xiāng)村振興重點區(qū)，主要位于除羌塘高原外的西藏全境、四川省藏區(qū)和新疆南疆三地州等高海拔地區(qū)；適宜發(fā)展滑雪旅游的鄉(xiāng)村振興重點區(qū)，主要位于燕山—太行山區(qū)、呂梁山區(qū)東北部、六盤山區(qū)西部、大興安嶺南麓山區(qū)、大別山區(qū)北部等低海拔山區(qū)。冰雪旅游將成為這些脫貧成果尚不穩(wěn)固的山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要激活因子，對于防止返貧、推進鄉(xiāng)村全面振興具有較大的發(fā)展?jié)摿13]。② 考慮冰雪旅游富集區(qū)同時也是生態(tài)環(huán)境較為脆弱的地區(qū)，建議在發(fā)展冰雪旅游的同時，應注重生態(tài)環(huán)境保護，要堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳理念，注重與科教、傳統(tǒng)文化相融合，堅持高質(zhì)量發(fā)展和環(huán)境保護并舉。一方面，政府部門應加強主導作用，整合優(yōu)勢資源，制定相關政策，促進山地、積雪資源的合理開發(fā)和利用，切實將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢；同時，樹立“地鐵式經(jīng)濟”理念，以點帶線、以線帶面，助力山區(qū)可持續(xù)發(fā)展。另一方面，滑雪產(chǎn)業(yè)利益相關者應全面考慮自然資源潛力、致災可能性和氣候變化風險，根據(jù)實際情況進行短期和長期規(guī)劃，避免資源浪費。此外，相關部門應為旅游區(qū)脫貧人口提供就業(yè)培訓，提高旅游服務質(zhì)量，確保山區(qū)高質(zhì)量發(fā)展，實現(xiàn)“物質(zhì)”和“知識”上雙脫貧的目標。

3 未來需求與展望

伴隨著北京冬奧會的順利舉辦，以及武大靖、蘇翊鳴、谷愛凌等運動員相繼摘取獎牌，冰雪運動已成為各大社交媒體炙手可熱的討論話題，大小雪場都變得異?；馃?。此次盛會已向全國普及了冰雪運動和冰雪旅游，極大地激發(fā)了人民群眾參與的熱情，冰雪產(chǎn)業(yè)不再是東北地區(qū)的“專屬品”，已經(jīng)形成了“三足鼎立、兩帶崛起、全面開花”的新格局。除了擁有天然積雪資源的東北地區(qū)、京津冀和新疆，以西藏、青海為代表的青藏高原冰雪觀光旅游帶和以川貴鄂為代表的中西部冰雪休閑旅游帶正在崛起；同時，山清水秀和溫暖的南方地區(qū)也在打破時空限制，發(fā)展冰雪經(jīng)濟[13,16]。然而，我國冰雪產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，雖然取得了一定進展，但核心技術的掌握仍需要時間消化吸收；目前，我國滑雪產(chǎn)業(yè)存在區(qū)域同質(zhì)化嚴重、產(chǎn)業(yè)鏈不完善、產(chǎn)業(yè)間融合度低、服務保障基礎設施不完善等問題[13,14]；此外，冰雪物理研究、雪場/滑冰館、運動員等競技體育的各個環(huán)節(jié)，未能有效貫通，未能形成競技運動的全鏈條保障體系。

因此，研究團隊將持續(xù)加強包括面向應用的冰凍圈基礎科學、冰雪旅游在內(nèi)的全國冰雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究，因地制宜，宜冰則冰、宜雪則雪，以實現(xiàn)冰雪產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和綠色低碳路徑[17]。進一步開展不同雪上項目冰雪物理基礎研究，特別是：不同溫度、濕度和壓力（包括風速）等組合條件下雪粒的形成，粒徑、密度、水分和硬度等的變化，雪層內(nèi)部黏聚力和表面摩擦特性，以及風雪流和雪霧的影響；開啟應用冰學的自主技術研發(fā)，加強滑冰場建設和維護中的有關冰物理參數(shù)研究和成冰技術研發(fā)；啟動不同天氣/環(huán)境狀態(tài)下冰氣交換物理特性對冰/雪面力學特性的影響研究，進而研究冰面狀態(tài)和冰刀之間、雪面黏滯特性與雪板之間力學反饋。最終，能為冰雪運動競技場地、運動員提供“一對一”的專屬科技服務，盡快達到以挪威、德國、瑞士為代表的冰雪產(chǎn)業(yè)科技支撐水平，幫助我國運動員在高山滑雪、冰球和冰壺等項目上獲得突破。