不同天氣條件下高山滑雪冰狀雪賽道制作方法

季凱程， 丁明虎， 孫維君， 田 彪， 趙守棟， 溫海焜，呂泓佑， 張東啟， 王飛騰， 秦大河， 效存德，5

（1. 山東師范大學 地理與環境學院，山東 濟南 250014； 2. 中國氣象科學研究院 災害天氣國家重點實驗室/全球變化與極地研究所，北京 100081； 3. 中國科學院 南京天文光學技術研究所，江蘇 南京 210042； 4. 中國科學院 西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000； 5. 北京師范大學 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875； 6. 國家高山滑雪中心，北京 102100）

0 引言

2022 年北京冬季奧林匹克運動會（以下簡稱北京冬奧會）是我國首次承辦的奧林匹克冰雪賽事，也是提升我國影響力、發展冰雪經濟［1-3］、提高競技水平［4-5］的重要契機。北京冬奧會是國際上第一次在大陸性季風區舉辦的冬奧會，面臨多種新的天氣氣候挑戰［6］，特別是雪務保障工作。因此，科學技術部和北京冬奧組委設立了一系列攻關項目［7-11］，目的是研發適用于我國氣候環境的冰雪體育賽事保障技術，提升冬奧保障能力，支撐我國冰雪競技和冰雪經濟的發展。

高山滑雪具有快速、壯觀、驚險、多變的特點，是最復雜的冬季體育項目之一，因此被稱為冬奧會“皇冠上的明珠”。在此項賽事中，為了保障不同順序出發的運動員競技公平，同時保證安全，需要制作表面物理性質均一、抗壓性高、抓地力強、平整度好、賽道表面磨損率低，同時具有一定彈性的冰狀雪賽道（icy piste），以保證運動員的動作（高速滑行、快速轉彎）基本不受場地表面雪冰物理狀態影響。冰雪產業運動發達國家如瑞士、奧地利、意大利、日本、加拿大等均掌握此技術，但目前未有公開資料可參考。

我國冰雪運動起步晚，主要圍繞運動員技術訓練、健康保障等“軟科學”開展研究［12-15］，對雪場或賽場保障等“硬技術”的關注較少，雪務保障能力較低。比如，北京冬奧會申辦成功之初，全國數百個滑雪場均無能力制作符合國際滑雪聯合會（International Ski Federation，FIS）要求的高山賽事冰狀雪賽道［16］。這種情況極大地影響了我國冰雪運動員競技能力的提升，也限制了我國舉辦國際大型賽事的能力，給北京冬奧會帶來較大的風險?；趯θ鹗糠e雪與雪崩研究所（SLF）和2018 年韓國平昌冬奧會等研究機構和賽事調研考察，發現國際上主要有2 種冰狀雪賽道制作方法。第一種為注水法，在常規賽道制作完成后（厚度超過60 cm 具有一定緊實度的雪道），使用專用注水器在特定天氣條件下向雪層內部注水，促使雪層形成粗粒雪燒結結構，以提高表層雪硬度和均一性。其優點在于制作快速，但由于賽道底層較松軟，導致持續性較差。該方法為大部分歐美國家采用，如意大利、奧地利、美國、俄羅斯。第二種為壓實法，采用“分層造雪—多次壓實—再次分層造雪—多次壓實”的循環流程制作。其優點在于持續性強，但制作過程較為繁瑣，人力和用水成本較高。該方法主要被瑞士、日本等國家采用，主要原因是這些地區雪季濕度較大或氣溫較高，注水法不適用于這些地區（無法形成粗粒雪燒結結構）。一般情況下，FIS 裁判通過目視賽道表層結構是否均一穩定，或通過捏、踩等經驗方法測量表層雪密度是否達到600 kg·m-3（女子比賽為560 kg·m-3），以判斷賽道是否達到比賽要求。

考慮到我國北方氣候（偏干）的特點，本研究采用注水法在黑龍江省亞布力體育訓練基地、河北張家口密苑云頂樂園和北京延慶國家高山滑雪中心三個雪場開展了不同天氣條件下的冰狀雪賽道制作試驗。研究中制定了符合FIS 比賽要求的冰狀雪賽道判定標準，通過分析不同方案的雪道密度和硬度結果，獲得冰狀雪賽道制作的技術方案。

1 試驗方案

1.1 試驗區選擇

為了充分了解注水法制作冰狀雪的主要控制因子，選擇亞布力體育訓練基地、密苑云頂樂園和國家高山滑雪中心三個雪場開展試驗（圖1）。三個雪場均位于典型的溫帶大陸性季風氣候區，呈現寒冷干燥的氣候特征，但因緯度和地形差異，其天氣變化區別較大，因此，可獲取不同天氣條件下的賽道物理參數變化，探索不同技術要點對賽道雪質的影響。其中，亞布力體育訓練基地和密苑云頂樂園作為敏感性試驗場地，國家高山滑雪中心作為方案驗證場地。

圖1 試驗區概況Fig. 1 Overview of the test area： Heilongjiang Yabuli Sports Training Base （a）， National Alpine Ski Center （b）and Genting Resort Secret Garden （c）

亞布力體育訓練基地位于黑龍江省哈爾濱市尚志市亞布力鎮東南約20 km 處，地處大鍋盔山和二鍋盔山北麓，整個地勢由東南向西北傾斜，東南高，西北低。最高海拔1 374.8 m，垂直落差913 m，屬中溫帶大陸性季風氣候［17］，緯度較高，四季分明，夏季短涼，冬季寒冷漫長。11 月至翌年3 月呈現典型的寒冷干燥特征，極端最低氣溫-44 ℃，冬季平均氣溫-13.3 ℃，最大積雪深度可達1 m 以上［18］，總存雪期約170 天。亞布力體育訓練基地于1984 年建立，是我國建設最早的大型滑雪場之一，曾承辦1996年亞洲冬季運動會、2009年世界大學生冬季運動會等多項高級冰雪賽事，是適合滑雪旅游和滑雪運動員訓練比賽的綜合性雪場，也是我國國家滑雪隊指定訓練基地和國家極地科學考察冬訓基地。研究中選擇的試驗區域位于海拔約1 200 m 的斜坡，坡度介于15°～25°，地勢較為陡峭。

密苑云頂樂園位于河北省張家口市崇禮區，屬內蒙古高原與華北平原過渡地帶，地形起伏較大，最高處海拔2 104 m，垂直落差約400 m。該地屬東亞大陸性季風氣候中溫帶亞干旱區［19］，冬季平均氣溫-12 ℃，受所處地理位置和地形的影響，冬季空氣活動頻繁，降雪早、積雪厚，平均積雪深度10 cm 以上，存雪期達150 多天［20］。賽道制作試驗區域海拔約1 800 m，坡度介于16°～24°，地勢陡峭適合開展高水平滑雪運動。密苑云頂樂園是2021 年國際雪聯自由式滑雪和單板滑雪世界錦標賽，以及北京冬奧會自由式滑雪和單板滑雪比賽場地。

國家高山滑雪中心位于北京市延慶區西北部小海坨山南麓，其最高點為小海坨峰（海拔2 198.38 m），以此峰向西南與東南沿山脊線方向延伸，整個地勢為各條溝谷從東北小海坨峰向下匯聚至西南角溝口，海拔高差約為960 m［21］。小海坨山為溫帶大陸性季風氣候典型的山地小氣候區，冬冷夏涼，冬季嚴寒干燥多風，冬季月份平均氣溫-8.4 ℃，山頂極端氣溫可達-37 ℃，冬季平均積雪深度15 cm 左右。賽道制作試驗區域海拔約1 600 m，坡度介于16°～23°，適合進行高水平滑雪運動。國家高山滑雪中心以其優越的地形地勢條件和理想的海拔高度，成為2022年北京冬奧會和冬殘奧會高山滑雪項目賽場［22］，因此，將該雪場選為冰狀雪賽道技術的驗證場地。

1.2 試驗方法

1.2.1 冰狀雪賽道制作試驗設計

賽道制作試驗流程分為人工造雪、賽道壓實、注水以及賽道物理特性檢測四個部分（圖2）。其中，造雪機造雪時要盡量選擇干燥天氣，以生產出粒徑小、含水量低的雪粒，以減少初始雪性質對后續試驗效果的影響；在試驗過程中，發現傳統壓雪車壓力傳導最大可達到20～30 cm，因此采用間隔20 cm分層制作的方法生產初始賽道。

圖2 冰狀雪賽道制作試驗流程（攝于2020年12月）Fig. 2 Procedures of icy piste experiments （photos taken in December 2020）

三個試驗賽道均設計為100 m長、30 m寬，但由于造雪機在不同天氣下產雪量的不同，約3～7天完成了厚度90～100 cm的初始賽道制作。靜置24 h后，檢測了初始賽道的硬度、密度、雪粒徑等物理參數剖面。三個初始賽道表層20 cm 積雪密度均超過400 kg·m-3，賽道表面為松散風吹雪，向下則為粒雪，有別于自然形成的雪花，其粒徑小而密度大。賽道硬度剖面均達到2～4 MPa，遠高于自然狀態的新雪。

隨后，采用Steinbach-Alpin 注水棒開展注水試驗，該注水棒噴嘴間隔為10 cm，注水時將噴嘴垂直對準雪表。一般情況下，設定的水壓影響注水深度，同一位置停留時間決定注水量；注水棒每次水平移動距離約為10 cm。注水完成后再次靜置24 h，以保證水體充分擴散并凍結。然后開展賽道最終物理性質檢測，以判定試驗效果。

1.2.2 冰狀雪賽道物理性質檢測方法

調查發現，運動員的感受局限于賽道表面形態及其腳下的硬度、彈性和抓地力（摩擦力）等直觀感受。但表層雪物理狀態及其可持續性受到底部至表面整個剖面雪物理特性的影響，因此，我們采用雪硬度測量儀、電子天平、雪密度/含水量測量儀、雪粒徑測量儀等專用設備，檢測賽道表面至60 cm 深度的硬度、密度、含水量、雪粒徑、雪比表面積等關鍵指標（圖3），各設備傳感器參數可見表1。

表1 各冰雪設備傳感器參數Table 1 Sensor specifications of instrument used in this study

圖3 冰狀雪雪質參數檢測儀器Fig. 3 Icy snow quality parameter detection： snow density weighing （a）， snow hardness analyzer （b），snow particle size analyzer （c）， snow density/water content analyzer （d）

按照定義，雪比表面積（specific surface area，簡稱SSA）為每單位質量的積雪樣品中空氣和冰顆粒交界面總面積，受到顆粒尺寸和形狀的影響［23］。雪SSA與積雪等效粒徑的關系為

式中：Deff為等效直徑；ρi為冰在0 ℃的密度（0.917 g·cm-3）。

雪剖面硬度采用雪硬度測量儀［24］實測，該儀器通過電機驅動探頭緩慢進入雪層深處，同時檢測不同層位的反作用力，從而計算雪層硬度的連續變化。

雪密度檢測采用體積-重量法，首先使用電鋸剖出近20 cm×20 cm×20 cm 賽道樣塊，精確測量其體積的同時使用高精度電子天平測量其質量，最終計算其密度。之后，使用雪密度/含水量測量儀［25］，以5 cm為間隔檢測不同深度的粒雪密度和含水量。

雪粒徑檢測采用雪粒徑自動測量儀實測［26］，該儀器可通過近紅外激光漫散射衰變原理獲取特定區域的雪面粗糙度，而積雪表面的粗糙程度由粒徑決定，因此可以反演冰雪粒徑變化；為提高激光檢測精度，該設備還采用了低溫補償算法。與雪密度/含水量檢測相同，以5 cm間隔檢測雪粒徑。

1.2.3 試驗過程

為了檢驗天氣條件、注水壓力和注水時長三個因子對冰狀雪賽道雪質的影響，本研究在亞布力體育訓練基地和密苑云頂樂園以5 ℃作為間隔，開展了-5～0 ℃、-10～-5 ℃、-15～-10 ℃和-20～-15 ℃四個氣溫區間的試驗。需要特別注明的是，本文氣溫區間均指開展注水試驗期間的實測氣溫。在瑞士和韓國調研過程中，發現強風天氣不利于注水操作，同時強風易導致雪面熱量快速散失到空氣中，注入的水凍結過快，因此可能影響水體在雪層中的擴散過程；云量可影響雪面向大氣的長波輻射過程；空氣越干燥，雪中含水量就會越低，有利于注入液態水與粒雪的燒結。因此，試驗均選擇在晴朗微風或無風天氣進行。

2020 年12 月，在亞布力體育訓練基地-20 ℃天氣條件下開展了一次試驗。注水壓力設置為5 bar、10 bar、15 bar，注水時長設置為3 s、5 s、7 s、10 s，共獲取了12個方案的賽道雪冰物理參數敏感性結果。

2021 年2 月，在密苑云頂樂園開展了-0.4 ℃、-6 ℃和-12 ℃天氣條件下的三次制作試驗。注水壓力設置為6 bar、8 bar、10 bar，注水時長設置為3 s、5 s、7 s、9 s，每個試驗均得到12個方案的敏感性結果。

通過以上試驗，共獲取了四個天氣條件下、多種壓力-時長組合方案下的冰狀雪賽道密度、硬度、含水量、雪粒徑、雪比表面積等數據，用于定量分析氣溫、注水壓力和注水時長對賽道雪質的影響，以建立賽道雪質模型。

2 冰狀雪賽道判定標準的擬定

如前所述，高山賽事冰狀雪賽道是否合格，主要依靠國際裁判的經驗判定。根據公開資料，相關賽事組織只擬定了冰狀雪賽道的雪密度指標，如加拿大曼尼托巴省越野滑雪協會公布的資料［27］顯示，冬奧會高山賽事要求賽道表層密度＞560 kg·m-3?；谌鹗糠e雪與雪崩研究所和韓國平昌冬奧會的考察調研，并使用多種設備進行了賽道檢測，獲取了多種賽道的雪冰物理參數。經分析、討論擬定了冰狀雪賽道標準，并請多位雪冰物理專家進行論證，最終擬定賽道合格標準如下（圖4）：

圖4 冰狀雪賽道合格標準Fig. 4 Physical profile of icy piste for Winter Olympics

1） 賽道雪層厚度一般＞80 cm，以保障賽道的彈性和可持續性；

2） 賽道表層（即運動員體感有效賽道層，約上部20 cm）密度＞600 kg·m-3，以保障賽道表層穩定性；

3） 賽道表層雪硬度不低于6 MPa，以保障賽道表面強度較高，可經多次滑行不發生形變；

4） 賽道表面平整、性質均一；

5） 有適度抓地力（摩擦力），以保障運動員可做出多種滑行動作。

3 結果與討論

3.1 不同天氣條件下的賽道物理性質差異

本研究在-0.4 ℃、-6 ℃、-12 ℃和-20 ℃四種氣溫條件下完成賽道制作試驗，獲得四種天氣條件下的賽道密度和硬度結果。如表2 和圖5 所示，在-0.4 ℃氣溫條件下，6 個試驗（6 bar/5 s、6 bar/7 s、8 bar/5 s、8 bar/7 s、10 bar/5 s、10 bar/7 s）所制作賽道表層平均密度均小于600 kg·m-3，未達到合格標準。其主要原因可能是氣溫接近0 ℃，表層雪溫較高，注水無法在賽道表層快速凍結，因此無法促進粒雪燒結作用，水量過多的情況下甚至可能導致部分表層雪融化。值得一提的是，盡管-0.4 ℃下進行的試驗未達到合格標準，但6 bar/5 s和6 bar/7 s兩個方案將表層雪硬度提高到10 MPa 以上，這說明在近0 ℃高溫天氣條件下，可采用這兩個方案提高表層雪硬度以應急使用。

表2 不同天氣條件下不同試驗方案的冰狀雪賽道制作結果Table 2 Results of icy piste making experiments under four weather conditions

圖5 四種天氣條件下（-0.4 ℃，-6 ℃，-12 ℃，-20 ℃）冰狀雪賽道制作試驗結果（以代表性試驗為例）Fig. 5 Representative results for icy piste making experiments under air temperature of -0.4 ℃， -6 ℃， -12 ℃， and -20 ℃

在約-6 ℃氣溫條件下，實施了6 bar/5 s、6 bar/7 s、8 bar/5 s、8 bar/7 s、10 bar/5 s、10 bar/7 s 共6 個試驗。其中6 bar/5 s和6 bar/7 s試驗均實現賽道密度標準，但后者表層雪硬度未達標；8 bar 和10 bar 水壓下的試驗賽道硬度和密度均未達到合格標準。簡而言之，在-10～-5 ℃氣溫條件下，可采用6 bar/5 s 方案制作冰狀雪賽道。

在約-12 ℃氣溫條件下，分別實施了水壓為6 bar、8 bar、10 bar，注水時長為3 s、5 s、7 s、9 s 的12 個制作試驗。其中6 bar/5 s、6 bar/7s 、8 bar/3 s、8 bar/5 s、8 bar/7 s、8 bar/9 s 和10 bar/7 s 試驗結果顯示賽道表層密度和硬度均達到合格標準。6 bar/3 s 制作方案僅0～15 cm 深度雪層平均密度達到600 kg·m-3，未達到既定的表層20 cm 加固的目標。其可能原因是該方案未能注入足量的水，水壓穿透力不足，水流停留在上層15 cm。8 bar 水壓下4 個方案均表現出良好效果，賽道表層密度可達650 kg·m-3，硬度最高為15.92 MPa。10 bar水壓下，10 bar/7 s的方案實現了合格賽道，10 bar/3 s、10 bar/5 s 和10 bar/9 s 的方案下密度均未達標，通過觀察試驗剖面，發現其原因為水壓較高導致燒結主要發生在深部雪層。值得一提的是，該氣溫條件下的各方案所得賽道表層硬度均超過6 MPa，符合賽道硬度要求。

在約-20 ℃氣溫條件下，分別實施了注水水壓為5 bar、10 bar、15 bar，注水時長為3 s、5 s、7 s、10 s的12 個試驗。其中5 bar/10 s、10 bar/3 s、10 bar/5 s和10 bar/7 s 的方案均實現賽道制作理想結果。水壓為15 bar 的4 次試驗，賽道表層平均密度甚至低于550 kg·m-3，硬度約為4～5 MPa，未達到賽道要求。相較于-12 ℃氣溫條件下的試驗，賽道制作成功率明顯下降，說明氣溫條件改變對賽道制作結果產生影響顯著。

通過以上結果可以發現，在-15～-10 ℃氣溫區間內的試驗成功率最高，說明該溫度是進行冰狀雪制作的最佳天氣。當氣溫升高，需調整注水壓力和時長，以提高燒結作用對粒雪結構的影響。逼近0 ℃時，由于水難以凍結，注水壓力和時長無論如何調整都難以促進粒雪燒結，冰狀雪賽道難以制作，只能在特殊情況下作為應急方案。當氣溫條件低至-20 ℃，氣溫和雪溫過低，導致注入到雪層中的水快速凍結，未能有效向四周擴散，表層雪形成雪-冰夾雜結構而不是均一結構，雖然某些方案所制作的賽道密度和硬度達標，但雪層穩定性不好。

3.2 敏感性分析

3.2.1 注水壓力

除天氣條件外，注水壓力和注水時長是冰狀雪制作的重要影響因子。根據試驗結果分析，-15～-10 ℃是冰狀雪制作的最優天氣條件，利于分析不同水壓和時長條件下冰狀雪的雪質變化，所以，選擇-12 ℃氣溫條件下的試驗進行分析。結果如圖6所示，賽道表層密度和硬度隨水壓增強呈先升后降的總體變化特征：當注水壓力達到8 bar 時，賽道密度達到最高，其中8 bar/5 s 方案密度最高達到672 kg·m-3。在其他三個注水方案（3 s、7 s、9 s），注水壓力為8 bar 時賽道硬度達到最高，其中8 bar/7 s方案硬度達到15.92 MPa，顯然8 bar 是理想水壓。需要特別說明的是，無論哪種天氣條件，水壓超過10 bar 后，水流容易擊穿表層，使得燒結作用發生在賽道底部。

圖6 -12 ℃氣溫條件下，賽道表層物理性質對不同注水水壓的敏感性Fig. 6 Sensitivity of physical characteristics of icy piste to water injection pressures， under -12 ℃ air temperature

3.2.2 注水時長

與注水壓力敏感性分析相同，以-12 ℃氣溫條件下的試驗結果進行分析（圖7）。所有試驗均呈現表層雪密度隨注水時長先上升后下降變化：在6 bar水壓下，隨著注水時長增加，密度也在逐步增大，在注水時長達到7 s時，平均密度達到了631 kg·m-3；注水時長超過7 s后，密度開始下降。在8 bar水壓下，在注水時長5 s 時達到672 kg·m-3，之后密度下降。在10 bar水壓下，密度在注水時長7 s時達到617 kg·m-3。賽道硬度在6 bar和8 bar的水壓條件下隨注水時長延長呈現波動變化（這也可能與試驗次數較少有關），在10 bar水壓條件下硬度隨注水時長延長呈現先上升后下降趨勢，當注水時長為5 s 時，硬度達到最高為8.7 MPa。

圖7 -12 ℃氣溫條件下，賽道表層物理性質對不同注水時長的敏感性Fig. 7 Sensitivity of physical characteristics of icy piste to water injection durations， under -12 ℃ air temperature

3.3 冰狀雪賽道制作天氣-注水模型

通過以上分析可知，在合適的天氣條件下（多選擇晴朗無風或微風天氣），通過控制注水壓力和注水時長可以控制表層雪質，以得到合格的冰狀雪賽道。為了得到可推廣應用于不同天氣條件下的制作技術，本研究基于試驗數據，以溫度區間、注水壓力和注水時長為關鍵因子進行了多元非線性擬合分析，得到了天氣-注水的關系模型，關系式如表3所示。

表3 天氣-注水關系模型Table 3 Weather-water injection relationship model

根據模型，我們繪制了不同天氣條件下雪表層密度、硬度（圖8）隨注水壓力和注水時長變化的分布。結果顯示，在氣溫接近0 ℃時，通過采用5～6 bar的注水壓力和6～9 s的注水時長方案，可以獲得合格的冰狀雪賽道，即賽道密度通常超過600 kg·m-3，硬度超過6 MPa。當氣溫處于-10～-5 ℃區間時，為獲得合格的冰狀雪賽道，建議將注水壓力適當增大到8 bar，同時相應縮短注水時長至4～7 s。在-15～-10 ℃的情境下，最佳的注水方案為6～9 bar 的注水壓力和4～8 s 的注水時長。這種方案組合可保證在低溫條件下制作出密度和硬度都符合要求的冰狀雪。當氣溫降至更低的-20 ℃附近時，建議將注水壓力進一步提高至10 bar，同時將注水時長延長至4～10 s。該方案可以達到相對最佳效果。

圖8 不同天氣條件下冰狀雪賽道表層密度、硬度與注水壓力、時長的關系Fig. 8 The distributions of surface density and hardness of icy piste varied with water injection pressure and duration under different weather conditions

通過精細調節注水壓力和注水時長以適應不同的天氣條件，我們可以制作出符合需求的冰狀雪賽道。這種根據天氣條件調整注水方案的方法不僅可以提高冰狀雪賽道的制作效率，也可增強冰狀雪賽道的整體質量。

3.4 模型驗證

為檢驗本研究擬定的天氣-注水模型的適用性，試驗團隊于2021年2月在國家高山滑雪中心開展了驗證試驗。試驗期間氣溫約為-6 ℃，因此選擇8 bar/5 s 和8 bar/7 s 的兩個注水方案進行賽道制作，并檢測得到了賽道物理性質。結果（圖9）顯示8 bar/5 s方案所獲賽道表層平均密度為623 kg·m-3，表層硬度隨深度迅速上升、至10 cm深度達到6 MPa。8 bar/7 s方案表層平均密度為621 kg·m-3，硬度迅速上升、在5 cm 和10 cm 深度均達到7 MPa 以上。簡而言之，兩種方案均獲得了合格的冰狀雪賽道，證明本研究提出的模型可應用于我國典型大陸性氣候區。

圖9 國家高山滑雪中心冰狀雪賽道制作試驗結果Fig. 9 Variations of the surface snow hardness in National Alpine Ski Center under 8 bar/5 s scheme （a） and 8 bar/7 s scheme （b）

3.5 討論

除上述天氣條件（包括氣溫、風速、云量等）、注水壓力和注水時長之外，還有很多因素可對冰雪變質過程產生影響，其中人造雪的含水量（濕度）、微觀結構（雪粒徑、比表面積）因為可直接影響粒雪燒結作用的效率，顯得尤為重要［28-29］。此外，冰狀雪賽道硬度并非越高越好，某些情況下雪易變質為冰，給運動員帶來受傷風險。

3.5.1 雪含水量對冰狀雪賽道的影響

受造雪機性能、不同經驗參數設置、現場條件（如水潔凈度）等因素的影響，人造雪含水量可能有顯著差異［30］。含水量較高時，自由水在雪層的孔隙中可凍結成不規則的顆粒，使雪粒之間連接變得脆弱，初始雪道硬度更低，也不利于壓雪效果。如我們在亞布力體育訓練基地的試驗過程發現，其基礎雪道含水量在20 cm 深度達到1.2%，顯著高于密苑云頂樂園［圖10（a）］，導致兩個密度相近的試驗賽道其初始硬度存在顯著差異，即亞布力體育訓練基地賽道硬度顯著偏低。經過注水試驗后，密苑云頂樂園8 bar/7 s方案和亞布力體育訓練基地10 bar/5 s方案，密度分別為638 kg·m-3和637 kg·m-3，硬度則分別為15.9 MPa 和8.3 MPa，雖然都達到了合格標準，但其賽道物理性質差距顯著。

圖10 亞布力體育訓練基地與密苑云頂樂園初始賽道表層雪含水量（a）和比表面積（b）變化Fig. 10 Surface snow water content （a） and specific surface area （SSA） （b） of the initiative icy piste in Yabuli Sports Training Base and Genting Resort Secret Garden

3.5.2 雪微觀結構對冰狀雪賽道的影響

雪的微觀結構越光滑，SSA 越大，雪顆粒之間連接更好。相對于大型的多面體結構，小圓形結構的粒雪每單位體積連接數量更多，硬度也就越高［31］。在亞布力體育訓練基地和密苑云頂樂園兩個試驗中，測量了密度分別為637 kg·m-3和638 kg·m-3的兩個雪層的平均粒徑和SSA［圖10（b）］，發現密苑云頂樂園賽道的表層雪SSA 顯著高于亞布力體育訓練基地，其微觀結構上更加均一，雪顆粒更近于小圓形。密苑云頂樂園的表層雪粒徑在0.1～0.15 mm 之間，亞布力體育訓練基地賽道的表層雪粒徑則在0.15～0.3 mm 之間。更大的顆粒和不規則的形狀導致雪顆粒連接更加脆弱，雪層結構穩定性差，質地就會更加松軟，硬度較低。因此，密苑云頂樂園試驗所獲得的賽道硬度遠高于亞布力體育訓練基地。

4 結論

為突破雪務保障技術難關之一，研發適用于中國大陸性氣候區的冰狀雪賽道制作技術，本研究采用注水法開展了不同天氣條件下的科學試驗，并通過檢測賽道密度和硬度的變化，進行了定量分析，得到如下認識：

（1）氣溫對試驗效果影響顯著，其中-15～-10 ℃的晴朗微風天氣是制作冰狀雪賽道的最佳條件。冰狀雪賽道表層物理性質對水壓具有較強敏感性，過高水壓會對賽道雪基產生破壞作用，因此賽道制作時對于高水壓的制作方案選擇應當慎重；同樣注水時長也應嚴格控制，防止過量水導致賽道融化或結冰，給運動員帶來受傷風險。

（2）通過定量分析建立了可推廣的天氣-注水方案模型，給出了適用于不同天氣條件下冰狀雪賽道制作方案，該方案在高山滑雪中心經過技術驗證，取得極佳效果。

（3）檢驗了人造雪含水量和微觀結構對賽道制作效果的影響，建議重視制作的上游過程，選擇合適天氣晴朗冷干天氣、采用細粒徑造雪機實施造雪，以降低人造雪的含水量、提高粒雪的均一性，進而提升初始賽道的穩定性和強度。

最后需要說明的是，本研究為世界公開資料顯示范圍內，第一個開展冰狀雪賽道定量研究的試驗，主要原因可能有兩方面：一是掌握此技術的部分團隊可能以保密態度開展工作，以獲取商業利益；二是此類試驗受到天氣和可選擇場地的限制，實施成本以百萬元計。也正因如此，本研究開展試驗次數有限，所獲取的數據量較少，可能限制了部分試驗結果的可信度。但是，在我國相關研究和技術領域空白的情況下，本研究建立了包括造雪、賽道鋪設-壓實、注水等多個關鍵技術環節的冰狀雪賽道制作標準化流程，提出了不同天氣條件下定量注水模型，也是國際上第一個冰狀雪賽道的定量模型，可為全球大型冰雪賽事舉辦提供智力和技術支撐。通過補充國際其他地區試驗進行修正，本模型有潛力應用于如俄羅斯、北歐、北美等冷干地區。

下一步，我們將協同冰雪競技有關部門、運動員，共同擬定可推廣的高山滑雪賽事業務標準，豐富我國高山運動的保障體系，進一步提升我國運動員訓練和保障水平，推動我國冰雪產業和冰雪競技高質量發展。