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全球变暖，冰雪消融，冬季运动是否随之融化？| 图源：pixabay.com 导 读 2022年北京冬奥会赛程接近尾声，即将在2月20日闭幕。四年之后的2026年，奥运健儿们将相聚意大利米兰。再四年之后，又会在哪儿呢？放眼全球，气候变暖，冰雪正在消融，冬季运动的未来将会怎样？冬奥会又将何去何从？ 2022年北京冬奥会赛程接近尾声，即将在2月20日闭幕。 在这场精彩绝伦的冰雪盛宴上，从一 “墩” 难求的冰墩墩到憨态可掬的雪容融；从 “丝带飞扬，连通世界” 的冰丝带到蜿蜒起伏、靠山静卧的雪如意，无不令人感到惊艳。作为历史上首个同时举办夏季奥运会与冬季奥运会的城市，北京吸引了全世界的目光。 与此同时，北京也要回应一些争议问题，比如，关于北京冬奥会大量使用的人工造雪，人们对此有两个疑问： 1.需要人工造雪的北京，是否满足举办冬季奥运会的气象指标？ 2.人工造雪的弊端，是否有被充分纳入考虑？ 人工造雪是人们应对不同的天气状况不得已而采取的技术型适应性举措，类似的措施还有例如采用室内人工滑冰场、使用带内置制冷系统的雪橇轨道等等。然而，由于其用水量巨大、能耗高、极大影响当地生态系统等弊端，人工造雪受到更多质疑。但实际上，目前国际重要赛事（尤其是冬奥会滑雪竞技项目）使用的几乎都是人工造雪 [1]。 在全球变暖的大环境下，未来雪场可能会更加依赖人工造雪、人工降雪等措施。由此也引发了另外两个问题：全球变暖冰雪消融，冬季运动是否会被影响？冬奥会又将何去何从？ 1.冬奥主办城市需要满足什么气象指标？ 首先我们来回答开篇的第一个问题——北京是否满足举办冬奥会的气象条件？ 根据国际奥委会的规定，冬奥主办城市需要达到两个核心的气象指标：一是2月份平均气温低于0℃；二是2月份积雪深度大于30厘米 [2]。其中，气温属于自然条件的硬指标，而积雪深度则更可能通过人工技术手段达到标准。 北京冬奥会共有三个赛区，北京赛区、延庆赛区，以及张家口赛区。北京赛区地处北纬40度左右，为典型的北温带半湿润大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，2月平均气温大约在零下4~6°C [3]。延庆赛区位于北京市西北部，平均海拔500米左右，山区面积为70%，受海拔与地形的影响，延庆是北京平均气温最低的地区，冬季平均气温比北京城区低5°C左右 [4]，2月平均气温在零下10.7°C [5]。张家口赛区所在的河北张家口市崇礼县，2月平均气温为零下4.7°C [5]。三个赛区均满足冬奥会的温度指标。 延庆赛区联合张家口赛区承办本次冬奥会所有的雪上项目。历史气象数据显示，延庆和崇礼县2月的平均降水量分别为0.14和0.22毫米/天，最大积雪深度分别为3.6和5.1厘米，积雪日数分别为4.6天和13.9天左右，积雪日数不足 [5]。由于滑雪场处于高山区，积雪深度比气象站点的观测数据大15厘米左右 [6]。但是，两个赛区还是没有达到 “积雪深度大于30厘米” 的指标，且远小于冬奥场馆50-60厘米雪深的要求。因此，气象学者早在2016年就预计，延庆、崇礼难以形成足够深度的雪，并得出 “可能60%-95%的赛事用雪将来自人工造雪，以应对可能的积雪不足” 的结论 [5]。 总体来说，北—张符合冬奥城市的温度指标，但积雪条件略显不足，需人工造雪加以辅助。需要指出的是，气象指标只是奥运会主办城市的决定因素之一，北京冬奥会的主要目标是让3亿人参与冬季运动，从而促进全球的冬季运动，这也是北京联合张家口能够成功申办2022年冬奥会的关键[1]。 2.冬奥主办城市需要怎样的气象风险管理？ 每届冬奥会闭幕后，主办方需要向国际奥委会提交一份官方总结报告，其内容涵盖了对举办奥运会整个过程——计划、准备、举办以及运营——的经验总结。一项针对自1924年至2010年冬奥会官方总结报告的统计研究显示，冬季奥运会赛事的顺利举行通常部分依赖于良好的天气条件；而恶劣的天气是主办方面临的巨大挑战之一 [7]。 例如，1976年因斯布鲁克冬奥会报告中提到，“主办方意识到，奇妙的天气对于赛普拉斯山上举办赛事的成功起到了相当大的作用” [8]。而2010年温哥华冬奥会报告中则提到，“有记录以来最暖的天气…… 挑战了我们准备比赛场地的能力” [9]。 2022年北京冬奥会也受到了恶劣天气的影响：2月13日张家口赛区迎来降雪，由于雪大、能见度低，赛道表面的黏稠程度受到影响，原计划13日上午10点举行的自由式滑雪女子坡面障碍技巧资格赛不得不推迟至14日进行（本项目也因我国奥运选手谷爱凌而广受关注）。
图1 谷爱凌在个人社交平台上发声称：“糟糕，太多雪了！明天再试试吧！” | 图源：twitter.com 上世纪50年代之前的冬奥会赛事往往在室外举办——面临的天气风险尤高 [7]。例如，1928年瑞士圣莫里茨冬奥会遭遇了暴风雪，许多赛事如冰球、速度滑冰和高山滑雪等都因此被推迟 [10]。1932年的普莱西德湖冬奥会由于过于温暖，冰雪场条件不佳，雪橇、速度滑冰等个别比赛不得不延期举行 [11]。这一阶段的天气风险管理仍停留在应急调整阶段 [7]——即出现恶劣天气之后再进行调整，这种天气风险管理明显具有滞后性。 如何提前预见可能出现的天气风险？上世纪40年代末，数值天气预报之父冯·诺伊曼开始将目光转向计算机对天气预报的应用，数值天气预报横空出世 [12]，1950年，首个24小时天气预报产品诞生 [13]。 1952年奥斯陆奥运会首次尝试通过分析历史气候数据（例如温度和降水量）来确定奥运会举办的最佳日期 [14]。在此之后，随着计算机的快速迭代，数值天气预报模式的模拟能力逐步增强，精度逐步提高；与此同时，气象观测站数量的增加也为预报提供了良好的数据支持，从1980年普莱西德湖奥运会开始，天气预报服务开始在冬奥会中发挥着起举足轻重的作用 [15]。 2022年北京冬奥会的雪上项目主要在张家口举行，由于张家口赛区海坨山以及崇礼的山势地形复杂、天气多变，针对该地区的天气预报以及天气风险管理是一个很大的挑战。而对复杂地形进行天气预报目前仍是世界公认的难题，准确预报既需要高精度的数值天气预报模式和气象观测系统，还依赖预报员的经验积累。 北京冬奥会的天气风险管理中提到了五个重点：加强气象观测、短时临近预报、中短期预报、关键地点和赛事的无缝预测和早期风险预警、智能气象服务支持 [16]。前文提及的2月13日北—张地区的降雪，北京冬奥组委在9天前就收到了降雪预报，并准备了相应的应急预案 [17]。 3.人工造雪——替代方案利弊几何？ 自上世纪60年代开始，冬奥会逐步开展应对天气风险的适应性技术举措，例如将冰球、花样滑冰、以及冰壶等冰上项目从室外转移至室内，采用人工制冷冰场、带内置制冷系统的雪橇轨道等[7]。究其原因，一方面是人们对冰雪项目场地质量的要求越来越高，仅依靠 “老天爷赏脸” 不能确保场地的稳定与赛事的正常进行，而技术的变革能够满足人们日益增长的需求；另一方面也反映出人们应对天气风险、以及全球气候变暖不得不做出的适应性改变。从这个角度看，人工造雪就是一项十分重要的举措。 自1980年美国普莱西德湖冬奥会首次采用人工造雪以来，在温哥华（2010年）、索契（2014年）以及平昌（2018年）等地举行的冬奥会均使用了人工造雪 [18]。为了保证雪上项目的顺利开展，2022年北京冬奥会也采用了人工造雪的技术。相比于天然雪，人造雪的可控性更高，具有雪层单一、性状稳定的优点 [19]。在经过压雪、平整、注水等工序之后，人造雪的物理性质更为一致，从而保证了比赛的公平性和安全性 [20]。 但人工造雪的弊端也不容小觑。首先，人工造雪需要大量的水。造雪机的原理是：将水注入一个专用喷嘴或喷枪（俗称雪枪或雪炮），利用高压空气将水流打散成微小的粒子，再将这些粒子迅速冷凝结晶喷射出去，就成为人们看到的雪花。因此，水是人工造雪必不可少的原料，通常1吨水可以造1.7立方米的雪 [21]。本届北京冬奥会造雪总计划用水39万吨，主要来自附近水库以及人工蓄水池 [22]。 另外，人工造雪的能耗高、价格贵，生产1立方米的雪大约需要3.5-4.3度电 [23]。根据美国国家滑雪场协会2012年的统计报告，协会成员中有88%的滑雪场采用了人工造雪技术，平均每年需要多花费50万美元或更多用于人造雪，占了度假村总能源成本的50% [24]。 部分科学家指出，人工造雪会给当地生态系统造成影响。一方面，用于供给水源的人工水库或蓄水池会给当地环境造成影响（移民对社会环境的影响；水库对生物多样性的影响，尤其是对水生生物、鱼类资源；水土流失等）[25]；另一方面则是人造雪自身给生态系统带来的影响。例如建人工雪道的 “压实” 过程有可能会导致土壤霜冻，造成植物的机械损伤以及生长发育缓慢 [26]。而且人工雪比自然雪融化得更慢，对植物生长的阻碍作用也更大。另外，人工雪道往往通过撒盐来提高雪质，而常见的硝酸盐有强烈的施肥效果，土壤性质以及植物物种组成的改变会影响当地自然环境 [26]。 为了尽可能减轻人造雪给环境带来的额外负担，本次北京冬奥会的造雪设备100%使用可再生能源 [1]，并采用将雪 “循环利用” 的方案——雪场的雪消融后，通过蓄水设备将融化的雪水积蓄起来，经过沉积、过滤等步骤后进行再次造雪，从而实现雪资源的高效利用 [27]。另外，雪季后期融化的雪水会有一部分重新回到蓄水池和景观湖中，这些水将作为绿化景观和农业灌溉循环利用 [27]。 4.全球变暖，还有哪些城市适合举办冬奥会？ 2022年北京冬奥会给全球观众带来了一场冰雪运动的盛宴，也在城市内外掀起了一波 “冰雪热”。然而，在全球变暖的大背景下，冰雪运动也首先受到冲击。 2019年的一项研究通过模型对27个滑雪国家的雪季长度（雪季：积雪深度大于30厘米，适合滑雪的季节）和可靠滑雪区域面积（可靠滑雪区域：该滑雪区每年至少有100天的积雪深度大于30厘米 [28]）进行预测，结果表明，如果不控制温室气体排放，到2050年，加拿大魁北克和安大略省滑雪场雪季将至少缩短30%；奥地利蒂罗尔和意大利南蒂罗尔滑雪胜地的滑雪场面积将至少减小50%；如果没有人工造雪的技术辅助，这两个地区将有可能完全失去雪季 [29]。 美国学者对全美境内的247处滑雪度假村进行预测，结果显示到2050年所有度假村可以开展高山滑雪的时间将缩短50%，部分度假村到2090年将缩短80%。这将每年影响百万至千万的游客，同时带来每年上亿美元的经济损失 [29]。 瑞士学者研究发现，如果全球气温升高2°C，将造成瑞士境内整体滑雪场地面积减少21%，瑞士东南部格劳宾登州的雪场虽然几乎不受影响，但是由于人们无法前往其他雪场而集中于该雪场，大量的访客可能损害当地环境和高山生态系统。另外，著名的汝拉山滑雪胜地，瑞士东、中、西部低海拔地区的冬季旅游业都将遭受重创 [30]。 法国学者对法国阿尔卑斯山129个滑雪度假村不同时期（过去1986-2005年，近未来2030-2050年，本世纪末2080-2100年）的积雪可靠性进行了研究。结果显示，对于自然雪场（仅通过压雪作业将天然雪压实），在全球变暖低于2°C的情况下，使用人工雪（使用面积45%）有助于提高滑雪场的积雪可靠性；但是如果全球变暖超过3°C，滑雪场的积雪条件将经常变得不可靠，而这意味着人们将更多地使用人工雪，从而导致更高的用水需求 [32]。
图2 在温室气体高排放情景下（第3列上下两张图），2080-2010年法国境内阿尔卑斯山脉129个滑雪场的自然雪场（上）的积雪可靠性大大降低；而人工雪场的积雪可靠性虽然降低，但是降低幅度没有自然雪场大。在温室气体低排放情境下（第4列上下两张图，橘色虚线框），自然雪场（上）与人工雪场（下）的积雪可靠性均大于高排放情景。图中的饼状分布图蓝色越多代表积雪可靠性越高，灰色越多代表积雪可靠性越低。（RCP8.5代表温室气体高排放情景。RCP2.6代表温室气体低排放情景）| 图源 [32] 而冬奥会呢，是否也会受到影响？ 一项新的研究 [36] 对自1924年以来曾举办过冬奥会的21个城市根据冬奥气象指标进行分析，评估其到本世纪末是否还是一个可靠的冬奥会主办城市。结果表明，如果《巴黎协议》的排放目标得以实现（《巴黎协定》：2016年由全世界178个缔约方共同签署的气候变化协定，协定提出的长期目标是将全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2°C，并努力将气温上升幅度限制在1.5°C以内 [35]），到2080年，21个城市中仅有8个仍可是可靠的主办城市——温哥华（加拿大）、卡尔加里（加拿大）、盐湖城（美国）、普莱西德湖（美国）、利勒哈默尔（挪威）、奥斯陆（挪威）、札幌（日本）和长野（日本）。 而如果全球温室气体排放不加以控制，到本世纪末，则仅剩日本札幌是唯一能够可靠举办冬奥会的城市。 作者：程鸽（汉堡大学气象学系） 参考文献： [1] https://olympics.com/ioc/news/snow-climate-change-and-the-olympic-winter-games (Accessed on 16.02.2022) [2] http://news.xhby.net/zt/xjbj/yw/202112/t20211220_7354894.shtml (Accessed on 16.02.2022) [3] https://m.tianqi.com/qiwen/city--2/ (Accessed on 16.02.2022) [4] 王佳丽, 张人禾, 王迎春. 北京不同区域表面气温的变化特征 以及北京市观象台气温的代表性[J]. 气候与环境研究，2012，17（5）：563-573． [5] 肖王星, 效存德, 郭晓寅, 马丽娟. 北京-张家口地区冬春季积雪特征分析[J]. 冰川冻土, 2016, 38(3): 584-595. 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