2017, Vol. 13 
2. 中国科学院地理科学与资源研究所，陆地表层格局与 模拟院重点实验室，北京 100101
第二十四届冬季奥林匹克运动会(简称“冬奥会”)将于2022年2月4—20日在中国北京和张家口举行[1]。根据奥组委的赛事安排计划，张家口市的崇礼县将承办其中跳台滑雪、单板滑雪、自由式滑雪、北欧两项、冬季两项和越野滑雪等项目比赛。国际奥委会认为：对于雪上运动而言，天然雪是最好的，人工造雪也很重要；温度过低会影响人体的反应速度[2]，过高又会造成雪场融化；所以要求赛事承办地的降雪期在4个月以上，且4个月的平均温度不低于−18 ℃ [3]。冬季雪上运动项目因需在室外举行，故对气象条件要求更高。在冬奥会举办历史上，曾有多届赛事受到异常天气的影响。1980年普莱希德湖冬奥会由于雪量严重不足而首次采用了人工造雪的方法；1984年萨拉热窝、1992年阿尔贝维尔和2010年温哥华等冬奥会，都曾因雪质不理想导致部分项目的赛事推迟或延误；1998年日本长野冬奥会更是因受暴雪影响，使得高山滑雪的所有赛事连续推迟6 d [4-6]。
冬奥会是举世瞩目的大型体育赛事，国际奥委会对冬奥会举办地的雪季长度、降雪量等都有一定要求。崇礼县位于张家口市东北部，距离北京约220 km，冬季平均气温−12 ℃，年降水量488 mm，属中温带半湿润与半干旱气候交界区。境内阴山山脉东段的大马山群山支系和燕山余脉交接，形成山连山、沟套沟的地貌特征，海拔813~2174 m，最大高差达1361 m [7]；受到地形的影响，这里降雪丰沛，年均降雪量63.5 mm，存雪期150多天，最大积雪厚度达1.5 m左右，冬季平均风力2级，滑雪期约100 d左右；因此，从地形和气象条件来看，崇礼被认为是中国开展滑雪运动的理想地之一[3, 8-9]。
然而，因赛场气象条件是决定冬奥会举办成功与否的关键因素之一，赛场雪量充足与否也一直是国际奥委会的最大关切。因此，深入了解冬奥会承办地的气候条件，特别是降雪状况的多年变化特征，是奥组委、赛事参与者、志愿者、保障团队，以及社会公众等关注的一个核心问题[10]；且也有一些研究案例。如Horel等[4]就利用历史气象观测资料，详细分析了2002年盐湖城冬奥会举办地的冬季降雪日数、雪量条件以及赛期期间各日降雪和发生暴雪的概率，辨识出发生不利天气条件的时段；而最近的2014年索契冬奥会也进行了类似研究[10]。为此，本文拟利用崇礼气象站1960—2014年的逐日观测资料，对其雪季降水变率及冬奥会赛期的降雪日数、降雪量多年变化特征进行统计分析，以期为2022年冬奥会赛场充分利用降雪资源、造雪补给、赛场维护与赛事具体计划制定、赛事期间的气象条件预测及预报等保障服务提供基础资料和参考依据。
1 资料与方法2022年冬奥会雪上项目赛场为崇礼云顶滑雪场(约115°26′ E，40°57′ N)，地处大马群山中，海拔约1600~2100 m，主要包含两块场地：一为冬季两项和北欧两项比赛场地；二为云顶滑雪公园，承办其他项目赛事。两块场地之间为奥运村和媒体区(图 1)。本文所使用的观测资料来自崇礼气象站。该站位于云顶滑雪场西侧，距滑雪场仅11.9 km，且海拔高度也达1251 m，因而具有较好的代表性。该观测资料由河北省气象局提供，并已经过严格的质量控制；具体包括1960—2014年逐日降水和天气现象资料，长度为55年，含盖54个冬季，且记录完整。
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注：赛场1为冬季两项和北欧两项赛场；赛场2为云顶滑雪公园。 图 1 2022年冬奥会赛场和崇礼气象站的地理位置 Figure 1 Location of Olympic zone and Chongli meteorological station |
文中分析的指标包括：降雪初、终日期，雪季长度，雪季内的最长连续无降雪时段，以及冬奥会赛期前和赛期间的降雪日数、降雪量及逐日降雪概率，且只统计固态降雪，不包含雨夹雪。其中雪季长度指前一年降雪初日至当年降雪终日之间的天数[11-13]；雪季内的最长连续无降雪时段指日降水量 < 1 mm的最长连续天数[14-16]。冬奥会赛期前的降雪状况以旬为单位统计，时段自雪季初日的多年平均值所在旬起至冬奥会赛期首日(2月4日)所在旬止；而冬奥会赛期(2月4—20日)的降雪日数、降雪量及降雪概率则以d为单位统计。降雪概率计算方法如下：
| $ p = n/N × 100\%。$ | (1) |
式中n指某日出现降雪的年数，N为总年数，即54年；如1961—2014年间，2月4日共有11年出现降雪，则p为20.4%。而为确定雪季内连续无降雪时段的集中期，本文还采用同样方法计算雪季内每日出现在最长连续无降雪时段的概率。分析这些指标的具体应用有：分析降雪初、终日期，雪季长度，最长连续无降雪时段，可揭示赛事举办地的气候条件，并有助于在人工造雪时避开不利时段；分析冬奥会赛期前的降雪日数和降雪量等有助于赛场充分利用降雪资源、进行赛场维护; 而赛期期间的降雪日数、降雪量与概率分析，则可为赛事具体计划制定与赛事期间的气象条件预测、预报等提供历史背景资料。
2 结果分析与讨论 2.1 降雪初终日、雪季长度及最长连续无降雪时段 2.1.1 降雪初、终日及雪季长度图 2给出崇礼1961—2014年降雪初、终日期及雪季长度的逐年变化。从图中可以看出，崇礼最早降雪初日为10月13日(1966年)，多年均值为11月2日；最迟降雪终日为4月30日(1991年)，多年均值为4月6日；雪季长度最长和最短的年份分别为1991年(190 d)和1989年(123 d)，多年平均为156 d。从开始降雪至赛期始日(2月4日)的日数平均为94 d，其中降雪最迟年份也有70 d，这保障了赛场有充足的时间积雪。年代际变化特征显示：20世纪60年代后期和20世纪80年代末初雪日较早，90年代后期初雪日较迟，自2005年前后起虽略有提前，但目前仍处于较迟水平；而且降雪初日还存在推后趋势(约2 d/10a，通过0.05的显著性检验)。终雪日期则是1967—1975年较早，1996—2006年较晚，2009年以来又开始提前。这导致雪季长度也在年际和年代际波动中逐渐缩短。其中20世纪60年代后期和20世纪80年代雪季较长；而20世纪60年代前期、70年代初、90年代及2010年以后雪季则较短；线性趋势达−2.2 d/10a(通过0.1的显著性检验)。从雪季长度趋势变化看，尽管到2022年仍可保持在150 d左右；但因其年际变率大，故需予以充分注意，特别是需对未来几年的雪季初日及长度加强监测和分析，以便为2022年的气候预测、赛期前后的气象预报以及赛场准备、维护等提供更有力的保障。
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图 2 (a) 崇礼1961—2014年降雪初始日期和终止日期的逐年变化；(b)雪季长度逐年变化 Figure 2 (a) Annual variation of beginning and ending dates of snowfall during 1961-2014 at Chongli; (b) Annual variation for the length of snow season |
从1961—2014年崇礼雪季内最长连续无降雪日数和发生时段(图 3a)看：其持续最长的年份达101 d(1977年)，最短年份为22 d(1981年)，多年平均为53.4 d；有51.8%的年份持续长度 < 50 d。逐年变化显示：1985年以前最长连续无降雪时段的开始时间较早，其中有5年始于11月15日之前；而1986—2002年，最长连续无降雪时段开始时间较晚，均在11月15日之后；但自2003年起，最长连续无降雪时段开始时间又有提前，其中有3年早于11月15日。另外，从最长连续无降雪时段初、终日的趋势可知，最长连续无降雪时段还有微弱的逐年推后趋势，初、终日分别以3.4 d/10a和4.6 d/10a的趋势逐年推后，但初日变化趋势并不显著，而终日的变化趋势已通过0.05的显著性检验。
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图 3 崇礼1961—2014年最长连续无降雪时段：(a)年变化；(b) 54年和各年代雪季内各日期出现在最长连续无降雪时段的概率 Figure 3 Maximum spells without snowfall during 1961−2014 at Chongli: (a) annual variation, (b) probability of each date included in maximum spells without snowfall in each decade and total 54 years |
图 3(b)给出1961—2014年中雪季内每日出现在最长连续无降雪时段的概率及其年代际变化，且表 1总结了概率 > 50%和 > 60%的时段及其长度。结果显示，在54年中，概率 > 60%的日数有35 d，集中在12月23日—1月26日；概率 > 50%达52 d，集中在12月10日—1月30日。从年代际变化看：20世纪60年代，概率 > 60%的日数有29 d，时段集中在12月10日—1月7日；概率 > 50%的日数有39 d，时段集中在12月3日—1月10日。20世纪70年代，概率 > 60%的日数有28 d，发生在12月26日—1月22日；概率 > 50%的日数有50 d，发生在12月7日—1月25日，为各年代最长。20世纪80年代中，概率 > 60%的日数有16 d，时段为12月23—28日和1月8—10日；概率 > 50%的日数有37 d，时段为12月17日—1月22日。20世纪90年代，概率 > 60%的日数有15 d，主要发生在1月23—26日和2月3—13日2个时段，相对其他年代明显延后；概率 > 50%的日数有43 d，主要发生在1月12日—2月23日。特别是自21世纪以来，概率 > 60%的日数有40 d，明显多于其他年代，时段为12月30日—2月7日；概率 > 50%的日数有43 d，时段为12月29日—2月9日。这说明在赛期前出现连续无降雪的可能性较大，这一方面可为赛事的前期准备提供良好的天气条件，但另一方面又会给赛场的雪量补给带来不利影响。而各年代中，概率较小(低于30%)的时段都集中在11月到12月上旬和2月下旬到3月。此外，54年的统计结果还显示：在2月4—20日间，各日出现最长连续无降雪时段的概率在50%以上的日数为0；概率为40%~50%的有10 d(时段为2月4—13日)；概率在40%以下的有7 d(时段为2月14—20日)；这说明冬奥会赛期避开了连续无降雪概率最高的时段，有利于赛期充分利用天然降雪资源。
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表 1 各日期出现最长连续无降雪时段概率 > 50%的集中度及天数 Table 1 Concentrated periods and the length over 50% probability of each date included in maximum spells without snowfall |
表 2统计了54年里最长连续无降雪日达20 d以上的发生年数。从中可见：最长连续无降雪日数在50 d以下的年数有28年，占53%；其中21~30 d的有10年，31~40 d和41~50 d均为9年。而最长连续无降雪日数达到80 d以上的年数出现较少，其中仅有4年达81~90 d(占7%)；有3年超过90 d (占6%)。
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表 2 1961—2014年最长连续无降雪日数发生的年数及百分率 Table 2 The number of years and percentage of maximum spells without snowfall during 1961-2014 |
雪上运动需要长时间的降雪累积，也需要保证足够长的干雪期。图 4给出冬奥会赛期前各旬降雪日数和降雪量的多年平均。其中旬降雪日数最大值为2.35 d(12月下旬)；次大值为2.28 d(1月下旬)；最小值仅1.05 d(11月上旬)。降雪量最多的旬达2.6 mm(11月上旬)，最少的旬为1.0 mm(1月中旬)。11月至2月上旬降雪量的多年平均为16.8 mm，按照积雪深度和降雪量的比值0.9~1.0 cm/mm计算[17]，相当于15~17 cm的积雪深度。此外，分析还发现：1961—2014年间，11月上旬降雪量超过5 mm的有10年，其中超过10 mm的有3年；而其他各旬降雪量超过5 mm的最多也只有5年，1月中旬甚至仅有1年。这说明：11月上旬降雪日数虽少，但降雪量较大；而除此之外的其他各旬降雪日数和降雪量的差异均不大；这有利于赛场的天然降雪及时补给。
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图 4 崇礼1961—2014年冬奥会赛期前各旬降雪日数和降雪量的多年平均 Figure 4 Mean snowfall amount and snowfall days in each ten-day of each month before the Olympic Winter Games during 1961-2014 at Chongli |
表 3统计了冬奥会赛期前各旬降雪日数发生的年数(如11月上旬降雪日数为0 d的有22年)。降雪日数为0 d、1 d和2 d的情况在各旬出现的年数多在10年以上。其中11月上旬和2月上旬降雪日数为0 d的年数最多；2月上旬降雪日数为1 d的年数最多；11月中旬到12月上旬和1月中旬，降雪日数多为2 d；1月下旬降雪日数多为0 d和2 d; 12月中旬和1月上旬，降雪日数为1 d和2 d的年数最多。11月上旬和中旬、12月上旬和中旬、1月下旬和2月上旬降雪日数都在6 d以内，11月下旬、1月上旬和中旬出现了降雪日数为7 d的年份，而12月下旬出现了降雪日数为9 d的年份。总体看降雪日数 > 5 d的年份在各旬出现均较少。
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表 3 冬奥会赛期前各旬发生特定降雪日数的年份数 Table 3 The number of years for specific snowfall days in each ten-day from November to February before the Olympic Winter Games |
图 5(a)为冬奥会赛期间每天发生降雪的概率和降雪量的多年平均值。其间降雪发生的概率范围为12.9%~31.5%，最小值和最大值分别出现在2月12日和2月17日。降雪量的最小值和最大值分别出现在2月15日和2月17日。其中降雪量多年均值≥ 0.2 mm的有9 d(分别为2月6日、2月10~11日、2月14日、2月16~20日)；降雪量多年均值 < 0.1 mm的有3 d(分别为2月12日、2月13日和2月15日)。赛期间降雪量的多年均值换算成积雪深度约为3 cm [17]。整体上看，冬奥会图 4赛期间的后期降雪概率和降雪量多年均值都大于前期。图 5(b)还给出了1961—2014年冬奥会赛期间各降雪日数发生的年数及对应的概率。从中可见：在2月4—20日，降雪日数多为1~7 d，其中以2 d和4 d发生年数最多，分别为17年和12年，约占全部年数的31%和22%；而降雪日数达到8 d以上的年数较少，仅有2年降雪日数为9 d，1年降雪日数为12 d。
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图 5 崇礼1961—2014年2月4—20日降雪概率和降雪量多年均值(a)，以及各降雪日数发生的年数及对应的概率(b) Figure 5 (a) Mean snowfall amount and probability of snowfall, and (b) the number of years and probability of snowfall days in the period of Olympic Winter Games during 1961−2014 at Chongli |
此外，统计还发现：在过去54年中，崇礼共出现8次降雪量达到暴雪级别(日降雪量≥ 10 mm)的极端事件。其中发生在11月份的有3次，分别是：2012年11月4日(26.1 mm)、1972年11月5日(12.0 mm)、1981年11月2日(10.2 mm)；发生在3月份有4次，分别是：2010年3月14日(17.4 mm)、2007年3月4日(14.9 mm)、2013年3月12日(11.7 mm)和1974年3月30日(11.4 mm)；发生在2月的仅有1次，1979年2月22日(19.9 mm)。达大雪级别(日降雪量≥ 5 mm)只有1次，出现在1962年2月10日(8.2 mm)。且整个54年中，在2月4—20日中雪(日降雪量为2.6~5.0 mm)也只有10次。这说明：赛期期间降雪事件主要是中小雪，而出现暴雪的概率为0，出现大雪的概率也极低，也意味着赛事期间因极端降雪而发生赛程改变的可能性不大。
3 结论对张家口崇礼1960—2014年雪季与冬奥会赛期的降雪特征分析表明，崇礼的雪季长，除赛期前发生连续无降雪的可能性较大外，其他条件均较好，利于成功举办2022年的冬奥会。主要结论如下。
(1) 崇礼的降雪初日最早为10月13日，降雪终日最迟为4月30日，初、终日的多年平均分别为11月2日和4月6日；雪季长度最长和最短分别为190、123 d，多年平均为156 d。从开始降雪至赛期始日(2月4日)的日数平均为94 d，其中降雪最迟年份也有70 d，这保障了赛场有充足的时间积雪。
(2) 雪季期间最长连续无降雪时段最长年份为1977年(101 d)，最短年份为1981年(22 d)，多年平均为53.4 d，其中有51.8%的年份持续长度＜50 d；概率 > 50%最长连续无降雪时段达52 d，集中在12月10日—1月30日。这一方面可为赛事的前期准备提供良好的天气条件，但另一方面又会对赛场的雪量补给带来不利影响。
(3) 冬奥会赛期前各旬降雪日数多年平均最大为2.35 d(12月下旬)，最小为1.05 d(11月上旬)；降雪量最多旬为2.6 mm(11月上旬)，最小旬为1.0 mm (1月中旬)；除11月上旬降雪日数少，但降雪量较大外，此后各旬降雪日数和降雪量的差异均不大。这有利于赛场的天然降雪及时补给。
(4) 冬奥会赛期间降雪日数的多年平均为3.7 d，降雪量为3.2 mm，平均每4~5 d发生一次降雪，各日发生降雪的概率为12.9%~31.5%，且主要为中小雪，出现暴雪概率为0，出现大雪概率极低。这意味着赛事期间因极端降雪而发生赛程改变的可能性不大。
然而，值得注意的是：自1961年以来，崇礼的降雪初日有显著推迟趋势，导致雪季长度有所缩短。尽管从目前的变化趋势看，到2022年仍可保持在150 d左右；但因其年际变率大，故需予以充分重视；特别是需对未来几年的雪季初日及长度加强监测和分析，以便为2022年的气候预测、赛期前后的气象预报以及赛场准备、维护等提供更有力的保障。此项工作也可作为今后赛场选址科研阶段的工作内容之一。
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