陳明軒 付宗鈺 梁豐 金榮花 薛紅喜 李靖 劉湊華 甘璐 孫超 時少英 王宗敏 陳昊明
(1 北京城市氣象研究院,北京 100089;2 北京市氣象局,北京 100089;3 中國氣象局預報與網絡司,北京 100081; 4 北京市氣象臺,北京 100089;5 國家氣象中心,北京 100081;6 國家氣象信息中心,北京 100081; 7 河北省氣象臺,石家莊 050022;8 中國氣象科學研究院,北京 100081)
天氣是冬奧會成功與否的決定因素,精準氣象預報是現代冬奧會成功舉辦的最重要條件之一。冬奧會雪上項目主要在地形復雜的山區舉辦,賽事安排與賽場天氣狀況密切相關,需要根據天氣預報找到價值萬金的“窗口期”,精確的風、溫、濕度、能見度等的預報預警直接影響到運動員發揮,甚至影響到比賽安全。冬奧會外圍保障、賽事觀賞、交通、媒體轉播、應急救援等均會受到不同氣象條件的直接影響,相關的氣象預報預警也極為關鍵。
鑒于山區地形復雜、氣象數據稀少等原因,小尺度山地氣象監測預報一直是國際氣象科技難題。近幾屆冬奧會舉辦前,主辦國均開展了氣象保障服務的示范計劃,薈集國內外的先進氣象研發成果提供冬奧氣象監測、預報和服務的科技支撐。2010年溫哥華冬奧會,加拿大環境部組織實施了SNOW-V10示范計劃:通過在賽場周邊建立稠密立體氣象監測網,并針對山區暴雪等敏感氣象條件建立多種特殊氣象儀器,開展冬季連續觀測試驗;在預報技術方面,開發包括1公里分辨率數值預報系統等多種針對冬奧會氣象保障的精細預報系統,并開展復雜地形下降水相態、低能見度等關鍵問題的深入研究。2014年索契冬奧會,俄羅斯水文氣象中心組織實施了FROST-2014示范計劃:在賽場周邊增加常規氣象觀測,布設與冬奧密切相關的特殊氣象要素觀測,在前期數據分析基礎上,實現分鐘到小時間隔的冬奧特殊氣象監測數據服務;開展賽場周邊冬奧高影響天氣研究,通過局地資料同化、高分辨率數值模式和集合預報等技術研發,提高冬奧賽區客觀氣象預報水平,局地分辨率達0.25 km×0.25 km。2018年平昌冬奧會,韓國氣象廳組織實施了ICE-POP 2018示范計劃:組建稠密立體觀測網提高賽場及周邊氣象探測能力;開展山地和海洋對賽區氣象條件綜合影響研究,加強冬季山地數值預報技術研發,CMA、ZAMG等1 km×1 km分辨率數值模式產品及Roshydromet1~0.55 km分辨率數值模式產品提升低能見度和降水相態等預報精度;推進氣象服務展示形式網絡化、智能化,服務內容也涉及不同類型冰雪運動。從近三屆冬奧會氣象示范計劃來看,稠密氣象監測與數據分析、高時空分辨率無縫隙客觀預報、智能化預報服務成為冬奧氣象技術的重點發展方向。
以往冬奧會的舉辦地大多為海洋性氣候控制,其氣象預報服務的關注重點是降雪(降雨)和能見度。而北京冬奧會是近20年來唯一一屆在大陸性冬季風主導的氣候條件下舉辦的冬奧會,與往屆冬奧會氣候條件不同,導致中小尺度天氣特征不同,從而面對的氣象監測、預報、服務的關注重點也不同。從北京冬奧會氣候風險評估結果來看,對于冬奧會張家口賽區、延慶賽區和北京賽區的不同室外賽事和相關外圍保障服務來說,大風、低溫、暖溫融雪、降水、低能見度等多種氣象風險均不同程度的存在,特別是不同的室外賽事對風、溫等氣象條件的臨界閾值要求差異較大,因此對于大風、低溫和暖溫融雪等的預報預警,需要給與特別關注。
基于調研和分析,根據北京冬奧組委“一項一策”的保障需求,中國氣象局提出了“百米級、分鐘級”的冬奧氣象科技目標,力爭到2022年冬奧會舉辦時,用最先進的氣象科技手段、最精準的氣象預報,為賽事運行提供精確到分鐘級、百米級的氣象監測、預警預報及賽事專項服務產品。
為滿足北京冬奧會高精度天氣預報服務剛性需求,在做好既有的冬奧氣象科技研發的同時,中國氣象局組織實施“智慧冬奧2022天氣預報示范計劃(SMART2022-FDP)”(以下簡稱“示范計劃”),廣泛征集國內優秀的精細化氣象要素客觀預報技術方法和系統,通過在2021年北京冬奧測試活動和2022年北京冬奧會正式賽期期間開展天氣預報示范的方式,為冬奧氣象保障提供更多更好的高時空分辨率氣象科技產品支撐,示范計劃遴選出的優秀客觀數據產品,將成為冬奧會氣象保障服務的重要支撐和預報參考依據。通過示范計劃,也可對目前國內不同單位、不同部門研發和運行的高分辨率數值天氣預報模式以及快速融合與集成預報、數值降尺度預報、統計釋用預報、人工智能天氣預報等各種技術、系統和方法進行平行評估和對比檢驗,從而推動我國精細化天氣預報技術的深入發展,提升人工智能技術在高精度天氣預報服務中的融合應用水平,促進相關核心技術在國家重大活動氣象保障服務及氣象防災減災等方面的深化應用。
示范計劃在中國氣象局冬奧氣象服務領導小組(中國氣象局冬奧氣象中心)統一領導下,由中國氣象局預報與網絡司主辦、應急減災與公共服務司和科技與氣候變化司協辦,冬奧北京氣象中心(北京市氣象局)具體承辦,其具體組織機構如圖1所示。成立示范計劃管理組,負責示范計劃總體組織協調和重大事項決策,下設協調辦公室,負責具體工作協調。成立示范計劃指導專家組,負責技術咨詢、指導和評估。成立四個示范計劃專項工作組,負責為示范計劃的籌備和組織實施提供支持:1)系統示范組,負責示范計劃總體技術方案制定、總體技術協調,統籌組織解決示范計劃執行中出現的技術問題;2)數據保障組,負責數據技術規范的制定,負責向參加示范系統提供示范計劃所需各種數據,負責示范系統數據產品的收集、分發;3)產品集成組,負責組織開發統一的示范計劃產品集成顯示平臺,對全部有效示范產品和檢驗結果進行展示;4)檢驗評估組,負責制定統一的示范產品檢驗標準,建立檢驗系統,對全部有效示范產品開展檢驗評估,發布檢驗評估報告。

圖1 智慧冬奧2022天氣預報示范計劃技術體系圖 Fig. 1 Technical system diagram of 2022 weather forecast demonstration plan for smart Winter Olympics
2020年3月,示范計劃正式啟動,向全國廣泛征集參加者,共征集到22家單位(氣象部門內11家,氣象部門外11家)研發的38個系統報名參加。總體來說,參加示范計劃的系統均采用的是目前最先進的高精度天氣預報技術方法,主要包括以下4大類:次千米級分辨率數值模式和多源資料快速同化技術,次千米級分辨率和次百米級分辨率多源數據快速融合與集成預報技術,次千米級分辨率和次百米級分辨率數值降尺度預報技術,基于人工智能(機器學習和深度學習)的次百米級格點及站點預報技術。需要特別指出的是,上述次百米級預報技術和人工智能預報技術是國際上第一次在冬奧會氣象服務保障中獲得應用,體現了復雜地形下高精度天氣預報技術方法的發展趨勢。另外,區域數值天氣預報也正在向著千米級甚至更高分辨率發展。根據計劃安排,示范計劃分為五個階段:2020年3—12月為各參加系統的技術準備期;2021年1—4月完成第一次實時運行測試和檢驗評估,篩選出進入第二次實時運行測試的系統;2021年5—9月,系統改進完善,并于9月1—15日參加第二次實時運行測試,確定最終示范系統;2021年10月—2022年3月開展正式預報示范;2022年4—6月總結評估。
2.1.1 示范產品
按照支持冬奧實戰應用、切實為冬奧會氣象預報服務提供強有力科技支撐產品的原則,此次示范計劃的產品緊密圍繞冬奧氣象預報團隊的需求,重點提供預報員可直接參考的高分辨率近地面氣象要素預報、高精度三維實況分析、冬奧關鍵點位氣象要素垂直廓線等產品,主要分為站點產品和網格產品兩大類,其中網格產品又分為次千米級分辨率和次百米級分辨率兩類。
1)站點產品,包含冬奧組委最終確定的張家口賽區、延慶賽區和北京賽區所有場館預報站點,預報要素17個左右,預報時效至少達到72 h(最長240 h);預報間隔為:0~24 h為≤1 h,24~72 h為≤3 h,72~240 h為≤6 h;預報更新頻率≤3 h。
2)次千米級網格產品,覆蓋范圍為京津冀區域,網格分辨率≤1 km,預報時效≥24 h,預報間隔≤1 h,預報更新頻率≤24 h。
3)次百米級網格產品,覆蓋范圍為冬奧山地賽區(包括張家口賽區和延慶賽區)。網格分辨率≤100 m,預報時效≤24 h,預報間隔≤1 h,預報更新頻率≤6 h(如果僅提供客觀實況分析產品,更新頻率≤30 min)。站點數據產品格式統一為XML格式文件。次千米級和次百米級網格數據產品統一為經緯度網格格距的NetCDF格式或GRIB2格式。
除了上述基本產品外,也鼓勵各參加單位提供其他能夠支撐冬奧賽事保障的特色精細化預報產品。如提交特色示范產品,應同時給出相應檢驗評估方法、實時檢驗結果和集成顯示建議等信息。
2.1.2 檢驗規則
為了更加科學地評估示范計劃各模式、系統的分析和預報產品,需要開展相關的常規和非常規多維度檢驗評估。目前,對于冬奧賽場站點預報產品,取每日11、17時(北京時)起報的張家口賽區、延慶賽區和北京賽區的共計29個冬奧站點預報進行檢驗,包括冬奧組委確定的北京賽區、延慶賽區和張家口賽區的預報核心點位,以及北京觀象臺、延慶站和河北張家口站。最長預報時效為未來10 d,計算時間間隔為1 h、3 h的整點量和統計量、逐日統計量,檢驗要素包括近地面氣溫、濕度、平均風速風向、陣風風速風向、能見度、降水、降雪、積雪深度等及其相關統計量。對于次千米級網格預報,檢驗時段為24 h內逐小時,檢驗要素為近地面氣溫、平均風向風速,陣風風向風速、能見度,地面降水、降雪、積雪深度等,以及上述要素相關統計量,檢驗站點包括京津冀范圍內現行網格預報業務檢驗站點和冬奧預報站點。對于次百米級短時臨近預報,檢驗時段為6 h內逐10 min,檢驗要素為近地面氣溫、平均風向風速,陣風風向風速、能見度,地面降水、降雪、積雪深度等,以及上述要素相關統計量,檢驗站點包括延慶和張家口賽區范圍內的冬奧預報站點,以及數據質量較好的區域自動站站點(國家級區域考核站)。上述檢驗策略是:選擇距離站點最近的格點預報作為站點預報值,有多個距離相等的格點取東北角格點,將該站點預報值與站點實況對比進行檢驗。對于檢驗指標來說,除了常規的統計指標,還引入多種時空多維度、多要素檢驗指標進行綜合評判。
鑒于參加示范計劃的單位和系統較多,各家模式和系統對冬奧高精度靜態數據、冬奧加密觀測和數值預報背景場數據的需求差異顯著,各家模式和系統給出的產品種類、數據類型、預報性能、數據傳輸性能等也同樣存在很大差異,因此為做好示范計劃的實施,需要設計完整的數據鏈路,并開展多項關鍵技術的研究及相關平臺的設計開發。
(1)數據保障組完成了示范計劃所需基礎數據及產品的保障方案和相關技術的研究開發,如:多源數據結構設計、多源數據存儲方案設計、數據快速多路分發技術研發、數據實時監控技術設計開發、數據共享方案設計開發等。2020年2月,制作完成示范計劃22家參與單位所需的6類36種數據資源的測試數據集,數據量合計6 TB,并為各單位提供數據咨詢服務126次,保障了各參與單位在獲取氣象資料的同時,能夠公平、正確使用數據。同時,面向示范計劃的源數據需求特點,結合數據開放共享政策,訂制化編制了數據使用協議,并全部完成氣象部門內外22家參與單位的內容洽談、咨詢服務與協議簽署,為示范計劃的順利開展與數據的合法合規使用提供了法律保障。
(2)產品集成組完成了示范產品集成方案的設計和集成顯示平臺的開發、測試,如:產品需求分析、產品類型設計開發、集成顯示方式設計、集成顯示平臺開發和測試等。按照面向支持冬奧實戰應用的目標,集成顯示平臺開發過程中充分與冬奧氣象預報團隊溝通,根據團隊試用意見反復修改、完善。2020年10月,平臺測試版本內部上線運行;其后又對平臺的數據流程和核心技術進行了多次優化,大幅提升了后端數據多維度實時處理及前端各類產品實時顯示的效率和穩定性。2021年1月25日,示范計劃集成顯示平臺實現正式上線運行(互聯網地址:smart2022-fdp.ium.cn)。平臺采用B/S架構開發,實現了氣象部門內外網同步方式運行,內容包括項目介紹、實況分析、格點預報、場館預報、檢驗評估、數據監控等六個版塊。
(3)檢驗評估組完成了示范計劃多源產品的評估檢驗技術研發和對比分析,如:實時檢驗和后期檢驗的對象選取、指標設計、檢驗方法研發、檢驗產品多維度交互顯示的設計開發,以及實現各類格點和站點數據產品的實時檢驗和結果集成顯示等。
2020年10月30日基本形成最終版本的《智慧冬奧2022天氣預報示范計劃(SMART2022-FDP)技術保障方案》,成為指導示范計劃技術研發和運行保障的重要文檔。示范計劃實時運行的整體架構流程以及實時數據流參見圖2。

圖2 示范計劃實時運行的整體架構流程以及實時數據流 Fig. 2 The overall architecture flow and real-time data flow of the demonstration plan in real time
為配合支撐2021年“相約北京”冬季系列體育測試活動氣象服務保障,在2021年2月1日—3月15日,示范計劃開展了第一次實時運行測試(以下簡稱第一次測試),示范產品提供給北京賽區、延慶賽區和張家口賽區參加“相約北京”測試活動氣象服務保障的預報團隊試用,各參加示范的單位也可以通過示范計劃集成顯示平臺實時查看示范產品和實時檢驗結果。
第一次測試期間,基于中國氣象局的國家級“天擎”氣象大數據云平臺,為11家氣象部門內部參與單位提供實時數據接口服務;基于“天擎”公共云環境,為11家氣象部門外部參與單位提供實時基礎數據服務。22家示范計劃參與單位的各系統和技術方法均實現了實時運行,示范產品分為賽場站點預報產品、次公里級網格產品(100 m<網格分辨率≤1 km)、次百米級網格產品(網格分辨率≤100 m)三類,也包含少量的特殊產品,合計38類57項。其中,賽場站點預報以氣象大數據統計訂正以及人工智能方法為主,次千米級網格產品以數值預報模式結合局地資料同化技術為主,次百米級網格產品以多源數據快速融合、多模式集成、數值和統計降尺度預報、人工智能等方法為主。
第一次測試期間,3家示范計劃參與單位所有數據產品到報率達到100%, 17家示范計劃參與單位數據產品到報率達90%以上;2家單位示范產品及時率達到100%,8家單位產品及時率達90%以上。
實時監控及信息統計顯示,第一次測試期間示范計劃集成顯示平臺(包括后臺多維度數據快速處理模塊)均實現了正常和穩定運行,各類實時示范產品被冬奧預報團隊廣泛使用,為2022年2月“相約北京”冬季系列體育測試活動期間的氣象服務提供了有力支撐。集成顯示平臺可以在線調閱第一次測試期間的全部數據、產品和檢驗結果。
示范計劃的檢驗評估以各參與單位數據產品在冬奧29個站點的檢驗結果為主要依據,并開展以研究測試為目標的格點檢驗。本文重點介紹站點檢驗的總體情況,更詳細的檢驗可參見《智慧冬奧2022天氣預報示范計劃(SMART2022-FDP)第一次測試運行期綜合評估報告》。
3.3.1 站點檢驗方法
主要針對兩類站點預報產品進行檢驗:1)專項站點預報產品,主要指針對冬奧站點,專門進行的人工智能或統計建模得到的解釋應用后處理產品;該檢驗主要用于評估冬奧復雜地形下站點預報產品性能以及人工智能等站點解釋應用新技術方法的技巧;2)數值模式預報產品,主要指根據示范計劃技術方案規定的統一插值算法,將數值模式或客觀系統格點輸出的數據,在冬奧站點進行統一標準插值處理后的產品;該檢驗主要用于評估高分辨率數值模式或客觀系統在冬奧復雜地形下的預報性能。
因參與單位的產品預報時效和時效間隔不同,結合冬奧賽事預報服務的重點關注時段以及精細化預報服務的需求,將本次測試活動的檢驗預報時效及檢驗時間間隔分別約定為:0~2 h/1 h、2~12 h/1 h、12~24 h/1 h、24~72 h/3 h、72~240 h/6 h,所有預報示范產品數據的檢驗都與上述時效及間隔的時間點相對應。根據示范產品和賽事關注情況,本次主要對近地面的風、溫度、能見度、相對濕度以及地面降水的預報進行檢驗。檢驗指標包括:綜合預報評分、均方根誤差、平均絕對誤差、TS評分、Bias評分等。檢驗分為三個賽區29個站點的綜合平均檢驗、三個賽區各自站點的平均檢驗,也包括針對冬奧氣象服務各要素的關鍵閾值的上述各類指標檢驗。另外,為研究分析各類產品對不同高度上溫度和風的預報效果以及日變化特征等的預報情況,根據測站高度、測站環境以及賽事關注等,經咨詢冬奧預報團隊,也選取了如下的各賽區代表站進行獨立站點的檢驗:張家口賽區2站(云頂1號站、冬兩1號站)、延慶賽區3站(競速1號站、競速5號站、競速8號站)、北京賽區2站(首鋼1號站、國家體育場站)。也開展了第一次測試期間的典型天氣個例的站點檢驗評估,分析了大風、低溫、低能見度、融雪暖溫、降雪等天氣過程期間各示范產品的實際表現。下面針對本次檢驗的主要結論進行簡述,各類詳細檢驗指標的定義以及詳細檢驗結果可分別參考《智慧冬奧2022天氣預報示范計劃(SMART2022-FDP)技術保障方案》、《智慧冬奧2022天氣預報示范計劃(SMART2022-FDP)第一次測試運行期綜合評估報告》。
3.3.2 站點檢驗的主要結論
風要素的預報檢驗:① 從平均風風速≥4 m/s的賽區綜合預報評分來看:專項站點預報產品0~24 h預報評分最優在0.68~0.71,24~72 h預報評分最優為0.69,72 h以上預報評分最優為0.59;模式產品0~12 h預報評分最優在0.67~0.71,與專項站點預報產品相近,12 h以上預報評分最優約為0.45,低于專項站點預報產品。專項站點預報產品預報評分整體上比模式產品有提升。專項站點預報產品和模式產品對張家口賽區各時效預報評分高于延慶賽區和北京賽區。不同賽區專項站點預報產品預報評分較優的產品差異不大,而對于模式產品,除個別系統產品對各賽區預報效果均較好以外,其他產品對不同賽區預報效果差異較大。② 從陣風風速賽區綜合預報評分來看:專項站點預報產品0~24 h預報評分最優在0.77~0.82,24~72 h預報評分最優為0.73,72 h以上預報評分最優為0.66;模式產品0~72 h預報評分最優在0.60~0.65。對于陣風風速總體預報評分,專項站點預報產品優于模式產品。從陣風風速6級以上的預報評分來看,專項站點預報產品明顯優于模式產品。
溫度的預報檢驗:從專項站點預報產品在賽區綜合的氣溫平均均方根誤差(RMSE)來看:RMSE隨預報時效在2.34~6.22 ℃;預報效果在短時臨近至短期時段(0~72 h)相對較為穩定,在中期時段(72~240 h)隨預報時效的延長而明顯下降。三個賽區隨時效的變化趨勢與賽區綜合的一致,但從整體預報效果來看,北京賽區檢驗好于三個賽區綜合檢驗,張家口賽區與賽區綜合接近,延慶賽區最差。除個別產品外,模式產品的預報效果整體上差于同時效的專項站點預報產品。另外,從氣溫的垂直預報效果來看,專項站點預報產品和模式產品均反映出產品對高海拔站點的預報誤差大于低海拔站的特征。綜合來看,高海拔站的預報難度相對較大。
降水的預報檢驗:專項站點預報產品在賽區綜合的平均降水(≥0.1mm)TS評分在0.02~0.35,預報效果隨時效延長呈現下降趨勢。三個賽區隨時效的變化趨勢與賽區綜合基本一致;從整體預報效果來看,北京賽區最好,延慶賽區與賽區綜合接近,張家口賽區最差。模式產品的預報效果整體上略高于專項站點預報產品,表明對于冬季降水來說,目前的站點解釋應用技術并未達到提升冬奧復雜地形下降水預報準確率的目標。此外,Bias評分顯示,大多數專項站點預報產品在0~24 h對降水存在漏報、在24~240 h對降水存在空報現象;模式產品大多對降水存在空報現象,且在不同時效及賽區的效果差異較大。
能見度的預報檢驗:從專項站點預報產品賽區綜合的能見度分級(≤1 km、1~5 km、5~10 km以及>10 km)檢驗來看,平均TS評分在0~24 h時效上分別約為0.18、0.11、0.03以及0.43。由此可見,專項站點預報產品對于高能見度等級(>10 km)的預報效果最優。各家專項站點預報產品基本上對于能見度的預報效果差別不大,但整體對低能見度等級(≤1 km)的預報能力有限。模式產品效果與客觀預報產品類似,但除了0~24 h時效內≤1 km的低能見度事件外,模式產品對其他時效上的低能見度事件幾乎無預報能力。
相對濕度的預報檢驗:從相對濕度的賽區綜合預報情況來看,專項站點預報產品0~24 h預報平均絕對誤差(MAE)最小區間在8.4%~10.3%,24 h以上MAE最小區間約為12.6%~18.3%。大部分產品的誤差較集中,但個別產品誤差明顯偏大。模式產品0~24 h預報MAE最小區間在10%~13%,24~72 h預報MAE最小約為13.9%,均略大于專項站點預報產品。無論是專項站點預報產品還是模式產品,對三個賽區的預報趨勢相對一致,總體來看對張家口賽區和延慶賽區的預報誤差略小,而對北京賽區的預報誤差略偏大。專項站點預報產品相對于原始模式產品來說,預報準確率有一定提升度。
智慧冬奧2022天氣預報示范計劃是中國氣象局首次面向國內從事數值天氣預報和客觀預報技術研發的主要行業單位、高校院所和企業開展的實時預報技術示范競賽。相比于當前方興未艾的各種人工智能天氣預報大賽,它的技術門檻更高、專業性更強。需要持續數月、嚴格按時限提供復雜地形區的定時、定點、定量的氣象要素預報,遠非針對歷史個例進行模擬研究,或是使用歷史數據進行擬合調優可比擬。根據示范計劃第一次測試運行情況,給出以下初步結論。
本次檢驗結果表明,高分辨率數值天氣預報模式仍然是提升定時、定點、定量預報能力最不可或缺的核心技術,特別是對于地形復雜、觀測資料缺乏地區的冬季降水預報,目前的站點解釋應用技術、人工智能建模技術與高分辨率數值模式直接預報相比,并無顯著優勢。
本次檢驗結果也指出,對于溫度、濕度、風和能見度等近地面氣象要素,在數值模式產品基礎上的解釋應用技術(包括多源數據融合、數值和統計降尺度、人工智能建模、傳統統計釋用等),能夠顯著降低數值模式在地形復雜區域的系統性預報誤差,提高數值模式產品的末端預報性能。
在預報檢驗方面,對高頻次更新預報和高分辨率網格預報的檢驗技術存在明顯短板,缺乏公認的檢驗方法和標準,高精度網格“真值”的確定也存在困難。隨著智能數字預報業務的發展,這方面的研究亟待加強。
隨著高時空分辨率的客觀預報產品越來越多地提供給預報員使用,高效、便捷的數據傳輸、存儲、調用和產品多維度集成顯示變得越來越重要,在未來支撐實時預報業務的信息系統設計中,必須考慮這些需求。
Advances in Meteorological Science and Technology2021年6期