復雜山地“天公”秒變臉觀天能手“雙睿”來護航

陳明軒，北京城市氣象研究院副院長，研究員，國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項——冬奧會氣象條件預測保障關鍵技術項目負責人。

帶領團隊歷時4年多時間，研發構建自主可控的冬奧會氣象保障核心技術體系。首次在我國中緯度山區組織實施了復雜地形下冬季多維度氣象綜合觀測試驗，首次實現了“百米級、分鐘級”業務天氣預報能力，形成覆蓋延慶和張家口賽區百米網格、十分鐘更新的冬奧氣象預報服務產品，實現了冬奧關鍵點位0—10天定時、定點、定量氣象預報，大幅提升了冬奧會保障的關鍵氣象要素預報準確率，有力支撐了氣象預報團隊開展精細氣象服務。

冬奧比賽70%的項目是雪上項目，為保障冬奧健兒雪上項目順利完賽，不僅要低頭留意腳下的雪量和雪質，更要抬頭提前關注頭頂的氣象。

北京2022年冬奧會是近20年來首次在大陸性季風氣候背景下舉辦的冬奧賽事，不利的氣候條件加上賽區地形復雜等原因，使氣象服務保障面臨巨大困難。為了克服這些困難，國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項設立了“冬奧會氣象條件預測保障關鍵技術”項目。研發團隊開展了精密的氣象監測，鑄就了精準的氣象預報，同時以龐大的數據支撐了眾多精細的氣象服務，助力北京冬奧會成為一屆“精彩、非凡、卓越”的奧運盛會。

該項目負責人、北京城市氣象研究院副院長陳明軒介紹了北京冬奧會的氣象服務保障工作。

問：為了克服氣象保障服務方面的困難，第一件事情就是要進行全面的氣象監測。請您給我們介紹一下，氣象監測對于氣象服務保障工作到底有多么重要？科研團隊又是如何進行這項研究的？

陳明軒：2014年我國成功申辦北京冬奧會之后，就開始著手系統性的山地氣象觀測。冬奧會70%的項目都是雪上項目，大部分的雪上項目都在地形復雜的山區舉辦。北京冬奧會主要有兩個山地賽場：一個是北京延慶海坨山，另一個是河北張家口的崇禮區。地形復雜，氣象觀測比較匱乏。延慶賽區以前都是野山，氣象觀測基本空白。要做好冬奧會氣象保障服務首先要了解那里的氣象特征，就像打仗一樣，兵馬未動、糧草先行，氣象觀測是冬奧會氣象保障服務的第一步。從2014年開始，我們就開始系統性地布局冬奧會的氣象觀測實驗。

山地的氣象條件比較復雜，交通、通訊、電力都不是特別完備，我們一開始從如何布局氣象探測儀器，如何能夠把氣象探測的數據獲取回來，開展有效科學分析研究著手，運用從地面的氣象觀測儀器，以及垂直的或者是三維的、立體的氣象觀測儀器，對風、溫度、降雪、能見度這些跟冬奧密切相關的氣象要素進行觀測。通過綜合分析和研判，最后決定在地面布什么樣的儀器能夠看到空中的大氣特征。比如，風的垂直變化、溫度的垂直變化、山區的能見度、降雨降雪的觀測等，這些都是我們最關注的。

根據國際單項聯合會和國際奧委會的要求，冬奧的山地雪上項目賽道需要設置氣象觀測站，要在不同的海拔高度、不同的賽道地點進行站網布局。地面觀測布設也是整個氣象觀測實驗非常重要的一部分。觀測實驗包括兩部分。一部分是地面觀測，基本上以自動氣象站為主，觀測地點參考國際單項聯合會和國際奧委會的要求，既是業務觀測，也是科研觀測。

另外一部分，我們布設了很多非常規的氣象儀器，觀測大氣的垂直或三維的特征，比如風、溫度等。測風方面主要有兩種儀器：一個叫風廓線雷達，可以測風的垂直變化;另外一個叫測風激光雷達，通過激光反射大氣中氣溶膠的變化，最后能夠測出不同高度的風速和風向，通過三維立體掃描，共同得到賽場周邊一定高度內的大氣三維風的變化，這是關于測風的。在地面自動氣象站方面，也有測風的裝備，之前我們用的是機械測風，它叫風杯，像齒輪一樣，風吹它就會轉。還有一個風標，用來定位風向，叫機械風，但是機械風會受到天氣影響，比如下雨、下雪可能會凍住，所以我們最后就把機械風改成了精度更高的超聲風，通過超聲波測風速和風向的變化。一方面，可以有效規避機械風的儀器被凍住的風險;另一方面，得到數據的時間的分辨率或者是時間的精度更高，可以達到秒級，這就是我們所謂的秒級觀測的來源。

冬奧氣象預報員在張家口賽區氣象中心使用科技冬奧產品。

此外，還要了解山地賽場的大氣溫度和濕度的變化。我們在一定高度內安裝了微波輻射計，可以測一兩分鐘之內大氣的風和溫度的垂直變化，在張家口賽區和延慶賽區布了很多這樣的儀器，因為風和溫度是對北京冬奧會影響最大的因素，當然，降雨、降雪、能見度、雪溫等也是非常值得關注的。

問：有了精密的氣象監測之后，科研人員怎么實現精準的氣象預報？

陳明軒：我們得到氣象觀測數據后，通過科學的分析和研判，對延慶山區——海坨山賽場和張家口崇禮賽場的小尺度氣象特征有了大致掌握。基于這個科學基礎來研究：如何做到尺度特別小、地形特別復雜的陡峭山區精準預報呢？我們研發了一套“百米級、分鐘級”預報技術體系，對山地賽場進行精準預報。比如，延慶海坨山的高山滑雪賽場，海拔高度是2000米左右，從山頂到山腳的賽道長度直線距離是2.5公里左右，左右6條賽道，范圍是2.25公里，要在2000米左右的海拔高度、從上到下2.5公里、從左到右2.25公里的范圍內，做不同高度的幾十個點的預報是非常難的，這就需要“百米級、分鐘級”的精準預報技術。

根據冬奧氣象保障服務需求和北京冬奧組委要求，不僅要做到“百米級”預報，還要做到0—10天的天氣預報。按照現代天氣預報的科技能力，7天以后氣象預報的精準度直線下降。一般來說，氣象精確度比較高的預報是7天以內的預報。我們考慮了山區地形的影響、冬季的天氣特征、地面的摩擦對風的影響、太陽的輻射對溫度的影響等因素，基于研發的睿圖數值天氣預報模型基礎，針對冬奧氣象保障服務和預報需求做進一步研發，最后形成了睿圖模式體系里面的睿圖-睿思系統，可以做到“百米級”預報。在前24小時可以做到10分鐘更新一次的預報，在1—10天內可以每天提供兩次預報，預報間隔達到10分鐘，預報空間的網格達到100米到67米這樣的空間網格。

問：您剛剛提到的“百米級、分鐘級”技術的核心體系是什么？睿圖-睿思系統具體是什么？

陳明軒：核心技術方面，將多源數據進行快速融合。我們布了很多氣象加密觀測儀器，得到很多實時氣象數據傳回服務器，在睿圖模式體系預報基礎上，把精準觀測加進去做進一步融合，得到“百米級”預報產品，這叫多源氣象數據的快速集成融合。采用大氣渦流尺度數值模擬，跟多源數據融合進一步結合，提升“百米級”氣象預報精準度。還引入了人工智能模型，分辨是降雨、降雪還是雨夾雪，包括對“百米級”預報偏差進行訂正。用大數據把過去多年觀測用人工智能模型去進行訓練，對“百米級”的誤差進行訂正，這樣就可以得到更精準的“百米級”預報。

我們得到了百米或者是67米網格氣象預報之后，怎么定位到冬奧組委或者國際奧委會要求的關鍵點位的預報呢？在張家口賽區、延慶賽區、北京賽區，我們的首鋼園區都有這些固定的點位，需要對這些冬奧關鍵點位提供更精準的預報。在百米網格預報基礎上，繼續使用大數據挖掘、統計訂正、人工智能訂正方法，從網格預報進一步訂正到關鍵點位預報，進一步提升0—1天甚至1—10天定時定點定量預報的能力，讓預報的精準度做得更高。

前面講的技術體系最后形成了一個系統，叫睿圖-睿思。睿思英文是RISE，就是提升的意思，相當于把睿圖模式體系的預報結果做進一步提升，服務冬奧氣象保障。

問：咱們主持的項目有一大批豐碩成果，請您介紹一下這批成果的亮點。這批成果處于怎樣的技術水平？

陳明軒：冬奧會氣象保障服務的科技創新有幾個方面。我個人認為，第一是首次在我國中緯度山區舉辦了冬季加密氣象觀測實驗。一方面支持冬奧氣象保障，另一方面也對我國山地氣象學研究的深化奠定了很好的基礎。因為加密觀察實驗是系統性實驗，我國以前從未在冬季山區舉辦過氣象加密觀測實驗，我們得到了很多山地氣象方面非常精細的預報模型，為未來精準預報天氣提供科學基礎。

第二是形成了“百米級”的業務天氣預報能力，在冬奧歷史上第一次用“百米級”預報支撐冬奧氣象保障。“百米級”業務為我國未來氣象精準預報和精細服務能力提升奠定了基礎，起到了示范作用。

第三是引入了人工智能模型進一步提升冬奧氣象預報的水平和能力，這是冬奧歷史上第一次把人工智能與氣象結合起來開展冬奧氣象保障服務。

從國內來講，我們研發的“百米級、分鐘級”的預報技術體系，包括冬奧山區的加密觀測實驗，基本上是國內第一次開展這樣的工作，也是第一次在大型活動氣象保障中進行實際應用。從國際來說，“百米級”預報技術在冬奧會歷史上第一次應用，人工智能跟氣象相結合的技術也是在冬奧會歷史上第一次應用。

科研人員在延慶賽區現場觀測氣象數據。

另外，我們研發的這些技術跟國際接軌，其中科技冬奧項目的研發成果成為世界氣象組織世界天氣研究計劃高影響天氣（WMO/WWRP/HIWeather）示范項目，世界氣象組織的國際專家組想讓中國的奧運氣象保障服務科技研發將來惠及更多國家，開展高影響天氣的高精度預報技術研發和應用。我們可以向全世界分享中國的經驗和技術。

問：除了在冬奧會中的應用，這個項目的經驗和成果未來會有怎樣的發展前景？

陳明軒：我們科技冬奧項目研發的一系列技術成果可以有效支撐北京冬奧會成功舉辦，在以下幾個方面可以獲得進一步深化應用。

第一方面是促進防災減災，為國家重大活動做氣象保障，服務于大城市防洪排澇安全運行。

第二方面是聚焦帶動三億人參與冰雪運動的目標，冬奧氣象科技的成果未來可以助力國家冰雪產業的發展和冰雪運動的推進，對提升配套能力能夠起到一定作用。

第三方面是冬奧氣象科技成果的精度非常高，在國家新能源產業方面可能會得到應用，在助力國家能源碳達峰、碳中和目標實現方面，冬奧氣象科技成果可以進一步發力。