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科技日報記者 張蓋倫 策劃 劉莉
視覺中國供圖
氣象條件對冬奧賽事影響極大。風向、風速、氣溫、降雪、能見度、雪溫、雪質(zhì)……這些因素，不僅事關比賽成績，還關乎運動員安全。在即將開幕的2022年北京冬奧會期間，一套體現(xiàn)我國氣象核心科技、實現(xiàn)“定時、定點、定量”的氣象預報技術(shù)體系，將迎來最終大考。
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“百米級、分鐘級”，這是往屆冬奧會從未實現(xiàn)過的氣象服務目標：在空間上，每隔100米甚至更短，就有一個預報數(shù)據(jù)；在時間上，每隔10分鐘，就能更新一組預報。
精細化氣象服務實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。
在即將開幕的2022年北京冬奧會期間，這樣一套體現(xiàn)我國氣象核心科技、實現(xiàn)“定時、定點、定量”的氣象預報技術(shù)體系，將迎來最終大考。
看天說話 北京冬奧會的真正發(fā)令槍
2018年韓國平昌冬奧會，有17項比賽因為氣象原因進行了調(diào)整，有1項直接取消。
2014年俄羅斯索契冬奧會，春天來得太早，溫度過高讓雪質(zhì)松軟，在女子超級大回轉(zhuǎn)比賽中，48名選手中只有三分之二完賽。在自由式滑雪和單板滑雪比賽中，多名運動員嚴重受傷。
氣象條件對冬奧賽事影響極大。在冬奧會比賽項目中，戶外雪上項目占大多數(shù)。風向、風速、氣溫、降雪、能見度、雪溫、雪質(zhì)……這些因素，不僅事關比賽成績，還關乎運動員安全。
如果風太大，影響滑雪技巧動作的完成；如果降雪，新雪蓬松，不利平衡；若降暴雪，會讓雪道變得模糊，讓運動員陷入危險；若能見度太低，影響運動員和裁判員的視線……所以，冬奧需要氣象服務，其核心內(nèi)容是賽事服務。
根據(jù)冬奧組委要求，雪上項目和滑行項目的每個場館，至少要安排兩名氣象服務人員提供現(xiàn)場服務。
給冬奧氣象服務這張“考卷”額外增加難度的，還有北京本身的氣候特點。
北京的氣候條件相對特殊。北京冬奧會是近20年內(nèi)唯一一次在大陸性冬季風主導氣候條件下舉辦的冬奧會。氣候特征給出了北京冬奧會的特殊難題——山地小尺度的風和溫度的精密監(jiān)測、精準預報。
“科技冬奧”重點專項“冬奧會氣象條件預測保障關鍵技術(shù)”項目負責人、北京城市氣象研究院副院長陳明軒說，這在國際上都是尚未解決的氣象難題之一，國際上也沒有成熟的、適用于北京冬奧會的可移植技術(shù)方案。
在北京、延慶、崇禮等氣象服務分中心，有專職預報員為賽場氣象服務人員提供預報產(chǎn)品。在每個比賽日的前一日，賽場氣象服務人員會根據(jù)預報產(chǎn)品，在領隊會上，向組委會、裁判及各代表隊的領隊解讀賽時天氣情況，為是否調(diào)整比賽日程提供支撐。
服務，精細到“一場一策”甚至“一項一策”。這是因為，不同項目對氣象條件的關注重點也有所不同。
張家口氣象臺副臺長、冬季兩項場館氣象服務團隊負責人郭宏介紹，冬季兩項是一項集越野滑雪和射擊于一身的比賽，該項目主要關注的是溫度和雪溫。溫度一旦低于-20℃，運動員在戶外超過半小時，裸露的皮膚就有凍傷的風險。所以，溫度若低于-20℃，比賽就要叫停；若低于-15℃，則由仲裁委員會商定比賽是否要進行調(diào)整。雪溫將影響打蠟師的打蠟策略。打蠟能幫助運動員在雪面滑行時獲得適宜的摩擦力，專業(yè)隊伍會根據(jù)雪溫配備十幾種不同的雪蠟。
跳臺滑雪項目，要盯緊的則是風。
古楊樹場館群氣象服務團隊負責人段宇輝說，河北崇禮多大風、低溫天氣，而跳臺場館和北歐兩項比賽，風速需要低于每秒4米。“要求非?？量獭薄?/p>
風力過大，會影響運動員的空中飛行姿態(tài)、著陸動作和比賽成績，甚至會對運動員的安全造成威脅，使得訓練、比賽中斷、推遲、延期，甚至取消。有時，預報員需要在未來1—3個小時大風天氣條件下，尋找適宜比賽的、風速小于每秒4米天氣條件的賽時窗口期?！斑@是最大的難點?！倍斡钶x感嘆。
所以有人說，氣象條件，是冬奧會賽事真正的發(fā)令槍。
與天爭鋒 北京冬奧會的氣象追夢人
怎么打好這發(fā)令槍？
預報的準確，仰賴于氣象資料的獲取。
2013年之前，北京延慶西北區(qū)海陀山的氣象資料幾乎為空白。
為獲取準確氣象數(shù)據(jù)，2013年開始，氣象人進山，從零起步，在地形復雜的海陀山一點點建起綜合氣象站網(wǎng)。
“無路，無水，無電。” 冬奧北京氣象中心延慶區(qū)氣象服務組副組長張曼回憶起當年的“開路”，已經(jīng)顯得“云淡風輕”?！按笮驮O備和儀器就用騾子馱，精細儀器就靠手拿肩扛。”
那時的海陀山，向他們展現(xiàn)出最為原生態(tài)的一面。山巖崎嶇陡峭，樹林密密匝匝。為了找到適宜的、符合標準的監(jiān)測點，“我們把海陀山爬了個遍”。感受過刀割般的風，吃過凍硬的面包，嚼過凍成冰塊的礦泉水，鞋破過，衣服破過，身上被荊棘劃出過道道傷痕……他們就這樣，把歷屆冬奧會中最為稠密的監(jiān)測站網(wǎng)建了起來。
在河北，氣象探測員同樣在低溫大風中“拓荒”，騾馱人背運設備，獲取各賽道氣象資料。
布站并維護，是摸清老天爺脾氣的第一步。收集信息后，還要解讀；解讀之后，才有預測。
北京冬奧會不同賽區(qū)的氣象預報團隊，都經(jīng)歷了四到五年的冬訓。
每年冬天，他們進入賽區(qū)，一待半年，感受當?shù)氐男夂颉Ｒ蕴綔y設備收集的數(shù)據(jù)為基礎，以理論知識為依托，疊加自己的切身體驗，去觀云，去追風。
延慶賽區(qū)現(xiàn)場預報服務團隊有11人，都是精兵強將。從山西、內(nèi)蒙古等地抽調(diào)而來的預報員，每年冬訓，就得暫時放下小家。
讓冬奧北京氣象中心延慶區(qū)氣象服務組副組長時少英覺得最為棘手的，還是風。
風不好報。
風，天天都有。延慶賽區(qū)盛行西北風。但是陣風，倏忽而起，方向不定。在城市中，你也能發(fā)現(xiàn)，穿行在密集樓房之間和站在樓房前的廣場上，感受到的風速截然不同。而海陀山，山勢陡峭，山連山，山套山，那么，當風經(jīng)過，究竟會發(fā)生什么？有時，它會一鼓作氣沖下來；有時，它會在背風坡形成空腔，冷空氣會補充來，形成一個環(huán)流。
一開始，大家都不了解海陀山，那就一遍遍去爬。感受它的“任性”、神秘與多變，感受它的浪漫與嚴酷。
時少英常講起最開始時的訓練方法：先按照理論知識和經(jīng)驗，做出預報。比如，預計第二天上午11點會下雪，那么第二天一早，就迎著風爬到山上去，等著，看是不是11點下雪，從哪里開始飄雪，降雪量如何。然后，復盤、總結(jié)。
賽場冬訓、出國培訓、英語培訓、賽事觀摩……預報員團隊一年年加深著對山地氣象的了解。
用預報員自己的話說，做預報，是一項特別容易“打臉”的工作。報得對不對，過一兩個小時就見分曉——老天爺有自己的脾氣。
此前數(shù)年，他們一直在努力，努力摸清賽區(qū)這么小小一方天地上，老天爺?shù)钠狻?/p>
每座山都有它的性格，預報員必須用時間去和它磨合。現(xiàn)在，他們已經(jīng)從幾年前的“偶爾報得準”進化到了現(xiàn)在的“偶爾報不準”。
“剛來的時候是真的摸不透?，F(xiàn)在我們對賽區(qū)的天氣已經(jīng)比較有把握了?！眮碜詢?nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺的馬學峰說?？赡芨鼪]把握的，是自己的孩子。剛開始冬訓時，孩子還小，每年中的半年，父親都缺席了；現(xiàn)在，冬奧會開幕在即，孩子也上小學了?！昂⒆訉ξ铱赡苓€有些生疏?！瘪R學峰有片刻的情緒低落，又立刻說道，“好在家人非常支持我?！?/p>
倚天長劍 北京冬奧會科技顯鋒芒
即使是“偶爾報不準”，但問及擔憂，時少英仍脫口而出：“報不準是我最大的壓力?！?/p>
其實，她也知道，賽事方能夠理解天氣預報上的誤差，但她個人期待，能做得盡可能跟實況一樣。時少英笑：“我也知道這不可能，哪有100%準確呢？這是天花板，要向天花板努力。”
從大氣科學可預報性角度來說，空間越精細、預報時段越長，預報難度越大，更何況在地形復雜的山區(qū)，還要提供冬奧會關注的陣性大風、能見度、降水相態(tài)、雪面溫度等特殊要素的氣象預報，挑戰(zhàn)重重。
為了觸摸天花板，硬件和軟件都要跟上。
張家口賽區(qū)裝備保障團隊負責人、河北省氣象局裝備中心副主任幺倫韜介紹，在北京城區(qū)、延慶和崇禮及周邊地區(qū)共建設有各種現(xiàn)代化氣象探測設施441套，它們是國內(nèi)最為先進、也是中國氣象局業(yè)務許可的新型氣象探測設施，由傳感器系統(tǒng)、采集處理系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)組成。
在傳感器使用上，為保證風傳感器在低溫、造雪環(huán)境下仍能正常工作，增加了自動加熱功能，大部分站點還采用了超聲式測風傳感器，更適用于賽時風速風向的觀測。在供電系統(tǒng)上，大部分采用太陽能和市電雙供電機制，確保設備穩(wěn)定運行。在傳輸系統(tǒng)上，均為無線通信，采用4G全網(wǎng)通通信模塊，確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。
對數(shù)據(jù)的分析，也不止由人腦完成。
“我們預報員有大后方的支持。”時少英向記者演示著預報團隊用的氣象服務系統(tǒng)，“可以說，是集全國的氣象力量來給冬奧會提供技術(shù)支撐。”
電腦上，不同顏色展示風速大小，不同流線顯示風向變化，點擊不同時間，模擬預測結(jié)果自動呈現(xiàn)：下一個小時，滑降起點1，風速每秒20米，超級大回轉(zhuǎn)起點，風速每秒16米，第三起跳點，風速每秒15米……
這就是“百米級、分鐘級”預報系統(tǒng)，采用了高精度數(shù)值天氣預報模型和多源氣象數(shù)據(jù)快速融合技術(shù)。
數(shù)值天氣預報，是指根據(jù)大氣實際情況通過大型計算機對大氣運動狀態(tài)和演變規(guī)律作數(shù)值計算，求解大氣的動力、熱力學和微物理方程組，來預測未來一定時段的大氣狀態(tài)和天氣現(xiàn)象。百米級，指的是網(wǎng)格的大小。假設在賽區(qū)上空覆蓋了一張看不見的網(wǎng)，每隔100米就有一個計算點。當網(wǎng)格足夠小，才能對面積本就不大的冬奧核心賽區(qū)天氣情況做出精準預報。
在往屆冬奧會期間，客觀氣象預報基本以千米網(wǎng)格為主，時間更新頻率是半小時至1小時。而北京冬奧會，空間網(wǎng)格分辨率最高可達67米，時間更新頻次最高達到10分鐘。
數(shù)值預報，千米級別和百米級別，難度不可同日而語。
為了更好描述大氣邊界層，團隊研發(fā)出了大氣渦流尺度數(shù)值模擬計算模型。陳明軒介紹，低層風場受地形影響較大，具有高度非均勻性。觀測數(shù)據(jù)所能代表的范圍非常有限，在這種情況下，就要用數(shù)值模擬方法獲得復雜地形條件下高分辨率的近地層風場資料。千米級的數(shù)值預報，對大氣邊界層可以進行參數(shù)化近似處理。但當空間網(wǎng)格分辨率精細到了百米級別，再用參數(shù)近似處理，誤差會非常大。此時，就需要處理大氣邊界層內(nèi)不同尺度大小的渦流，并且采用更高分辨率的地形高程數(shù)據(jù)。于是，大氣渦流尺度數(shù)值模擬計算模型應運而生。
為冬奧做的預報，時效至少需要達到10天。為了提高預報準確率，技術(shù)團隊開發(fā)出了人工智能訂正模型。這也是人工智能預報技術(shù)在國際上首次應用于冬奧會氣象服務保障。借助人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過對海量的數(shù)值天氣預報模型預報數(shù)據(jù)和大量的氣象觀測數(shù)據(jù)進行“再解讀”，從而實現(xiàn)客觀氣象預報的“再訂正”，提升冬奧氣象預報的精準度。
由于要處理的數(shù)據(jù)量龐大，該系統(tǒng)跑在冬奧氣象服務中心的超級計算機上。要支撐這一系統(tǒng)在三個賽區(qū)六個賽場的“全覆蓋”正常運行，需要一萬核的計算機算力。
其實，百米級天氣預報，在國外主要用作科學試驗。但這次，在冬奧賽場，它要實現(xiàn)的是實時業(yè)務化運行。從試驗到真刀真槍應用，又是一重考驗?！胺直媛矢?，數(shù)值天氣預報模型的計算精度和穩(wěn)定性就會差?！标惷鬈幷f?？梢詫⑺斫鉃橐环N過載。為保證模型的穩(wěn)定性，技術(shù)團隊在逼真模擬和減輕計算負荷間找到平衡點，考慮了一些必要的簡化，著重刻畫復雜地形、輻射、摩擦對溫度和風的影響。
一系列關鍵技術(shù)方法，最終構(gòu)建了冬奧氣象“百米級”預報技術(shù)體系，形成了冬奧高精度氣象預報系統(tǒng)“睿圖-睿思”，多項技術(shù)填補國內(nèi)空白，核心技術(shù)完全自主可控。
“我們預報員現(xiàn)在已經(jīng)很信賴這個產(chǎn)品了。”時少英說。
陳明軒則坦言，一開始，技術(shù)團隊也不是特別有信心。幾年來，他們不斷和預報員團隊溝通磨合?！拔覀儓F隊里年輕博士們，刻苦鉆研，發(fā)揮大國工匠精神，真的是把各種技術(shù)細節(jié)摳到極致。”陳明軒感慨。
科技成果的誕生，也得益于相關部門的支持。
科技部優(yōu)先設立科技冬奧項目，重點支持冬奧會氣象條件預測保障關鍵技術(shù)研究，北京市科委、河北省科技廳等部門先后設立科技冬奧項目支持冬奧會氣象保障關鍵技術(shù)研究。
如今，復雜山地精細化網(wǎng)格數(shù)值預報和人工智能技術(shù)等新技術(shù)新方法在北京冬奧會氣象服務中得到廣泛應用。未來，新時期國家重大活動保障、大城市安全運行、災害天氣預報預警和極端災害天氣應對……為冬奧而生的高精度預報技術(shù)，還會用于更多民生場景。
“我們所有科研人員，所有觀測和預報團隊，都有種使命感，有股不服輸?shù)膭蓬^，下決心要把這件事做好?！标惷鬈幷f，“我們常說，只有人努力，才有天幫忙?！?/p>
只有人努力，才有天幫忙。來吧，北京冬奧會，中國氣象人已做好準，靜待接招。
（科技日報記者付麗麗對此文亦有貢獻）
