深瞳工作室出品
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(guān)比賽成績，還關(guān)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(yù)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(wù)目標：在空間上，每隔100米甚至更短，就有一個預(yù)報數(shù)據(jù)；在時間上，每隔10分鐘，就能更新一組預(yù)報。
精細化氣象服務(wù)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(yù)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(guān)比賽成績，還關(guān)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(wù)，其核心內(nèi)容是賽事服務(wù)。
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(wù)人員提供現(xiàn)場服務(wù)。
給冬奧氣象服務(wù)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(yù)報。
“科技冬奧”重點專項“冬奧會氣象條件預(yù)測保障關(guān)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(wù)分中心，有專職預(yù)報員為賽場氣象服務(wù)人員提供預(yù)報產(chǎn)品。在每個比賽日的前一日，賽場氣象服務(wù)人員會根據(jù)預(yù)報產(chǎn)品，在領(lǐng)隊會上，向組委會、裁判及各代表隊的領(lǐng)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(wù)，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(guān)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(wù)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(guān)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?zāi)軒椭\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(wù)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(yù)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。“這是最大的難點?！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(yù)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?！?ensp;冬奧北京氣象中心延慶區(qū)氣象服務(wù)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(shè)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(shè)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(yù)測。
北京冬奧會不同賽區(qū)的氣象預(yù)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?。以探測設(shè)備收集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(yù)報服務(wù)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(yù)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(wù)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(yù)報。比如，預(yù)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(yù)報員團隊一年年加深著對山地氣象的了解。
用預(yù)報員自己的話說，做預(yù)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(yù)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。可能更沒把握的，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。“孩子對我可能還有些生疏。”馬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(yù)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?！?/p>
從大氣科學可預(yù)報性角度來說，空間越精細、預(yù)報時段越長，預(yù)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(guān)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(yù)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(shè)有各種現(xiàn)代化氣象探測設(shè)施441套，它們是國內(nèi)最為先進、也是中國氣象局業(yè)務(wù)許可的新型氣象探測設(shè)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(shè)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(yù)報員有大后方的支持?！睍r少英向記者演示著預(yù)報團隊用的氣象服務(wù)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?！?/p>
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(yù)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(yù)報系統(tǒng)，采用了高精度數(shù)值天氣預(yù)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(yù)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(yù)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(shè)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(yù)報。
在往屆冬奧會期間，客觀氣象預(yù)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(yù)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(yù)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(yīng)運而生。
為冬奧做的預(yù)報，時效至少需要達到10天。為了提高預(yù)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(yù)報技術(shù)在國際上首次應(yīng)用于冬奧會氣象服務(wù)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(yù)報模型預(yù)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(yù)報的“再訂正”，提升冬奧氣象預(yù)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(wù)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(yù)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(wù)化運行。從試驗到真刀真槍應(yīng)用，又是一重考驗?！胺直媛矢?，數(shù)值天氣預(yù)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(guān)鍵技術(shù)方法，最終構(gòu)建了冬奧氣象“百米級”預(yù)報技術(shù)體系，形成了冬奧高精度氣象預(yù)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(yù)報員現(xiàn)在已經(jīng)很信賴這個產(chǎn)品了?！睍r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(yù)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?！标惷鬈幐锌?。
科技成果的誕生，也得益于相關(guān)部門的支持。
科技部優(yōu)先設(shè)立科技冬奧項目，重點支持冬奧會氣象條件預(yù)測保障關(guān)鍵技術(shù)研究，北京市科委、河北省科技廳等部門先后設(shè)立科技冬奧項目支持冬奧會氣象保障關(guān)鍵技術(shù)研究。
如今，復雜山地精細化網(wǎng)格數(shù)值預(yù)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(wù)中得到廣泛應(yīng)用。未來，新時期國家重大活動保障、大城市安全運行、災(zāi)害天氣預(yù)報預(yù)警和極端災(zāi)害天氣應(yīng)對……為冬奧而生的高精度預(yù)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(yù)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。”
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）
