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气象条件对冬奥赛事影响极大。风向、风速、气温、降雪、能见度、雪温、雪质……这些因素,不仅事关比赛成绩,还关乎运动员安全。在即将开幕的2022年北京冬奥会期间,一套体现我国气象核心科技、实现“定时、定点、定量”的气象预报技术体系,将迎来最终大考。

“百米级、分钟级”,这是往届冬奥会从未实现过的气象服务目标:在空间上,每隔100米甚至更短,就有一个预报数据;在时间上,每隔10分钟,就能更新一组预报。

精细化气象服务实现了质的飞跃。

在即将开幕的2022年北京冬奥会期间,这样一套体现我国气象核心科技、实现“定时、定点、定量”的气象预报技术体系,将迎来最终大考。

看天说话

北京冬奥会的真正发令枪

2018年韩国平昌冬奥会,有17项比赛因为气象原因进行了调整,有1项直接取消。

2014年俄罗斯索契冬奥会,春天来得太早,温度过高让雪质松软,在女子超级大回转比赛中,48名选手中只有三分之二完赛。在自由式滑雪和单板滑雪比赛中,多名运动员严重受伤。

气象条件对冬奥赛事影响极大。在冬奥会比赛项目中,户外雪上项目占大多数。风向、风速、气温、降雪、能见度、雪温、雪质……这些因素,不仅事关比赛成绩,还关乎运动员安全。

如果风太大,影响滑雪技巧动作的完成;如果降雪,新雪蓬松,不利平衡;若降暴雪,会让雪道变得模糊,让运动员陷入危险;若能见度太低,影响运动员和裁判员的视线……所以,冬奥需要气象服务,其核心内容是赛事服务。

根据冬奥组委要求,雪上项目和滑行项目的每个场馆,至少要安排两名气象服务人员提供现场服务。

给冬奥气象服务这张“考卷”额外增加难度的,还有北京本身的气候特点。

北京的气候条件相对特殊。北京冬奥会是近20年内唯一一次在大陆性冬季风主导气候条件下举办的冬奥会。气候特征给出了北京冬奥会的特殊难题——山地小尺度的风和温度的精密监测、精准预报。

“科技冬奥”重点专项“冬奥会气象条件预测保障关键技术”项目负责人、北京城市气象研究院副院长陈明轩说,这在国际上都是尚未解决的气象难题之一,国际上也没有成熟的、适用于北京冬奥会的可移植技术方案。

在北京、延庆、崇礼等气象服务分中心,有专职预报员为赛场气象服务人员提供预报产品。在每个比赛日的前一日,赛场气象服务人员会根据预报产品,在领队会上,向组委会、裁判及各代表队的领队解读赛时天气情况,为是否调整比赛日程提供支撑。

服务,精细到“一场一策”甚至“一项一策”。这是因为,不同项目对气象条件的关注重点也有所不同。

张家口气象台副台长、冬季两项场馆气象服务团队负责人郭宏介绍,冬季两项是一项集越野滑雪和射击于一身的比赛,该项目主要关注的是温度和雪温。温度一旦低于-20℃,运动员在户外超过半小时,裸露的皮肤就有冻伤的风险。所以,温度若低于-20℃,比赛就要叫停;若低于-15℃,则由仲裁委员会商定比赛是否要进行调整。雪温将影响打蜡师的打蜡策略。打蜡能帮助运动员在雪面滑行时获得适宜的摩擦力,专业队伍会根据雪温配备十几种不同的雪蜡。

跳台滑雪项目,要盯紧的则是风。

古杨树场馆群气象服务团队负责人段宇辉说,河北崇礼多大风、低温天气,而跳台场馆和北欧两项比赛,风速需要低于每秒4米。“要求非常苛刻”。

风力过大,会影响运动员的空中飞行姿态、着陆动作和比赛成绩,甚至会对运动员的安全造成威胁,使得训练、比赛中断、推迟、延期,甚至取消。有时,预报员需要在未来1—3个小时大风天气条件下,寻找适宜比赛的、风速小于每秒4米天气条件的赛时窗口期。“这是最大的难点。”段宇辉感叹。

所以有人说,气象条件,是冬奥会赛事真正的发令枪。

与天争锋

北京冬奥会的气象追梦人

怎么打好这发令枪?

预报的准确,仰赖于气象资料的获取。

2013年之前,北京延庆西北区海陀山的气象资料几乎为空白。

为获取准确气象数据,2013年开始,气象人进山,从零起步,在地形复杂的海陀山一点点建起综合气象站网。

“无路,无水,无电。” 冬奥北京气象中心延庆区气象服务组副组长张曼回忆起当年的“开路”,已经显得“云淡风轻”。“大型设备和仪器就用骡子驮,精细仪器就靠手拿肩扛。”

那时的海陀山,向他们展现出最为原生态的一面。山岩崎岖陡峭,树林密密匝匝。为了找到适宜的、符合标准的监测点,“我们把海陀山爬了个遍”。感受过刀割般的风,吃过冻硬的面包,嚼过冻成冰块的矿泉水,鞋破过,衣服破过,身上被荆棘划出过道道伤痕……他们就这样,把历届冬奥会中最为稠密的监测站网建了起来。

在河北,气象探测员同样在低温大风中“拓荒”,骡驮人背运设备,获取各赛道气象资料。

布站并维护,是摸清老天爷脾气的第一步。收集信息后,还要解读;解读之后,才有预测。

北京冬奥会不同赛区的气象预报团队,都经历了四到五年的冬训。

每年冬天,他们进入赛区,一待半年,感受当地的小气候。以探测设备收集的数据为基础,以理论知识为依托,叠加自己的切身体验,去观云,去追风。

延庆赛区现场预报服务团队有11人,都是精兵强将。从山西、内蒙古等地抽调而来的预报员,每年冬训,就得暂时放下小家。

让冬奥北京气象中心延庆区气象服务组副组长时少英觉得最为棘手的,还是风。

风不好报。

风,天天都有。延庆赛区盛行西北风。但是阵风,倏忽而起,方向不定。在城市中,你也能发现,穿行在密集楼房之间和站在楼房前的广场上,感受到的风速截然不同。而海陀山,山势陡峭,山连山,山套山,那么,当风经过,究竟会发生什么?有时,它会一鼓作气冲下来;有时,它会在背风坡形成空腔,冷空气会补充来,形成一个环流。

一开始,大家都不了解海陀山,那就一遍遍去爬。感受它的“任性”、神秘与多变,感受它的浪漫与严酷。

时少英常讲起最开始时的训练方法:先按照理论知识和经验,做出预报。比如,预计第二天上午11点会下雪,那么第二天一早,就迎着风爬到山上去,等着,看是不是11点下雪,从哪里开始飘雪,降雪量如何。然后,复盘、总结。

赛场冬训、出国培训、英语培训、赛事观摩……预报员团队一年年加深着对山地气象的了解。

用预报员自己的话说,做预报,是一项特别容易“打脸”的工作。报得对不对,过一两个小时就见分晓——老天爷有自己的脾气。

此前数年,他们一直在努力,努力摸清赛区这么小小一方天地上,老天爷的脾气。

每座山都有它的性格,预报员必须用时间去和它磨合。现在,他们已经从几年前的“偶尔报得准”进化到了现在的“偶尔报不准”。

“刚来的时候是真的摸不透。现在我们对赛区的天气已经比较有把握了。”来自内蒙古自治区气象台的马学峰说。可能更没把握的,是自己的孩子。刚开始冬训时,孩子还小,每年中的半年,父亲都缺席了;现在,冬奥会开幕在即,孩子也上小学了。“孩子对我可能还有些生疏。”马学峰有片刻的情绪低落,又立刻说道,“好在家人非常支持我。”

倚天长剑

北京冬奥会科技显锋芒

即使是“偶尔报不准”,但问及担忧,时少英仍脱口而出:“报不准是我最大的压力。”

其实,她也知道,赛事方能够理解天气预报上的误差,但她个人期待,能做得尽可能跟实况一样。时少英笑:“我也知道这不可能,哪有100%准确呢?这是天花板,要向天花板努力。”

从大气科学可预报性角度来说,空间越精细、预报时段越长,预报难度越大,更何况在地形复杂的山区,还要提供冬奥会关注的阵性大风、能见度、降水相态、雪面温度等特殊要素的气象预报,挑战重重。

为了触摸天花板,硬件和软件都要跟上。

张家口赛区装备保障团队负责人、河北省气象局装备中心副主任幺伦韬介绍,在北京城区、延庆和崇礼及周边地区共建设有各种现代化气象探测设施441套,它们是国内最为先进、也是中国气象局业务许可的新型气象探测设施,由传感器系统、采集处理系统、供电系统、传输系统组成。

在传感器使用上,为保证风传感器在低温、造雪环境下仍能正常工作,增加了自动加热功能,大部分站点还采用了超声式测风传感器,更适用于赛时风速风向的观测。在供电系统上,大部分采用太阳能和市电双供电机制,确保设备稳定运行。在传输系统上,均为无线通信,采用4G全网通通信模块,确保数据传输稳定可靠。

对数据的分析,也不止由人脑完成。

“我们预报员有大后方的支持。”时少英向记者演示着预报团队用的气象服务系统,“可以说,是集全国的气象力量来给冬奥会提供技术支撑。”

电脑上,不同颜色展示风速大小,不同流线显示风向变化,点击不同时间,模拟预测结果自动呈现:下一个小时,滑降起点1,风速每秒20米,超级大回转起点,风速每秒16米,第三起跳点,风速每秒15米……

这就是“百米级、分钟级”预报系统,采用了高精度数值天气预报模型和多源气象数据快速融合技术。

数值天气预报,是指根据大气实际情况通过大型计算机对大气运动状态和演变规律作数值计算,求解大气的动力、热力学和微物理方程组,来预测未来一定时段的大气状态和天气现象。百米级,指的是网格的大小。假设在赛区上空覆盖了一张看不见的网,每隔100米就有一个计算点。当网格足够小,才能对面积本就不大的冬奥核心赛区天气情况做出精准预报。

在往届冬奥会期间,客观气象预报基本以千米网格为主,时间更新频率是半小时至1小时。而北京冬奥会,空间网格分辨率最高可达67米,时间更新频次最高达到10分钟。

数值预报,千米级别和百米级别,难度不可同日而语。

为了更好描述大气边界层,团队研发出了大气涡流尺度数值模拟计算模型。陈明轩介绍,低层风场受地形影响较大,具有高度非均匀性。观测数据所能代表的范围非常有限,在这种情况下,就要用数值模拟方法获得复杂地形条件下高分辨率的近地层风场资料。千米级的数值预报,对大气边界层可以进行参数化近似处理。但当空间网格分辨率精细到了百米级别,再用参数近似处理,误差会非常大。此时,就需要处理大气边界层内不同尺度大小的涡流,并且采用更高分辨率的地形高程数据。于是,大气涡流尺度数值模拟计算模型应运而生。

为冬奥做的预报,时效至少需要达到10天。为了提高预报准确率,技术团队开发出了人工智能订正模型。这也是人工智能预报技术在国际上首次应用于冬奥会气象服务保障。借助人工智能技术和大数据技术,通过对海量的数值天气预报模型预报数据和大量的气象观测数据进行“再解读”,从而实现客观气象预报的“再订正”,提升冬奥气象预报的精准度。

由于要处理的数据量庞大,该系统跑在冬奥气象服务中心的超级计算机上。要支撑这一系统在三个赛区六个赛场的“全覆盖”正常运行,需要一万核的计算机算力。

其实,百米级天气预报,在国外主要用作科学试验。但这次,在冬奥赛场,它要实现的是实时业务化运行。从试验到真刀真枪应用,又是一重考验。“分辨率高,数值天气预报模型的计算精度和稳定性就会差。”陈明轩说。可以将它理解为一种过载。为保证模型的稳定性,技术团队在逼真模拟和减轻计算负荷间找到平衡点,考虑了一些必要的简化,着重刻画复杂地形、辐射、摩擦对温度和风的影响。

一系列关键技术方法,最终构建了冬奥气象“百米级”预报技术体系,形成了冬奥高精度气象预报系统“睿图-睿思”,多项技术填补国内空白,核心技术完全自主可控。

“我们预报员现在已经很信赖这个产品了。”时少英说。

陈明轩则坦言,一开始,技术团队也不是特别有信心。几年来,他们不断和预报员团队沟通磨合。“我们团队里年轻博士们,刻苦钻研,发挥大国工匠精神,真的是把各种技术细节抠到极致。”陈明轩感慨。

科技成果的诞生,也得益于相关部门的支持。

科技部优先设立科技冬奥项目,重点支持冬奥会气象条件预测保障关键技术研究,北京市科委、河北省科技厅等部门先后设立科技冬奥项目支持冬奥会气象保障关键技术研究。

如今,复杂山地精细化网格数值预报和人工智能技术等新技术新方法在北京冬奥会气象服务中得到广泛应用。未来,新时期国家重大活动保障、大城市安全运行、灾害天气预报预警和极端灾害天气应对……为冬奥而生的高精度预报技术,还会用于更多民生场景。

“我们所有科研人员,所有观测和预报团队,都有种使命感,有股不服输的劲头,下决心要把这件事做好。”陈明轩说,“我们常说,只有人努力,才有天帮忙。”

只有人努力,才有天帮忙。来吧,北京冬奥会,中国气象人已做好准,静待接招。(记者 张盖伦 付丽丽) 

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