為刷新冬奧氣象服務(wù)精度紀(jì)錄中國氣象人苦練“預(yù)言”絕活

張曄

“百米級(jí)、分鐘級(jí)”，這是往屆冬奧會(huì)從未實(shí)現(xiàn)過的氣象服務(wù)目標(biāo)：在空間上，每隔100米甚至更短，就有一個(gè)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù);在時(shí)間上，每隔10分鐘，就能更新一組預(yù)報(bào)。

精細(xì)化氣象服務(wù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

在即將開幕的2022年北京冬奧會(huì)期間，這樣一套體現(xiàn)我國氣象核心科技、實(shí)現(xiàn)“定時(shí)、定點(diǎn)、定量”的氣象預(yù)報(bào)技術(shù)體系，將迎來最終大考。

氣象條件對(duì)冬奧賽事影響極大。在冬奧會(huì)比賽項(xiàng)目中，戶外雪上項(xiàng)目占大多數(shù)。風(fēng)向、風(fēng)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(jī)，還關(guān)乎運(yùn)動(dòng)員安全。

如果風(fēng)太大，影響滑雪技巧動(dòng)作的完成;如果降雪，新雪蓬松，不利平衡;若降暴雪，會(huì)讓雪道變得模糊，讓運(yùn)動(dòng)員陷入危險(xiǎn);若能見度太低，影響運(yùn)動(dòng)員和裁判員的視線……所以，冬奧需要?dú)庀蠓?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(xiàng)目和滑行項(xiàng)目的每個(gè)場(chǎng)館，至少要安排兩名氣象服務(wù)人員提供現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)。

北京的氣候條件相對(duì)特殊。北京冬奧會(huì)是近20年內(nèi)唯一一次在大陸性冬季風(fēng)主導(dǎo)氣候條件下舉辦的冬奧會(huì)。氣候特征給出了北京冬奧會(huì)的特殊難題——山地小尺度的風(fēng)和溫度的精密監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。

“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)“冬奧會(huì)氣象條件預(yù)測(cè)保障關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、北京城市氣象研究院副院長(zhǎng)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(huì)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(bào)員為賽場(chǎng)氣象服務(wù)人員提供預(yù)報(bào)產(chǎn)品。在每個(gè)比賽日的前一日，賽場(chǎng)氣象服務(wù)人員會(huì)根據(jù)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，在領(lǐng)隊(duì)會(huì)上，向組委會(huì)、裁判及各代表隊(duì)的領(lǐng)隊(duì)解讀賽時(shí)天氣情況，為是否調(diào)整比賽日程提供支撐。

服務(wù)，精細(xì)到“一場(chǎng)一策”甚至“一項(xiàng)一策”。這是因?yàn)?，不同?xiàng)目對(duì)氣象條件的關(guān)注重點(diǎn)也有所不同。

所以有人說，氣象條件，是冬奧會(huì)賽事真正的發(fā)令槍。

怎么打好這發(fā)令槍？

預(yù)報(bào)的準(zhǔn)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(zhǔn)確氣象數(shù)據(jù)，2013年開始，氣象人進(jìn)山，從零起步，在地形復(fù)雜的海陀山一點(diǎn)點(diǎn)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(wù)組副組長(zhǎng)張曼回憶起當(dāng)年的“開路”，已經(jīng)顯得“云淡風(fēng)輕”。“大型設(shè)備和儀器就用騾子馱，精細(xì)儀器就靠手拿肩扛。”

那時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，“我們把海陀山爬了個(gè)遍”。感受過刀割般的風(fēng)，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(huì)中最為稠密的監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建了起來。

在河北，氣象探測(cè)員同樣在低溫大風(fēng)中“拓荒”，騾馱人背運(yùn)設(shè)備，獲取各賽道氣象資料。

布站并維護(hù)，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(cè)。

北京冬奧會(huì)不同賽區(qū)的氣象預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)，都經(jīng)歷了4～5年的冬訓(xùn)。

每年冬天，他們進(jìn)入賽區(qū)，一待半年，感受當(dāng)?shù)氐男夂?。以探測(cè)設(shè)備收集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以理論知識(shí)為依托，疊加自己的切身體驗(yàn)，去觀云，去追風(fēng)。

延慶賽區(qū)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)服務(wù)團(tuán)隊(duì)有11人，都是精兵強(qiáng)將。從山西、內(nèi)蒙古等地抽調(diào)而來的預(yù)報(bào)員，每年冬訓(xùn)，就得暫時(shí)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(zhǎng)時(shí)少英覺得最為棘手的，還是風(fēng)。延慶賽區(qū)盛行西北風(fēng)。但是陣風(fēng)，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(chǎng)上，感受到的風(fēng)速截然不同。而海陀山，山勢(shì)陡峭，山連山，山套山，那么，當(dāng)風(fēng)經(jīng)過，究竟會(huì)發(fā)生什么？有時(shí)，它會(huì)一鼓作氣沖下來;有時(shí)，它會(huì)在背風(fēng)坡形成空腔，冷空氣會(huì)補(bǔ)充來，形成一個(gè)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(yán)酷。

時(shí)少英常講起最開始時(shí)的訓(xùn)練方法：先按照理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，做出預(yù)報(bào)。比如，預(yù)計(jì)第二天上午11點(diǎn)會(huì)下雪，那么第二天一早，就迎著風(fēng)爬到山上去，等著，看是不是11點(diǎn)下雪，從哪里開始飄雪，降雪量如何。然后，復(fù)盤、總結(jié)。

賽場(chǎng)冬訓(xùn)、出國培訓(xùn)、英語培訓(xùn)、賽事觀摩……預(yù)報(bào)員團(tuán)隊(duì)一年年加深著對(duì)山地氣象的了解。

用預(yù)報(bào)員自己的話說，做預(yù)報(bào)，是一項(xiàng)特別容易“打臉”的工作。報(bào)得對(duì)不對(duì)，過一兩個(gè)小時(shí)就見分曉——老天爺有自己的脾氣。

“剛來的時(shí)候是真的摸不透?，F(xiàn)在我們對(duì)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(tái)的馬學(xué)峰說。

即使是“偶爾報(bào)不準(zhǔn)”，但問及擔(dān)憂，時(shí)少英仍脫口而出：“報(bào)不準(zhǔn)是我最大的壓力。”

其實(shí)，她也知道，賽事方能夠理解天氣預(yù)報(bào)上的誤差，但她個(gè)人期待，能做得盡可能跟實(shí)況一樣。時(shí)少英笑：“我也知道這不可能，哪有100%準(zhǔn)確呢？這是天花板，要向天花板努力?！?/p>

從大氣科學(xué)可預(yù)報(bào)性角度來說，空間越精細(xì)、預(yù)報(bào)時(shí)段越長(zhǎng)，預(yù)報(bào)難度越大，更何況在地形復(fù)雜的山區(qū)，還要提供冬奧會(huì)關(guān)注的陣性大風(fēng)、能見度、降水相態(tài)、雪面溫度等特殊要素的氣象預(yù)報(bào)，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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)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(cè)設(shè)施441套，它們是國內(nèi)最為先進(jìn)、也是中國氣象局業(yè)務(wù)許可的新型氣象探測(cè)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(fēng)傳感器在低溫、造雪環(huán)境下仍能正常工作，增加了自動(dòng)加熱功能，大部分站點(diǎn)還采用了超聲式測(cè)風(fēng)傳感器，更適用于賽時(shí)風(fēng)速風(fēng)向的觀測(cè)。在供電系統(tǒng)上，大部分采用太陽能和市電雙供電機(jī)制，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)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(duì)數(shù)據(jù)的分析，也不止由人腦完成。

“我們預(yù)報(bào)員有大后方的支持。”時(shí)少英向記者演示著預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)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(huì)提供技術(shù)支撐?！?/p>

電腦上，不同顏色展示風(fēng)速大小，不同流線顯示風(fēng)向變化，點(diǎn)擊不同時(shí)間，模擬預(yù)測(cè)結(jié)果自動(dòng)呈現(xiàn)：下一個(gè)小時(shí)，滑降起點(diǎn)1，風(fēng)速每秒20米，超級(jí)大回轉(zhuǎn)起點(diǎn)，風(fēng)速每秒16米，第三起跳點(diǎn)，風(fēng)速每秒15米……

這就是“百米級(jí)、分鐘級(jí)”預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用了高精度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型和多源氣象數(shù)據(jù)快速融合技術(shù)。

為了更好描述大氣邊界層，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了大氣渦流尺度數(shù)值模擬計(jì)算模型。

為冬奧做的預(yù)報(bào)，時(shí)效至少需要達(dá)到10天。為了提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了人工智能訂正模型。這也是人工智能預(yù)報(bào)技術(shù)在國際上首次應(yīng)用于冬奧會(huì)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(duì)海量的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和大量的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行“再解讀”，從而實(shí)現(xiàn)客觀氣象預(yù)報(bào)的“再訂正”，提升冬奧氣象預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)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(jí)計(jì)算機(jī)上。要支撐這一系統(tǒng)在三個(gè)賽區(qū)六個(gè)賽場(chǎng)的“全覆蓋”正常運(yùn)行，需要一萬核的計(jì)算機(jī)算力。

其實(shí)，百米級(jí)天氣預(yù)報(bào)，在國外主要用作科學(xué)試驗(yàn)。但這次，在冬奧賽場(chǎng)，它要實(shí)現(xiàn)的是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。從試驗(yàn)到真刀真槍應(yīng)用，又是一重考驗(yàn)?！胺直媛矢?，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型的計(jì)算精度和穩(wěn)定性就會(huì)差?！标惷鬈幷f。可以將它理解為一種過載。為保證模型的穩(wěn)定性，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在逼真模擬和減輕計(jì)算負(fù)荷間找到平衡點(diǎn)，考慮了一些必要的簡(jiǎn)化，著重刻畫復(fù)雜地形、輻射、摩擦對(duì)溫度和風(fēng)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(jí)”預(yù)報(bào)技術(shù)體系，形成了冬奧高精度氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)“睿圖—睿思”，多項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)國內(nèi)空白，核心技術(shù)完全自主可控。

科技成果的誕生，也得益于相關(guān)部門的支持。

科技部?jī)?yōu)先設(shè)立科技冬奧項(xiàng)目，重點(diǎn)支持冬奧會(huì)氣象條件預(yù)測(cè)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(xiàng)目支持冬奧會(huì)氣象保障關(guān)鍵技術(shù)研究。

如今，復(fù)雜山地精細(xì)化網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報(bào)和人工智能技術(shù)等新技術(shù)新方法在北京冬奧會(huì)氣象服務(wù)中得到廣泛應(yīng)用。未來，新時(shí)期國家重大活動(dòng)保障、大城市安全運(yùn)行、災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)預(yù)警和極端災(zāi)害天氣應(yīng)對(duì)……為冬奧而生的高精度預(yù)報(bào)技術(shù)，還會(huì)用于更多民生場(chǎng)景。

“我們所有科研人員，所有觀測(cè)和預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)，都有種使命感，有股不服輸?shù)膭蓬^，下決心要把這件事做好。”陳明軒說，“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(huì)，中國氣象人已做好準(zhǔn)，靜待接招。