深瞳工作室出品
科技日?qǐng)?bào)記者 張蓋倫 策劃 劉莉
視覺中國(guó)供圖
氣象條件對(duì)冬奧賽事影響極大。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。在即將開幕的2022年北京冬奧會(huì)期間，一套體現(xiàn)我國(guó)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。
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“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(guó)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。
看天說話 北京冬奧會(huì)的真正發(fā)令槍
2018年韓國(guó)平昌冬奧會(huì)，有17項(xiàng)比賽因?yàn)闅庀笤蜻M(jìn)行了調(diào)整，有1項(xiàng)直接取消。
2014年俄羅斯索契冬奧會(huì)，春天來得太早，溫度過高讓雪質(zhì)松軟，在女子超級(jí)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(yùn)動(dòng)員嚴(yán)重受傷。
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(guó)際上都是尚未解決的氣象難題之一，國(guó)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)椋煌?xiàng)目對(duì)氣象條件的關(guān)注重點(diǎn)也有所不同。
張家口氣象臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、冬季兩項(xiàng)場(chǎng)館氣象服務(wù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人郭宏介紹，冬季兩項(xiàng)是一項(xiàng)集越野滑雪和射擊于一身的比賽，該項(xiàng)目主要關(guān)注的是溫度和雪溫。溫度一旦低于-20℃，運(yùn)動(dòng)員在戶外超過半小時(shí)，裸露的皮膚就有凍傷的風(fēng)險(xiǎn)。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(huì)商定比賽是否要進(jìn)行調(diào)整。雪溫將影響打蠟師的打蠟策略。打蠟?zāi)軒椭\(yùn)動(dòng)員在雪面滑行時(shí)獲得適宜的摩擦力，專業(yè)隊(duì)伍會(huì)根據(jù)雪溫配備十幾種不同的雪蠟。
跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目，要盯緊的則是風(fēng)。
古楊樹場(chǎng)館群氣象服務(wù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人段宇輝說，河北崇禮多大風(fēng)、低溫天氣，而跳臺(tái)場(chǎng)館和北歐兩項(xiàng)比賽，風(fēng)速需要低于每秒4米?！耙蠓浅？量獭?。
風(fēng)力過大，會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的空中飛行姿態(tài)、著陸動(dòng)作和比賽成績(jī)，甚至?xí)?duì)運(yùn)動(dòng)員的安全造成威脅，使得訓(xùn)練、比賽中斷、推遲、延期，甚至取消。有時(shí)，預(yù)報(bào)員需要在未來1—3個(gè)小時(shí)大風(fēng)天氣條件下，尋找適宜比賽的、風(fēng)速小于每秒4米天氣條件的賽時(shí)窗口期。“這是最大的難點(diǎn)。”段宇輝感嘆。
所以有人說，氣象條件，是冬奧會(huì)賽事真正的發(fā)令槍。
與天爭(zhēng)鋒 北京冬奧會(huì)的氣象追夢(mèng)人
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?！?ensp;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”?！按笮驮O(shè)備和儀器就用騾子馱，精細(xì)儀器就靠手拿肩扛?！?/p>
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)歷了四到五年的冬訓(xùn)。
每年冬天，他們進(jìn)入賽區(qū)，一待半年，感受當(dāng)?shù)氐男夂颉Ｒ蕴綔y(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)。
風(fēng)不好報(bào)。
風(fēng)，天天都有。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(guó)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。
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(bào)員必須用時(shí)間去和它磨合。現(xiàn)在，他們已經(jīng)從幾年前的“偶爾報(bào)得準(zhǔn)”進(jìn)化到了現(xiàn)在的“偶爾報(bào)不準(zhǔn)”。
“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。”來自內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺(tái)的馬學(xué)峰說?？赡芨鼪]把握的，是自己的孩子。剛開始冬訓(xùn)時(shí)，孩子還小，每年中的半年，父親都缺席了；現(xiàn)在，冬奧會(huì)開幕在即，孩子也上小學(xué)了。“孩子對(duì)我可能還有些生疏。”馬學(xué)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(zhǎng)劍 北京冬奧會(huì)科技顯鋒芒
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?！?/p>
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(guó)內(nèi)最為先進(jìn)、也是中國(guó)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?！睍r(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(guó)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)。
數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，是指根據(jù)大氣實(shí)際情況通過大型計(jì)算機(jī)對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和演變規(guī)律作數(shù)值計(jì)算，求解大氣的動(dòng)力、熱力學(xué)和微物理方程組，來預(yù)測(cè)未來一定時(shí)段的大氣狀態(tài)和天氣現(xiàn)象。百米級(jí)，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(gè)計(jì)算點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)格足夠小，才能對(duì)面積本就不大的冬奧核心賽區(qū)天氣情況做出精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。
在往屆冬奧會(huì)期間，客觀氣象預(yù)報(bào)基本以千米網(wǎng)格為主，時(shí)間更新頻率是半小時(shí)至1小時(shí)。而北京冬奧會(huì)，空間網(wǎng)格分辨率最高可達(dá)67米，時(shí)間更新頻次最高達(dá)到10分鐘。
數(shù)值預(yù)報(bào)，千米級(jí)別和百米級(jí)別，難度不可同日而語。
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。陳明軒介紹，低層風(fēng)場(chǎng)受地形影響較大，具有高度非均勻性。觀測(cè)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(fù)雜地形條件下高分辨率的近地層風(fēng)場(chǎng)資料。千米級(jí)的數(shù)值預(yù)報(bào)，對(duì)大氣邊界層可以進(jìn)行參數(shù)化近似處理。但當(dāng)空間網(wǎng)格分辨率精細(xì)到了百米級(jí)別，再用參數(shù)近似處理，誤差會(huì)非常大。此時(shí)，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(jì)算模型應(yīng)運(yùn)而生。
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(guó)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(guó)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)。“分辨率高，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?？梢詫⑺斫鉃橐环N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(guó)內(nèi)空白，核心技術(shù)完全自主可控。
“我們預(yù)報(bào)員現(xiàn)在已經(jīng)很信賴這個(gè)產(chǎn)品了?！睍r(shí)少英說。
陳明軒則坦言，一開始，技術(shù)團(tuán)隊(duì)也不是特別有信心。幾年來，他們不斷和預(yù)報(bào)員團(tuán)隊(duì)溝通磨合?！拔覀儓F(tuán)隊(duì)里年輕博士們，刻苦鉆研，發(fā)揮大國(guó)工匠精神，真的是把各種技術(shù)細(xì)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?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(guó)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?！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(huì)，中國(guó)氣象人已做好準(zhǔn)，靜待接招。
（科技日?qǐng)?bào)記者付麗麗對(duì)此文亦有貢獻(xiàn)）
