陳明軒，北京城市氣象研究院副院長(zhǎng)，研究員，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“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。

帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)4年多時(shí)間，研發(fā)構(gòu)建自主可控的冬奧會(huì)氣象保障核心技術(shù)體系。首次在我國(guó)中緯度山區(qū)組織實(shí)施了復(fù)雜地形下冬季多維度氣象綜合觀測(cè)試驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)了“百米級(jí)、分鐘級(jí)”業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)能力，形成覆蓋延慶和張家口賽區(qū)百米網(wǎng)格、十分鐘更新的冬奧氣象預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了冬奧關(guān)鍵點(diǎn)位0—10天定時(shí)、定點(diǎn)、定量氣象預(yù)報(bào)，大幅提升了冬奧會(huì)保障的關(guān)鍵氣象要素預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，有力支撐了氣象預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展精細(xì)氣象服務(wù)。

冬奧比賽70%的項(xiàng)目是雪上項(xiàng)目，為保障冬奧健兒雪上項(xiàng)目順利完賽，不僅要低頭留意腳下的雪量和雪質(zhì)，更要抬頭提前關(guān)注頭頂?shù)臍庀蟆?/p>

北京2022年冬奧會(huì)是近20年來(lái)首次在大陸性季風(fēng)氣候背景下舉辦的冬奧賽事，不利的氣候條件加上賽區(qū)地形復(fù)雜等原因，使氣象服務(wù)保障面臨巨大困難。為了克服這些困難，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)設(shè)立了“冬奧會(huì)氣象條件預(yù)測(cè)保障關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目。研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了精密的氣象監(jiān)測(cè)，鑄就了精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)，同時(shí)以龐大的數(shù)據(jù)支撐了眾多精細(xì)的氣象服務(wù)，助力北京冬奧會(huì)成為一屆“精彩、非凡、卓越”的奧運(yùn)盛會(huì)。

該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、北京城市氣象研究院副院長(zhǎng)陳明軒介紹了北京冬奧會(huì)的氣象服務(wù)保障工作。

問(wèn)：為了克服氣象保障服務(wù)方面的困難，第一件事情就是要進(jìn)行全面的氣象監(jiān)測(cè)。請(qǐng)您給我們介紹一下，氣象監(jiān)測(cè)對(duì)于氣象服務(wù)保障工作到底有多么重要？科研團(tuán)隊(duì)又是如何進(jìn)行這項(xiàng)研究的？

陳明軒：2014年我國(guó)成功申辦北京冬奧會(huì)之后，就開(kāi)始著手系統(tǒng)性的山地氣象觀測(cè)。冬奧會(huì)70%的項(xiàng)目都是雪上項(xiàng)目，大部分的雪上項(xiàng)目都在地形復(fù)雜的山區(qū)舉辦。北京冬奧會(huì)主要有兩個(gè)山地賽場(chǎng)：一個(gè)是北京延慶海坨山，另一個(gè)是河北張家口的崇禮區(qū)。地形復(fù)雜，氣象觀測(cè)比較匱乏。延慶賽區(qū)以前都是野山，氣象觀測(cè)基本空白。要做好冬奧會(huì)氣象保障服務(wù)首先要了解那里的氣象特征，就像打仗一樣，兵馬未動(dòng)、糧草先行，氣象觀測(cè)是冬奧會(huì)氣象保障服務(wù)的第一步。從2014年開(kāi)始，我們就開(kāi)始系統(tǒng)性地布局冬奧會(huì)的氣象觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

山地的氣象條件比較復(fù)雜，交通、通訊、電力都不是特別完備，我們一開(kāi)始從如何布局氣象探測(cè)儀器，如何能夠把氣象探測(cè)的數(shù)據(jù)獲取回來(lái)，開(kāi)展有效科學(xué)分析研究著手，運(yùn)用從地面的氣象觀測(cè)儀器，以及垂直的或者是三維的、立體的氣象觀測(cè)儀器，對(duì)風(fēng)、溫度、降雪、能見(jiàn)度這些跟冬奧密切相關(guān)的氣象要素進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)綜合分析和研判，最后決定在地面布什么樣的儀器能夠看到空中的大氣特征。比如，風(fēng)的垂直變化、溫度的垂直變化、山區(qū)的能見(jiàn)度、降雨降雪的觀測(cè)等，這些都是我們最關(guān)注的。

根據(jù)國(guó)際單項(xiàng)聯(lián)合會(huì)和國(guó)際奧委會(huì)的要求，冬奧的山地雪上項(xiàng)目賽道需要設(shè)置氣象觀測(cè)站，要在不同的海拔高度、不同的賽道地點(diǎn)進(jìn)行站網(wǎng)布局。地面觀測(cè)布設(shè)也是整個(gè)氣象觀測(cè)實(shí)驗(yàn)非常重要的一部分。觀測(cè)實(shí)驗(yàn)包括兩部分。一部分是地面觀測(cè)，基本上以自動(dòng)氣象站為主，觀測(cè)地點(diǎn)參考國(guó)際單項(xiàng)聯(lián)合會(huì)和國(guó)際奧委會(huì)的要求，既是業(yè)務(wù)觀測(cè)，也是科研觀測(cè)。

另外一部分，我們布設(shè)了很多非常規(guī)的氣象儀器，觀測(cè)大氣的垂直或三維的特征，比如風(fēng)、溫度等。測(cè)風(fēng)方面主要有兩種儀器：一個(gè)叫風(fēng)廓線雷達(dá)，可以測(cè)風(fēng)的垂直變化;另外一個(gè)叫測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，通過(guò)激光反射大氣中氣溶膠的變化，最后能夠測(cè)出不同高度的風(fēng)速和風(fēng)向，通過(guò)三維立體掃描，共同得到賽場(chǎng)周邊一定高度內(nèi)的大氣三維風(fēng)的變化，這是關(guān)于測(cè)風(fēng)的。在地面自動(dòng)氣象站方面，也有測(cè)風(fēng)的裝備，之前我們用的是機(jī)械測(cè)風(fēng)，它叫風(fēng)杯，像齒輪一樣，風(fēng)吹它就會(huì)轉(zhuǎn)。還有一個(gè)風(fēng)標(biāo)，用來(lái)定位風(fēng)向，叫機(jī)械風(fēng)，但是機(jī)械風(fēng)會(huì)受到天氣影響，比如下雨、下雪可能會(huì)凍住，所以我們最后就把機(jī)械風(fēng)改成了精度更高的超聲風(fēng)，通過(guò)超聲波測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向的變化。一方面，可以有效規(guī)避機(jī)械風(fēng)的儀器被凍住的風(fēng)險(xiǎn);另一方面，得到數(shù)據(jù)的時(shí)間的分辨率或者是時(shí)間的精度更高，可以達(dá)到秒級(jí)，這就是我們所謂的秒級(jí)觀測(cè)的來(lái)源。

冬奧氣象預(yù)報(bào)員在張家口賽區(qū)氣象中心使用科技冬奧產(chǎn)品。

此外，還要了解山地賽場(chǎng)的大氣溫度和濕度的變化。我們?cè)谝欢ǜ叨葍?nèi)安裝了微波輻射計(jì)，可以測(cè)一兩分鐘之內(nèi)大氣的風(fēng)和溫度的垂直變化，在張家口賽區(qū)和延慶賽區(qū)布了很多這樣的儀器，因?yàn)轱L(fēng)和溫度是對(duì)北京冬奧會(huì)影響最大的因素，當(dāng)然，降雨、降雪、能見(jiàn)度、雪溫等也是非常值得關(guān)注的。

問(wèn)：有了精密的氣象監(jiān)測(cè)之后，科研人員怎么實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)？

陳明軒：我們得到氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)科學(xué)的分析和研判，對(duì)延慶山區(qū)——海坨山賽場(chǎng)和張家口崇禮賽場(chǎng)的小尺度氣象特征有了大致掌握?；谶@個(gè)科學(xué)基礎(chǔ)來(lái)研究：如何做到尺度特別小、地形特別復(fù)雜的陡峭山區(qū)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)呢？我們研發(fā)了一套“百米級(jí)、分鐘級(jí)”預(yù)報(bào)技術(shù)體系，對(duì)山地賽場(chǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。比如，延慶海坨山的高山滑雪賽場(chǎng)，海拔高度是2000米左右，從山頂?shù)缴侥_的賽道長(zhǎng)度直線距離是2.5公里左右，左右6條賽道，范圍是2.25公里，要在2000米左右的海拔高度、從上到下2.5公里、從左到右2.25公里的范圍內(nèi)，做不同高度的幾十個(gè)點(diǎn)的預(yù)報(bào)是非常難的，這就需要“百米級(jí)、分鐘級(jí)”的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)技術(shù)。

根據(jù)冬奧氣象保障服務(wù)需求和北京冬奧組委要求，不僅要做到“百米級(jí)”預(yù)報(bào)，還要做到0—10天的天氣預(yù)報(bào)。按照現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)的科技能力，7天以后氣象預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度直線下降。一般來(lái)說(shuō)，氣象精確度比較高的預(yù)報(bào)是7天以內(nèi)的預(yù)報(bào)。我們考慮了山區(qū)地形的影響、冬季的天氣特征、地面的摩擦對(duì)風(fēng)的影響、太陽(yáng)的輻射對(duì)溫度的影響等因素，基于研發(fā)的睿圖數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型基礎(chǔ)，針對(duì)冬奧氣象保障服務(wù)和預(yù)報(bào)需求做進(jìn)一步研發(fā)，最后形成了睿圖模式體系里面的睿圖-睿思系統(tǒng)，可以做到“百米級(jí)”預(yù)報(bào)。在前24小時(shí)可以做到10分鐘更新一次的預(yù)報(bào)，在1—10天內(nèi)可以每天提供兩次預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)間隔達(dá)到10分鐘，預(yù)報(bào)空間的網(wǎng)格達(dá)到100米到67米這樣的空間網(wǎng)格。

問(wèn)：您剛剛提到的“百米級(jí)、分鐘級(jí)”技術(shù)的核心體系是什么？睿圖-睿思系統(tǒng)具體是什么？

陳明軒：核心技術(shù)方面，將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行快速融合。我們布了很多氣象加密觀測(cè)儀器，得到很多實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)傳回服務(wù)器，在睿圖模式體系預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，把精準(zhǔn)觀測(cè)加進(jìn)去做進(jìn)一步融合，得到“百米級(jí)”預(yù)報(bào)產(chǎn)品，這叫多源氣象數(shù)據(jù)的快速集成融合。采用大氣渦流尺度數(shù)值模擬，跟多源數(shù)據(jù)融合進(jìn)一步結(jié)合，提升“百米級(jí)”氣象預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度。還引入了人工智能模型，分辨是降雨、降雪還是雨夾雪，包括對(duì)“百米級(jí)”預(yù)報(bào)偏差進(jìn)行訂正。用大數(shù)據(jù)把過(guò)去多年觀測(cè)用人工智能模型去進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)“百米級(jí)”的誤差進(jìn)行訂正，這樣就可以得到更精準(zhǔn)的“百米級(jí)”預(yù)報(bào)。

我們得到了百米或者是67米網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)之后，怎么定位到冬奧組委或者國(guó)際奧委會(huì)要求的關(guān)鍵點(diǎn)位的預(yù)報(bào)呢？在張家口賽區(qū)、延慶賽區(qū)、北京賽區(qū)，我們的首鋼園區(qū)都有這些固定的點(diǎn)位，需要對(duì)這些冬奧關(guān)鍵點(diǎn)位提供更精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)。在百米網(wǎng)格預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，繼續(xù)使用大數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計(jì)訂正、人工智能訂正方法，從網(wǎng)格預(yù)報(bào)進(jìn)一步訂正到關(guān)鍵點(diǎn)位預(yù)報(bào)，進(jìn)一步提升0—1天甚至1—10天定時(shí)定點(diǎn)定量預(yù)報(bào)的能力，讓預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度做得更高。

前面講的技術(shù)體系最后形成了一個(gè)系統(tǒng)，叫睿圖-睿思。睿思英文是RISE，就是提升的意思，相當(dāng)于把睿圖模式體系的預(yù)報(bào)結(jié)果做進(jìn)一步提升，服務(wù)冬奧氣象保障。

問(wèn)：咱們主持的項(xiàng)目有一大批豐碩成果，請(qǐng)您介紹一下這批成果的亮點(diǎn)。這批成果處于怎樣的技術(shù)水平？

陳明軒：冬奧會(huì)氣象保障服務(wù)的科技創(chuàng)新有幾個(gè)方面。我個(gè)人認(rèn)為，第一是首次在我國(guó)中緯度山區(qū)舉辦了冬季加密氣象觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。一方面支持冬奧氣象保障，另一方面也對(duì)我國(guó)山地氣象學(xué)研究的深化奠定了很好的基礎(chǔ)。因?yàn)榧用苡^察實(shí)驗(yàn)是系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，我國(guó)以前從未在冬季山區(qū)舉辦過(guò)氣象加密觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，我們得到了很多山地氣象方面非常精細(xì)的預(yù)報(bào)模型，為未來(lái)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)天氣提供科學(xué)基礎(chǔ)。

第二是形成了“百米級(jí)”的業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)能力，在冬奧歷史上第一次用“百米級(jí)”預(yù)報(bào)支撐冬奧氣象保障。“百米級(jí)”業(yè)務(wù)為我國(guó)未來(lái)氣象精準(zhǔn)預(yù)報(bào)和精細(xì)服務(wù)能力提升奠定了基礎(chǔ)，起到了示范作用。

第三是引入了人工智能模型進(jìn)一步提升冬奧氣象預(yù)報(bào)的水平和能力，這是冬奧歷史上第一次把人工智能與氣象結(jié)合起來(lái)開(kāi)展冬奧氣象保障服務(wù)。

從國(guó)內(nèi)來(lái)講，我們研發(fā)的“百米級(jí)、分鐘級(jí)”的預(yù)報(bào)技術(shù)體系，包括冬奧山區(qū)的加密觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，基本上是國(guó)內(nèi)第一次開(kāi)展這樣的工作，也是第一次在大型活動(dòng)氣象保障中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。從國(guó)際來(lái)說(shuō)，“百米級(jí)”預(yù)報(bào)技術(shù)在冬奧會(huì)歷史上第一次應(yīng)用，人工智能跟氣象相結(jié)合的技術(shù)也是在冬奧會(huì)歷史上第一次應(yīng)用。

科研人員在延慶賽區(qū)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)。

另外，我們研發(fā)的這些技術(shù)跟國(guó)際接軌，其中科技冬奧項(xiàng)目的研發(fā)成果成為世界氣象組織世界天氣研究計(jì)劃高影響天氣（WMO/WWRP/HIWeather）示范項(xiàng)目，世界氣象組織的國(guó)際專家組想讓中國(guó)的奧運(yùn)氣象保障服務(wù)科技研發(fā)將來(lái)惠及更多國(guó)家，開(kāi)展高影響天氣的高精度預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。我們可以向全世界分享中國(guó)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

問(wèn)：除了在冬奧會(huì)中的應(yīng)用，這個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和成果未來(lái)會(huì)有怎樣的發(fā)展前景？

陳明軒：我們科技冬奧項(xiàng)目研發(fā)的一系列技術(shù)成果可以有效支撐北京冬奧會(huì)成功舉辦，在以下幾個(gè)方面可以獲得進(jìn)一步深化應(yīng)用。

第一方面是促進(jìn)防災(zāi)減災(zāi)，為國(guó)家重大活動(dòng)做氣象保障，服務(wù)于大城市防洪排澇安全運(yùn)行。

第二方面是聚焦帶動(dòng)三億人參與冰雪運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，冬奧氣象科技的成果未來(lái)可以助力國(guó)家冰雪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和冰雪運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)，對(duì)提升配套能力能夠起到一定作用。

第三方面是冬奧氣象科技成果的精度非常高，在國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)方面可能會(huì)得到應(yīng)用，在助力國(guó)家能源碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方面，冬奧氣象科技成果可以進(jìn)一步發(fā)力。