半冬科技对标新高度，城市院用创新践行“科技冬奥”

导语:纵观历届冬奥会，天气是奥运会成功的关键因素。对极端风力、能见度、温度、湿度、降雪等气象条件进行准确可靠的预测和预警。是保证北京冬奥会、残奥会运行和运动员成绩的重要外部因素。作为近20年来唯一一届在大陆性冬季季风气候下举办的冬奥会，北京冬奥会可供借鉴的经验和案例很少，这进一步给冬奥会的气象服务带来了巨大的挑战。

背景

山区精确预报面临许多挑战

冬奥会所有项目中，冰项目约占30%，雪项目约占70%。“除雪工程是室外的，所以受气象条件影响比较大。比如高山滑雪，对风向、能见度、温度、辐射都有严格的要求。”项目负责人、北京城市气象研究所副所长陈研究员说。

比赛中，如果风速过低空，可能会影响运动员的人身安全。能见度低会影响运动员和裁判员的视线；过高的温度会导致雪融化，从而影响比赛，而过低的温度会冻伤运动员。因此，当比赛期间出现大雪、大雾、大风等高影响天气时，往往会导致比赛临时中断、延期和取消。

不利天气条件对滑雪项目的影响。王美丽整理了图纸

然而，冬奥会地区往往位于地形复杂的山区。俗话说“一山四季，十里不同日”。有的时候水平距离只有几十米，但垂直距离相差很大，在风力、能见度、温度等方面差异巨大。因此，冬季山地天气预报一直是世界上的一个难题。

前几届冬奥会大多在海洋性气候下举行。作为近20年来唯一一届在大陆性冬季季风气候下举办的冬奥会，北京冬奥会不同于以往的气候条件和小尺度天气特征，可供借鉴的经验和案例很少。另外，北京冬奥会对气象预报服务的精细化程度要求非常高，而国内对冬雪项目气象条件高分辨率预报服务技术的研究很少，也没有成熟的高精度预报系统提供支持；另外，山区连续气象观测资料少，特殊天气检测几乎空白。这些都给冬奥会的气象服务带来了巨大的挑战。

气象服务保障虽然困难重重，但包括北京城市气象研究所在内的15家单位给出了答案！

“冬奥会气象条件预测及支撑关键技术”项目图标

2018年9月，国家重点研发计划“科技冬奥会”重点专项项目“冬奥会气象条件预测与支撑关键技术”顺利立项。该项目由北京城市气象研究所承担，河北省气象台、国家气象中心、北京市气象台、中国气象局公共气象服务中心、北京大学、中国科学院大气物理研究所等15个单位参加了研究。

解决一个关键问题

一些关键技术取得突破

“冬奥会的气象保障实际上是冬季复杂地形条件下中小尺度边界层的气象问题，一直是国际气象界的难点。”陈对说道。

开展“冬奥会气象条件预测与支撑关键技术”研究，山地竞赛区连续气象观测数据是基础。早在冬奥会申办之初，气象部门就在河北张家口赛区和北京延庆赛区附近设立了自动气象站。特别是面对当时延庆赛区的核心区域海沱山，北京市气象局克服了无路、缺电、通讯困难等诸多困难，在赛区附近的关键点设立自动气象站进行观测，为后续项目推广提供了大量的数据支持。

延庆赛区冬奥会三维观测测试设备布置图

除了常规的地面业务观测外，还需要进行立体加密观测试验，以弥补冬奥会山地赛场特殊天气精细探测中空的不足。

2018年9月，在“科技冬奥”、“冬奥会气象条件预报与支撑关键技术”等重点项目完成后，项目组抓住冬季第一个关键期，分别在张家口和延庆建立气象观测基地，开展了冬奥会复杂地形的冬季观测实验。获得了大量有价值的高精度气象数据，找出了复杂地形竞争区中小尺度天气的“脉络”，特别是边界层三维风场的变化特征。这也是第一次明确“半山腰”

海沱山体育场山腰地形云形成的概念模型

为了实现冬奥会山地赛近地面温度场和风场的场景再现，项目组自主建立了冬奥会山地赛高分辨率大涡模拟系统。大涡模拟的结果可以在充分反映当地山区复杂地形特征的基础上，描述小尺度风速波动的随机性，模拟场景非常接近山区复杂的小尺度气象现实。向北京冬奥会组委会提交了《冬奥会山地赛区风评估技术报告》，为冬奥会场馆和比赛安排提供了重要的气象科学支持。

冬季奥林匹克山体育场小尺度风场环流分析及概念模型

水果

0至240小时无缝预测产品形成

“我们针对奥组委的预测服务需求，开展了0至240小时冬季奥运会无缝客观预测技术的研发。”陈对说道。项目组建成了“百米尺度、分钟更新”的冬奥会气象短期临近预报系统，开发了冬奥会气象短期无缝数值预报系统。

冬奥会天气预报系统设计示意图

根据冬奥会高精度短临天气预报服务的需求，北京城市气象研究所牵头的项目研究团队自主研发了新一代快速更新、无缝集成、综合预报系统——睿思。该系统利用加密自动站、雷达实况观测、高分辨率数值预报等多源气象数据，采用一系列数据融合和偏差校正技术，可快速生成温度、湿度、风、降水等网格化天气要素的客观分析和0 ~ 12小时的预报产品，每10分钟更新一次，分辨率达100米，覆盖冬奥山体育场。

为了给冬奥会气象服务团队提供“百米级、分钟级”高精度短期临近预报网格数据，项目组阅读了大量国内外相关文献，进一步掌握了多模式预报综合校正技术，并利用历史气象数据找出数值预报模型的误差规律，对预报产品进行校正。为了达到每10分钟更新一次的频率，项目组还采用并行处理算法进一步优化程序，大大缩短了系统运行时间，保证了系统的高速稳定运行。

冬奥会天气预报系统设计示意图

“目前，我们正在努力将锐思系统的预测时间从12小时扩大到24小时。此外，我们还在加大冬奥会气象服务高分辨率数值模式核心技术和专用产品的研发力度，进一步对标冬奥会气象服务。需求。”陈对说道。

在冬奥会短中期天气预报服务方面，国家气象中心牵头的项目研究团队主要致力于1-10届冬奥会数值预报关键技术和系统的研发。基于自主开发的GRAPES数值天气预报模型系统，不断提高对冬季天气特别是冬奥会天气的中短期预报能力。最终目标是在24-72小时内实现冬奥会气象条件的高分辨率数值天气预报，在72-240小时内实现6小时更新。

app应用

服务效果测试项目结果

随着关键技术方法和预报产品的出现，如何实现对冬奥会指定气象要素的客观预报和风险预报技术的研究和应用，成为北京气象台领导的研究团队关注的焦点。