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访谈人物
陈明轩，北京城市气象研究院副院长，研究员，国家重点研发计划“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。
带领团队历时4年多时间，研发构建自主可控的冬奥会气象保障核心技术体系。首次在我国中纬度山区组织实施了复杂地形下冬季多维度气象综合观测试验，首次实现了“百米级、分钟级”业务天气预报能力，形成覆盖延庆和张家口赛区百米网格、十分钟更新的冬奥气象预报服务产品，实现了冬奥关键点位0—10天定时、定点、定量气象预报，大幅提升了冬奥会保障的关键气象要素预报准确率，有力支撑了气象预报团队开展精细气象服务。
冬奥比赛70%的项目是雪上项目，为保障冬奥健儿雪上项目顺利完赛，不仅要低头留意脚下的雪量和雪质，更要抬头提前关注头顶的气象。
北京2022年冬奥会是近20年来首次在大陆性季风气候背景下举办的冬奥赛事，不利的气候条件加上赛区地形复杂等原因，使气象服务保障面临巨大困难。为了克服这些困难，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项设立了“冬奥会气象条件预测保障关键技术”项目。研发团队开展了精密的气象监测，铸就了精准的气象预报，同时以庞大的数据支撑了众多精细的气象服务，助力北京冬奥会成为一届“精彩、非凡、卓越”的奥运盛会。
该项目负责人、北京城市气象研究院副院长陈明轩介绍了北京冬奥会的气象服务保障工作。
历时八年系统性布局冬奥会气象观测实验
问：为了克服气象保障服务方面的困难，第一件事情就是要进行全面的气象监测。请您给我们介绍一下，气象监测对于气象服务保障工作到底有多么重要？科研团队又是如何进行这项研究的？
陈明轩：2014年我国成功申办北京冬奥会之后，就开始着手系统性的山地气象观测。冬奥会70%的项目都是雪上项目，大部分的雪上项目都在地形复杂的山区举办。北京冬奥会主要有两个山地赛场：一个是北京延庆海坨山，另一个是河北张家口的崇礼区。地形复杂，气象观测比较匮乏。延庆赛区以前都是野山，气象观测基本空白。要做好冬奥会气象保障服务首先要了解那里的气象特征，就像打仗一样，兵马未动、粮草先行，气象观测是冬奥会气象保障服务的第一步。从2014年开始，我们就开始系统性地布局冬奥会的气象观测实验。
山地的气象条件比较复杂，交通、通讯、电力都不是特别完备，我们一开始从如何布局气象探测仪器，如何能够把气象探测的数据获取回来，开展有效科学分析研究着手，运用从地面的气象观测仪器，以及垂直的或者是三维的、立体的气象观测仪器，对风、温度、降雪、能见度这些跟冬奥密切相关的气象要素进行观测。通过综合分析和研判，最后决定在地面布什么样的仪器能够看到空中的大气特征。比如，风的垂直变化、温度的垂直变化、山区的能见度、降雨降雪的观测等，这些都是我们最关注的。
根据国际单项联合会和国际奥委会的要求，冬奥的山地雪上项目赛道需要设置气象观测站，要在不同的海拔高度、不同的赛道地点进行站网布局。地面观测布设也是整个气象观测实验非常重要的一部分。观测实验包括两部分。一部分是地面观测，基本上以自动气象站为主，观测地点参考国际单项联合会和国际奥委会的要求，既是业务观测，也是科研观测。
另外一部分，我们布设了很多非常规的气象仪器，观测大气的垂直或三维的特征，比如风、温度等。测风方面主要有两种仪器：一个叫风廓线雷达，可以测风的垂直变化；另外一个叫测风激光雷达，通过激光反射大气中气溶胶的变化，最后能够测出不同高度的风速和风向，通过三维立体扫描，共同得到赛场周边一定高度内的大气三维风的变化，这是关于测风的。在地面自动气象站方面，也有测风的装备，之前我们用的是机械测风，它叫风杯，像齿轮一样，风吹它就会转。还有一个风标，用来定位风向，叫机械风，但是机械风会受到天气影响，比如下雨、下雪可能会冻住，所以我们最后就把机械风改成了精度更高的超声风，通过超声波测风速和风向的变化。一方面，可以有效规避机械风的仪器被冻住的风险；另一方面，得到数据的时间的分辨率或者是时间的精度更高，可以达到秒级，这就是我们所谓的秒级观测的来源。
此外，还要了解山地赛场的大气温度和湿度的变化。我们在一定高度内安装了微波辐射计，可以测一两分钟之内大气的风和温度的垂直变化，在张家口赛区和延庆赛区布了很多这样的仪器，因为风和温度是对北京冬奥会影响最大的因素，当然，降雨、降雪、能见度、雪温等也是非常值得关注的。
多源气象数据融合助力关键点位气象预报
问：有了精密的气象监测之后，科研人员怎么实现精准的气象预报？
陈明轩：我们得到气象观测数据后，通过科学的分析和研判，对延庆山区——海坨山赛场和张家口崇礼赛场的小尺度气象特征有了大致掌握。基于这个科学基础来研究：如何做到尺度特别小、地形特别复杂的陡峭山区精准预报呢？我们研发了一套“百米级、分钟级”预报技术体系，对山地赛场进行精准预报。比如，延庆海坨山的高山滑雪赛场，海拔高度是2000米左右，从山顶到山脚的赛道长度直线距离是2.5公里左右，左右6条赛道，范围是2.25公里，要在2000米左右的海拔高度、从上到下2.5公里、从左到右2.25公里的范围内，做不同高度的几十个点的预报是非常难的，这就需要“百米级、分钟级”的精准预报技术。
根据冬奥气象保障服务需求和北京冬奥组委要求，不仅要做到“百米级”预报，还要做到0—10天的天气预报。按照现代天气预报的科技能力，7天以后气象预报的精准度直线下降。一般来说，气象精确度比较高的预报是7天以内的预报。我们考虑了山区地形的影响、冬季的天气特征、地面的摩擦对风的影响、太阳的辐射对温度的影响等因素，基于研发的睿图数值天气预报模型基础，针对冬奥气象保障服务和预报需求做进一步研发，最后形成了睿图模式体系里面的睿图-睿思系统，可以做到“百米级”预报。在前24小时可以做到10分钟更新一次的预报，在1—10天内可以每天提供两次预报，预报间隔达到10分钟，预报空间的网格达到100米到67米这样的空间网格。
问：您刚刚提到的“百米级、分钟级”技术的核心体系是什么？睿图-睿思系统具体是什么？
陈明轩：核心技术方面，将多源数据进行快速融合。我们布了很多气象加密观测仪器，得到很多实时气象数据传回服务器，在睿图模式体系预报基础上，把精准观测加进去做进一步融合，得到“百米级”预报产品，这叫多源气象数据的快速集成融合。采用大气涡流尺度数值模拟，跟多源数据融合进一步结合，提升“百米级”气象预报精准度。还引入了人工智能模型，分辨是降雨、降雪还是雨夹雪，包括对“百米级”预报偏差进行订正。用大数据把过去多年观测用人工智能模型去进行训练，对“百米级”的误差进行订正，这样就可以得到更精准的“百米级”预报。
我们得到了百米或者是67米网格气象预报之后，怎么定位到冬奥组委或者国际奥委会要求的关键点位的预报呢？在张家口赛区、延庆赛区、北京赛区，我们的首钢园区都有这些固定的点位，需要对这些冬奥关键点位提供更精准的预报。在百米网格预报基础上，继续使用大数据挖掘、统计订正、人工智能订正方法，从网格预报进一步订正到关键点位预报，进一步提升0—1天甚至1—10天定时定点定量预报的能力，让预报的精准度做得更高。
前面讲的技术体系最后形成了一个系统，叫睿图-睿思。睿思英文是RISE，就是提升的意思，相当于把睿图模式体系的预报结果做进一步提升，服务冬奥气象保障。
冬奥气象科技成果将深化应用
问：咱们主持的项目有一大批丰硕成果，请您介绍一下这批成果的亮点。这批成果处于怎样的技术水平？
陈明轩：冬奥会气象保障服务的科技创新有几个方面。我个人认为，第一是首次在我国中纬度山区举办了冬季加密气象观测实验。一方面支持冬奥气象保障，另一方面也对我国山地气象学研究的深化奠定了很好的基础。因为加密观察实验是系统性实验，我国以前从未在冬季山区举办过气象加密观测实验，我们得到了很多山地气象方面非常精细的预报模型，为未来精准预报天气提供科学基础。
第二是形成了“百米级”的业务天气预报能力，在冬奥历史上第一次用“百米级”预报支撑冬奥气象保障。“百米级”业务为我国未来气象精准预报和精细服务能力提升奠定了基础，起到了示范作用。
第三是引入了人工智能模型进一步提升冬奥气象预报的水平和能力，这是冬奥历史上第一次把人工智能与气象结合起来开展冬奥气象保障服务。
从国内来讲，我们研发的“百米级、分钟级”的预报技术体系，包括冬奥山区的加密观测实验，基本上是国内第一次开展这样的工作，也是第一次在大型活动气象保障中进行实际应用。从国际来说，“百米级”预报技术在冬奥会历史上第一次应用，人工智能跟气象相结合的技术也是在冬奥会历史上第一次应用。
另外，我们研发的这些技术跟国际接轨，其中科技冬奥项目的研发成果成为世界气象组织世界天气研究计划高影响天气（WMO/WWRP/HIWeather）示范项目，世界气象组织的国际专家组想让中国的奥运气象保障服务科技研发将来惠及更多国家，开展高影响天气的高精度预报技术研发和应用。我们可以向全世界分享中国的经验和技术。
问：除了在冬奥会中的应用，这个项目的经验和成果未来会有怎样的发展前景？
陈明轩：我们科技冬奥项目研发的一系列技术成果可以有效支撑北京冬奥会成功举办，在以下几个方面可以获得进一步深化应用。
第一方面是促进防灾减灾，为国家重大活动做气象保障，服务于大城市防洪排涝安全运行。
第二方面是聚焦带动三亿人参与冰雪运动的目标，冬奥气象科技的成果未来可以助力国家冰雪产业的发展和冰雪运动的推进，对提升配套能力能够起到一定作用。
第三方面是冬奥气象科技成果的精度非常高，在国家新能源产业方面可能会得到应用，在助力国家能源碳达峰、碳中和目标实现方面，冬奥气象科技成果可以进一步发力。
（《人民周刊》2022年第2期）
