深瞳工作室出品
科技日?qǐng)?bào)記者 張蓋倫 策劃 劉莉
視覺(jué)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(jiàn)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(kāi)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(lái)最終大考。
視覺(jué)中國(guó)供圖
“百米級(jí)、分鐘級(jí)”,這是往屆冬奧會(huì)從未實(shí)現(xiàn)過(guò)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(kāi)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(lái)最終大考。
看天說(shuō)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(lái)得太早,溫度過(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(shuō),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(méi)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。
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(guò)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(shù)場(chǎng)館群氣象服務(wù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人段宇輝說(shuō),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(guò)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(lái)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?!斑@是最大的難點(diǎn)?!倍斡钶x感嘆。
所以有人說(shuō),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(kāi)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(wú)路,無(wú)水,無(wú)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(kāi)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(shù)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(guò)刀割般的風(fēng),吃過(guò)凍硬的面包,嚼過(guò)凍成冰塊的礦泉水,鞋破過(guò),衣服破過(guò),身上被荊棘劃出過(guò)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(lái)。
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?。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(lái)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(jué)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(guò),究竟會(huì)發(fā)生什么?有時(shí),它會(huì)一鼓作氣沖下來(lái);有時(shí),它會(huì)在背風(fēng)坡形成空腔,冷空氣會(huì)補(bǔ)充來(lái),形成一個(gè)環(huán)流。
一開(kāi)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(kāi)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(kāi)始飄雪,降雪量如何。然后,復(fù)盤(pán)、總結(jié)。
賽場(chǎng)冬訓(xùn)、出國(guó)培訓(xùn)、英語(yǔ)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(shuō),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(guò)一兩個(gè)小時(shí)就見(jiàn)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?,F(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(lái)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(lái)自內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺(tái)的馬學(xué)峰說(shuō)??赡芨鼪](méi)把握的,是自己的孩子。剛開(kāi)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(kāi)幕在即,孩子也上小學(xué)了。“孩子對(duì)我可能還有些生疏?!瘪R學(xué)峰有片刻的情緒低落,又立刻說(shuō)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(wèn)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(lái)說(shuō),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(jiàn)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(yáng)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(wú)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(shuō),是集全國(guó)的氣象力量來(lái)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(guò)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(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)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(jiàn)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(yǔ)。
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(kāi)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(guò)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(wàn)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?xiě)?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(shuō)??梢詫⑺斫鉃橐环N過(guò)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(huà)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。”時(shí)少英說(shuō)。
陳明軒則坦言,一開(kāi)始,技術(shù)團(tuán)隊(duì)也不是特別有信心。幾年來(lái),他們不斷和預(yù)報(bào)員團(tuán)隊(duì)溝通磨合。“我們團(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?/p>
科技成果的誕生,也得益于相關(guān)部門(mén)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(mén)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(lái),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。”陳明軒說(shuō),“我們常說(shuō),只有人努力,才有天幫忙?!?/p>
只有人努力,才有天幫忙。來(lái)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))