对标新高度,城市院用创新践行“科技冬奥”

 公司新闻     |      2019-11-08 00:32
导语:纵观历届冬奥会,天气都是赛事成功举办的关键因素。极端风、能见度、温度、湿度、降雪等气象条件准确可靠的预报预警,是保障北京冬奥会、冬残奥会赛事运行和运动员表现的重要外部因素。北京冬奥会作为近20年唯一一次在大陆性冬季风气候条件下举办的冬奥会,可供借鉴的经验和案例很少,进一步给冬奥气象服务带来了巨大的挑战。 在冬奥会所有比赛项目中,冰上项目约占30%,雪上项目约占70%。“雪上项目由于是在室外,本身受气象条件影响更大。比如高山滑雪,对风向风速、能见度、温度、辐射都有比较严格的要求。”项目负责人、北京城市气象研究院副院长陈明轩研究员说。 在比赛中,如果低空风速过大,很可能影响到运动员的人身安全;能见度过低,会影响运动员和裁判员的视线;温度过高会导致积雪融化,影响赛事进行,温度过低可能会把运动员冻伤。因此,当比赛期间出现大雪、大雾、大风等高影响天气时,往往会导致赛事临时中断、推迟、取消。 然而,冬奥赛区往往地处山区,地形复杂。俗话说“一山有四季,十里不同天”。有时可能水平距离仅数十米,垂直距离却相差很大,风、能见度、温度都会出现巨大差异。因此,冬季山地气象预报一直是世界难题。 往届冬奥会大多是在海洋性气候条件下举办的。作为近20年唯一一次在大陆性冬季风气候条件下举办的冬奥会,北京冬奥会不同于往届的气候条件及中小尺度天气特征,可供借鉴的经验和案例很少。此外,北京冬奥赛事对于气象预报服务精细化程度要求非常高,而我国在冬季雪上项目气象条件高分辨率预报服务技术等方面的研究很少,没有成熟的高精度预报系统提供支持;加之山地赛区气象连续观测数据较少,对特殊天气的探测更是几近空白。所有这些,都给冬奥气象服务带来巨大挑战。 2018年9月,国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项项目“冬奥会气象条件预测保障关键技术”成功立项,该项目由北京城市气象研究院牵头承担,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、中科院大气物理研究所等15家单位共同参与研究。 “冬奥会的气象保障其实是冬季复杂地形条件下的中小尺度边界层气象问题,这一直是国际气象界的难点。”陈明轩说。 要开展“冬奥会气象条件预测保障关键技术”研究,山地赛区气象连续观测数据是基础。早在申办冬奥会之初,气象部门就在河北张家口赛区和北京延庆赛区附近建立了自动气象站。特别是面对当时还是“野山”的延庆赛区核心区海坨山,北京市气象局克服了无路、缺电、通信困难等诸多难题,在赛区附近关键点建立自动气象站进行观测,为后续项目推进提供了大量数据支撑。 除了常规的地面业务观测,还需要开展立体加密观测试验来弥补冬奥山地赛场特殊天气精细化探测的空缺。 2018年9月,“科技冬奥”重点专项“冬奥会气象条件预测保障关键技术”立项后,项目团队抓住首个冬季关键期(2018年12月至2019年4月),分别在张家口赛区和延庆赛区建立气象观测基地,开展冬奥赛场复杂地形冬季观测试验,获取了大量宝贵的高精度气象数据,摸清了复杂地形赛区中小尺度天气的“脉络”,特别是边界层三维风场的变化特征,还首次明确了“半山腰云”这一对赛事进行具有重要影响的低能见度天气现象的形成机制。 为了实现冬奥山地赛区近地面温度场、风场的场景再现,项目团队自主建立了冬奥山地赛区(包括张家口赛区和延庆赛区)高分辨率大涡模拟系统。大涡模拟结果在充分体现局地山区复杂地形特点的基础上,可以刻画小尺度风速脉动随机性特征,模拟出的场景与山区复杂小尺度气象实况非常接近。由此形成的冬奥山地赛区风评估技术报告提交到北京冬奥组委,为冬奥会赛场及赛事安排等提供了重要气象科学支撑。 “我们针对奥组委的预报服务需求,进行了冬奥0到240小时无缝隙客观预报技术研发。”陈明轩说。项目团队构建了精细到“百米级尺度、分钟级更新”的冬奥气象短时临近预报系统,并研发建立了冬奥气象中短期无缝隙数值预报系统。 针对冬奥高精度短临气象预报服务需求,北京城市气象研究院牵头的项目研究团队初步自主研发了新一代快速更新、无缝隙融合与集成预报系统——睿思。该系统利用加密自动站、雷达实况观测和高分辨率数值预报等多源气象数据,采用一系列资料融合和偏差订正技术方法,可快速生成覆盖冬奥山地赛场的100米分辨率、逐10分钟更新的网格化温、湿、风、降水等天气要素客观分析以及0到12小时预报产品。 为了向冬奥气象服务团队提供“百米级、分钟级”高精度短时临近预报网格数据,项目团队翻阅了大量国内外相关文献,进一步掌握多模式预报集成订正技术,利用历史气象数据,找出数值预报模式的误差规律,对预报产品进行订正。为了达到每10分钟更新一次的频率,项目团队还运用并行化处理算法,进一步优化程序,极大地缩短了系统运算时间,确保系统高速、稳定运行。 “目前,我们正致力于将睿思系统的预报时效从12小时拓展到24小时,另外也在加紧针对冬奥气象服务的高分辨率数值模式核心技术和特殊产品的研发,进一步对标冬奥气象服务需求。”陈明轩说。 在冬奥中短期气象预报服务方面,由国家气象中心牵头的项目研究团队主要聚焦1到10天冬奥数值预报关键技术及系统研发工作,基于自主研发的GRAPES数值天气预报模式系统,不断提升针对冬季天气,特别是冬奥赛场天气的中短期预报能力,最终目标是实现24到72小时内3小时更新、72到240小时内6小时更新的冬奥赛场气象条件高分辨率数值天气预报。 有了关键技术方法和预报产品,如何实现冬奥赛场定点气象要素客观预报及风险预报技术研究应用,成了北京市气象台牵头的课题研究团队重点关注的问题。 课题团队通过冬季天气解释应用以及机器学习、大数据挖掘方法等,研究精细到比赛场馆、赛道不同地点及其他重要区域的冬奥赛事关键气象要素(风向风速、能见度、相对湿度、雪深等)0到240小时预报及赛事气象风险预警技术,首次研发了阵风预报产品,对冬奥赛场的瞬时风速和极大风进行预报。 同时,针对行业专项、公众气象服务的中国气象局公共气象服务中心项目研究团队,正基于人工智能、大数据等技术,开展冬奥智慧气象服务技术研发。研究人员在冬奥交通气象产品、应急救援气象产品、气象服务产品智能化加工等方面已取得初步成果。 10月13日,在科技部召开的“科技冬奥”重点专项工作推进会上,“冬奥会气象条件预测保障关键技术”项目的进展和取得的成果得到与会专家和领导的好评。 北京冬奥组委对气象保障服务技术目前的研发进展以及项目成果对冬奥前期筹备、赛场规划等方面的大力支持给予高度肯定,认为项目基本按照奥组委的需求在有序推进研发工作和成果落地应用。 面对即将举办的冬奥系列测试赛,项目研发的数据集和预报服务产品等多项成果,将统一集成到冬奥气象有关业务服务平台,提供给冬奥气象服务团队试用。 下一步,项目团队将进一步对标“分钟级、百米级”服务目标,全力聚焦冬奥,聚焦冬季复杂地形下高分辨率立体观测、无缝隙预报和预警科学技术研究,提升冬季山地气象预报服务科技水平,为呈现“精彩、非凡、卓越”的北京冬奥会不懈努力。