2015年7月31日，国际奥委会在马来西亚吉隆坡投票决定由北京举办2022年冬奥会，申奥成功的喜悦过后，冬奥气象观测成为气象部门面临的一个挑战。彼时，冬奥外场主赛场之一的北京市延庆区海陀山尚处于“待开发”状态，不仅没有标准的气象观测站，连最基础的道路和电力供应都没有。
一切从零开始，历时七年，如今的海陀山早已今非昔比，S波段雷达矗立在海陀山顶，覆盖全赛道的观测站、云能天综合观测系统、精细化三维风场观测系统均已建好，一个具备中、小、微尺度观测能力的冬奥气象综合观测体系搭建完成，静待冬奥会开幕。
因地制宜 科学布局
海陀山位于北京市延庆区与河北省赤城县交界处，山顶海拔高达2241米。冬奥延庆赛区就位于海陀山区，这里作为两个室外赛场之一，承担了多项外场雪上项目。
地形复杂，山高坡陡，赛区核心区海拔落差接近900米，观测难度大、气象数据少，使得气象部门之前对该地区局地环流、边界层、云的发生演变特征和机理认识严重不足，这些制约着赛区精细化预报的发展和改进。
“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、北京城市气象研究院副院长陈明轩介绍，气象保障是冬奥会成功举办的重要条件，北京冬奥会是近20年内唯一一次在大陆性冬季风主导的气候条件下举办的冬奥会，不同于以往冬奥会举办地海洋性气候条件雨雪多、能见度差的特点，本次冬奥会山地赛场主要受大风、干冷天气的影响。海陀山显著的气候和地形差异，意味着把任何特定情况下的外场观测和数值试验直接搬过来，都存在适用性和代表性差的问题。
科学布局观测设备，获取该区域三维精细化气象场资料，为实现冬奥赛区“百米级、分钟级”气象服务保障提供科技支撑迫在眉睫。在中国气象局、北京市政府和国内外专家的支持下，北京城市气象研究院联合北京市气象探测中心、北京市人工影响天气中心、延庆区气象局等多家单位，开始构建三维立体实时综合气象观测体系。
七年磨剑 综合观测体系问世
观测体系的建立，并非一蹴而就。在起步阶段，海陀山上没有道路，观测人员就背着设备上山；没有电力，就选择便携式设备和太阳能……终于获得了宝贵的第一手山区气象资料。采取“走出去，请进来”的方式，派人赴往届冬奥会举办城市学习，联合国内外山地气象专家研讨，棘手问题一个个得到解决，为构建科学观测体系筑牢了根基。
七年磨剑终成锋，冬奥会开幕在即，集中尺度、小尺度、微尺度等三大尺度观测于一体的三维、秒级、多要素冬奥气象综合观测体系已在海陀山建立起来。
北京城市气象研究院冬奥观测团队负责人权建农介绍，这三个尺度的观测系统共同组成了海陀山冬奥气象综合观测体系，为海陀山降雪、低云、雾、大风等高影响天气研究以及模式改进、提升预报预警能力等提供数据支撑。
中尺度观测主要由S波段天气雷达（海陀山顶）、X波段天气雷达（怀来、怀来东花园和延庆千家店）、Ka波段云雷达（海陀山西大庄科、闫家坪）、微雨雷达（闫家坪）以及风廓线雷达（闫家坪）组成。多波段雷达的“强强联合”，消除了海陀山区中尺度和山谷局地的云、降水系统监测盲区，为不同尺度云和降水系统的发展演变机制研究、更精准的预报预警提供有力的数据支撑。
覆盖山谷的小尺度观测由闫家坪、西大庄科和佛峪口三个观测站点组成，观测设备包括全天空成像仪、云高仪、雨滴谱仪、微波辐射计、大气辐射干涉仪、涡动相关仪和自动气象站等。多种仪器均可相互补充，实现对海陀山区大气状态的全天候监测。
覆盖赛道的微尺度观测则由沿赛道自下而上建设的15个自动气象观测站组成，观测设备包括多普勒测风激光雷达、自动气象站、三维超声风速仪及水汽/二氧化碳分析仪等。其中，多普勒测风激光雷达分别布设在竞技1号站、竞速3号站和竞速6号站，形成覆盖主要赛区的重叠扫描，可获取赛场上空风场的精细三维结构，“描绘”过山气流或局地环流在赛区上空的发展演变特征。
多项创新夯实冬奥预报服务
去年10月至12月，“相约北京”系列冬季体育赛事陆续在北京冬奥三大赛区展开，作为本届冬奥会开幕前最后一次实战检验的宝贵机会，测试赛备受关注。冬奥气象综合观测体系也经受了多项测试赛的考验，使冬奥气象保障团队提高了对赛区气象要素特征和变化趋势的科学认识。
权建农说，这个首次在我国中纬度山区（海陀山）建立的复杂地形下多维度气象综合观测体系，具有气象要素多、涵盖尺度跨越大、站点密集等特点，而它的最大亮点还在于研发过程中的多项创新。
冬奥气象综合观测体系形成了同一要素多手段协同观测新模式，实现了初生云团-山区地形云-中尺度云和降水系统的全过程无盲区监测，以及秒级到分钟级、单点到三维的风场实时监测和对大气状态的全天候监测，并实现了观测服务一体化；在协同观测方面，气象部门建立观测产品清单，构建综合观测数据集，开发多源数据评估技术，提供高质量实况产品；在数据融合应用方面，高分辨率、精细化服务产品可实时显示在冬奥观测平台，业务人员可根据冬奥预报和服务需求反馈，不断优化观测方案。
负责复杂地形下三维风场产品研发的程志刚介绍，在研发新技术与科技创新方面，基于三台测风雷达组网观测，已发展精细化的三维风场反演新技术，投入冬奥业务平台使用后，将为小微尺度复杂风场演变特征分析和进一步揭示地形动力、热力和背景风场对海陀山局地环流的影响机制提供数据支撑。
