国家高山滑雪中心和国家雪车雪橇中心所在的北京延庆赛区，冬季气温寒冷，体感温度时常低于零下20摄氏度。除了严寒将考验运动员的身体素质外，风向、风速、湿度、温度等气候因素可能影响运动员的发挥，以及比赛安排。因此，能否对天气进行精密监测、精准预报，开展精细服务，成为北京冬奥会能否成功举办的影响因素之一。瞄准冬奥气象服务这块“金牌”，国家重点研发计划“科技冬奥”项目（气象）负责人陈明轩揭秘了北京冬奥气象里的科技密码。
核心技术多项从零起步
“对天气的精密监测、精准预报和精细服务，是北京冬奥会成功举办的决定性因素之一。”陈明轩告诉记者，北京冬奥会气象保障服务的高标准要求就是：“一场一策”“一项一策”，需要将客观化、自动化的预报做到“百米级、分钟级”。
据陈明轩介绍，从气象的角度讲，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，山地赛场的特点就是大风多、干冷，而往届冬奥会主要在海洋性气候条件下举办，气象特点是雨雪多、能见度差。“气候特征决定了北京冬奥会的特殊难题就是山地小尺度的风和温度的精密监测、精准预报，而这在国际上都是尚未解决的气象难点之一。”陈明轩说，纵观历届冬奥会的气象服务保障，国际上没有成熟的、适用于北京冬奥会的可移植技术方案，加上中国冰雪运动起步较晚、国际冬季重大体育赛事气象服务保障技术经验缺乏，所以此次北京冬奥会的气象服务保障挑战大、科技攻关难度高，很多技术我国可以说是从零起步。
“从北京冬奥会气象保障的要求来说，气象保障服务需要做到空间百米级网格的预报，预报时效至少需要达到10天，这就是研发团队需要攻克的特殊难题。”陈明轩指出，从大气科学可预报性的角度说，空间越精细、预报时段越长，预报难度越大，更何况在地形复杂的山区，除了需要预报常规的风速风向、温度、湿度、降水外，还需要提供冬奥关注的阵性大风、能见度、降水相态、雪面温度等特殊气象预报，所以难度就更大。
“自2016年开始，在北京市科技计划前期支持以及国家重点研发计划‘科技冬奥’重点专项后期支持下，逐步形成了由十几家单位200多名科技骨干和预报人员共同组成的冬奥气象科技攻关团队，开展冬奥气象精密监测和精准预报核心科技研发。”陈明轩说。
4年攻关实现多个“首次”
历经4年科技攻关，冬奥气象科技团队研发出了高精度数值天气预报模型、多源气象数据快速集成融合模型、大气涡流尺度数值模拟计算模型、人工智能误差订正模型等关键技术方法，构建了冬奥气象“百米级”预报技术体系，形成了冬奥高精度气象预报系统“睿图—睿思”，实现了冬奥山地赛场的0~10天“百米级”网格气象预报以及冬奥关键点位的0~10天定时、定点、定量气象预报，多项技术填补国内空白，核心技术完全自主可控。
“在往届冬奥会期间，客观气象预报基本以千米网格为主，时间更新频率是半小时至1小时。在国内，目前的高精度数值天气预报模型的网格分辨率最高是3公里，部分发达地区客观预报的网格距可以达到1公里，时间更新频率基本是1小时或者3小时。”陈明轩说，北京冬奥会高精度气象预报的空间网格分辨率达百米级，时间更新频次达分钟级。精细化气象预报达到了质的飞跃。
人工智能预报技术是国际上第一次在冬奥会气象服务保障中获得应用。陈明轩介绍，冬奥会气象保障服务需要0至10天内的高精度气象预报作为支撑，需要做到“定时、定点、定量”的气象预报，而在地形复杂山区的这种小尺度精准气象预报本身就是国际气象界的一道难题，既有的现代数值天气预报模型和传统的技术方法有时存在较大的误差，因此就需要借助人工智能技术和大数据技术，通过对海量的数值天气预报模型预报数据和大量的气象观测数据进行“再解读”，从而实现客观气象预报的“再订正”，提升冬奥气象预报的精准度。
陈明轩告诉记者，目前，经国际专家联合推荐，我们的科技冬奥项目已纳入世界气象组织高影响天气预报示范项目，可以为国际高影响天气预报技术研发和应用提供中国经验。
成果应用前景广阔
“‘分钟级、百米级’气象服务目标，是基于冬奥赛事实际需求及赛场具体环境提出的。山地气象预报本身就是国际公认的难题。”陈明轩介绍，海拔落差每100米，气象环境就有天壤之别；翻过一道山梁，又是另一番光景。山区天气变化规律也极为复杂。但恰恰只有这种地形环境，才能满足冬季赛事的比赛需求。
“因此，面临较高预报难度及丰富气象要素的预报需求，我们提出‘分钟级、百米级’目标。通过近年来的技术钻研和模式研发，气象部门目前已能够实现复杂地形下100米分辨率、逐10分钟快速更新的冬奥关键气象要素预报，满足赛事保障条件。”陈明轩说。
气象与国家发展和民生息息相关。“与国际同类型产品相比，我们的技术自主可控，形成的相应数据产品具有更高的时空精度和预报精准度。”陈明轩表示，在后冬奥时代，冬奥气象科技成果及其在冬奥会的应用经验和解决方案等，可在气象预报服务精准度提升方面发挥更大效益，对新时期国家重大活动保障、大城市安全运行、灾害天气预报预警和极端灾害天气应对、城市防洪排涝、城市交通等方面将起到重要支撑作用。
“未来还可在我国新型能源，特别是风能、太阳能领域获得应用，提升新能源开发和应用的气象服务能力，助力我们国家能源结构低碳化，推动碳达峰、碳中和目标的实现。”陈明轩说。
