科学大院：冬奥赛区的天气预报到底有多准？去高山滑雪赛场看看
【文/科学大院 陈可鑫】
在前两天北京冬奥会开幕式上，相信大家和大院er一样注意到了高山滑雪这个出现频率超高的项目。
高山滑雪被誉为“冬奥会皇冠上的明珠”，历来是冬奥会上最受关注的项目之一。每场比赛的赛程仅1~2分钟，凭借“冲就完了”的比赛规则，运动员的瞬时速度可达每小时140公里。
但你知道吗，能够开启这样一场惊险刺激的高速滑行比赛的，不仅仅只是裁判手中的发令枪，更关键的是合适的赛场气象条件。一旦赛道上的风速超过18米/秒，就必须立即停止赛事。
为了保证赛事顺利进行，这个赛区的天气预报的精度可是高达“百米级、分钟级”，这是个什么概念，我们又是如何做到的呢？
冬奥要办好，气象预报不能少
赛场的气象条件是决定比赛能否顺利进行的重要因素之一。回顾以往23次冬奥会，没有任何赛事因天气原因推迟或取消的只有4届，其余19届或多或少都受到了天气的影响。
高山滑雪赛区设于山野之中，是对气象要求最为苛刻的赛事之一。风、气温、降雪和能见度都会影响到比赛是否能够顺利进行，因此在开赛前确保赛场上的气象条件尤为关键。
2018冬奥会高山滑雪项目（图片来源:ratiotimes，摄影：SimonBarnes）
复杂的赛道是运动选手需要征服的赛场，也是气象服务保障的技术征程。冬奥赛区大多位于复杂山地之中，“一山有四季，十里不同天”的特性给天气预报带来了难题。比如有时山顶的气象条件不错，但在半山腰处由于形成了地形云而导致能见度变差。
此次北京冬奥会的高山滑雪比赛场地位于北京延庆的国家滑雪中心，共设置了7条雪道，最大垂直落差可达900m。而海拔每下降100m，温度就会升高0.6℃，除此之外，山地高低起伏，形态不一，使得风场分布极不均匀，这些都对赛道气象服务保障工作提出了不小的挑战。为了提供安全的比赛条件，我们需要对山顶、半山腰、山脚下的天气状况都了如指掌。
长光卫星拍摄下的北京延庆国家高山滑雪中心（图片来源：腾讯网）
提高时空分辨率，精准赛区天气预报的硬实力
在日常生活中，人们常有“天气预报报不准”的感受，这是因为以目前天气预报的时空分辨率，还难以对未来任何时间任何地点的天气变化做出准确预报。比如，预报整个北京市第二天是否会下雨相对来说比较简单，但要精确到第二天上午8点北京市朝阳区某个小区的晴雨状况，就十分困难了。
我国业务数值天气预报的预报分辨率已经提升至每3公里，逐小时的滚动预报。但大气每时每刻都在运动之中，天气总是瞬息万变，这样的分辨率对于一些空间尺度在3公里以下，能够迅速变化的天气过程也无能为力。
数值天气预报模式系统中网格设置示意图（图片来源：TURBLI）
所以日常的天气预报技术对于服务冬奥赛场来说是远远不够的，因为即使只是峡谷中一阵短暂的山风，都能够对比赛安全造成极大的威胁。由此可见，开展针对复杂地形的精细化预报的重要性。
2018年韩国平昌冬奥会，韩国气象厅联合了中国、美国、英国等十多个国家的气象部门共同参与，以此来提高比赛期间的预报服务。在平昌奥运会期间，中国气象局的GRAPES_3km模式、韩国气象厅的LDAPS模式和美国宇航局的NU-WAR模式均承担了12-24小时的短期预报并提供了实时运行的预报服务产品。
利用韩国平昌冬奥会中来自16个场馆的加密数据，对GRAPES_3km模式开展偏差订正工作，以满足平昌冬奥会复杂地形条件下的精细预报要求。（图片来源：张玉涛等人,2020）
早在2013年，北京提出申办冬奥会（冬残奥会）计划开始，我国就开始在三大赛区布设监测设备，研发针对山区的精细化预报系统。在冬奥会开赛前，我国气象部门就已经建成了京津冀区域500m分辨率、冬奥山地赛场核心区域100m分辨率、逐10分钟快速更新的中国气象局北京快速更新循环数值预报系统。
这套精度为“百米级、分钟级”的预报系统，可以对冬奥赛区每一条赛道上，某几个关键点处气象要素每10分钟的变化做出预报。可以说，这套预报系统是预报中心团队实现精准预报服务的“硬实力”。
延庆赛区国家高山滑雪中心赛道实时气象要素预报点（图片来源：北京2022年冬奥会和冬残奥会气象服务网站）
把握山区大气运动，精准赛区天气预报的科技支撑
提高时空分辨率只是提升数值天气预报准确率的一个方面，把握大气运动的物理规律才是核心要点。越准确地把握这些规律，模拟的大气运动与实际大气运动越接近，才能提升对未来天气变化的预报准确性。
而在冬奥赛区高低起伏的山地地形中，大气运动的物理规律尤为复杂。因此，多个气象科研单位从申奥之初就围绕赛区持续进行气象科研工作。
天气预报中重要的物理过程（图片来源：Baueretal.,2015）
风向与风速是赛道预报的关键气象要素之一。但是高低起伏的山地不仅能够直接改变近地面气流的方向和流速，而且不同的山地下垫面由于物理性质不同，对太阳辐射的吸收也不同，此外，还能够改变局地地表温度的分布从而间接影响局地的大气运动。
数值模式中山地地形对风场的影响（图片来源：Xieetal.2020）
为此，研究人员对河北张家口-北京延庆一带的冬季山谷风进行了研究。他们根据风的持续日变化特征进行分类，得到了10种不同的山谷风类别，进而得出了冬奥赛区不同局地地形对风向、风速影响的一般规律。这些结论为赛区风场的数值模拟和预报打下了良好的基础。
河北张家口-北京延庆一带不同地形的冬季山谷风特征（图片来源：贾春晖等人，2019）
温度是赛区预报的另一关键气象要素，而山地的特殊地貌特征往往会形成一些特殊的山地天气现象，从而对局地温度造成显著影响，比如在高低起伏的山地中形成的“冷湖”。大气是一种特殊的流体，大气中的冷湖就是温度较低的气团聚集在了某一个地方。
持续性的冷湖不仅会对局地温度造成影响，并且往往伴随着空气质量和能见度的下降。2021年初，在北京崇礼赛区测试赛期间就出现过一次间歇性冷湖过程。为了更准确地对山区温度进行预报，研究人员使用高精度的数值模式对冷湖的形成和消散过程进行了模拟和研究。
这次冷湖形成的主要原因，是由于晴朗夜间地势较高处近地表的空气变冷，冷空气在重力作用下向地势较低处流泻，聚集在山谷和盆地中；在日出后，随着山谷地表加热的增强，山谷中的湍流活动快速发展从而破坏了冷湖的结构，冷湖随之消散。研究人员对冷湖形成和消散的研究结果有助于提升山地温度预报的准确率。
山地冷湖形成和消散示意图（图片来源：王雨斐等人，2022）
在这些研究的基础上，不同的研究机构还结合了机器学习、多模式集成等技术，发展了针对不同赛区、甚至是赛道上不同地点的气象要素的高实效预报模型。在冬奥会前不断地根据实际观测数据对模式预报结果进行评估和改进，为精准气象服务保障提供了有力的科技支撑。
中国科学院大气物理研究所参与了崇礼赛区的观测站气象要素预报。该图为的地形高度图，圆形为不同赛道上的观测站，文字为站名，背景填色表示地形高度。（图片来源：中国科学院大气物理研究所）
精准天气预报，冬奥之后还有用吗？
有了冬奥气象保障工作团队提供的严谨细致的服务工作，高山滑雪的运动员们才能够放心地“冲就完了”，才能让我们欣赏到这场惊险刺激的比赛盛会。
在提升与精进服务于赛区的天气预报技术时，我们也深入攻克了目前全世界在山地气象预报服务中的技术难题，在冬奥赛中“炼”出的经验，未来也将融入到日常天气预报业务中，进而更好地服务于百姓的生活。
参考文献：
[1] 张玉涛, 佟华, 孙健. 一种偏差订正方法在平昌冬奥会气象预报的应用. 应用气象学报, 2020, 31(1): 27-41. DOI: 10.11898/1001-7313.20200103.
[2] 贾春晖, 窦晶晶, 苗世光, 等. 2019. 延庆—张家口地区复杂地形冬季山谷风特征分析 [J]. 气象学报, 77(3): 475−488.
[3] 王雨斐, 李国平, 王宗敏,等. 冬奥崇礼赛区一次冷湖过程形成及消散的数值模拟研究[J]. 大气科学, 2022, 46(1):1-19.
[4] Bauer P , Thorpe A , Brunet G . The quiet revolution of numerical weather prediction[J]. Nature, 2015, 525(7567):47-55.
[5].Xie, J., Zhang, M., Xie, Z., Liu, H., Chai, Z., He, J. X., & Zhang, H. (2020). An orographic drag parametrization scheme including orographic anisotropy for all flow directions. Journal of Advances in Modeling Earth Systems.
[6] https://topics.gmw.cn/2021-10/22/content_35275836.htm
[7]https://sports.cctv.com/2020/04/17/ARTI7CxuCMPzylLP1n8ME9aB200417.shtml
[8]https://new.qq.com/omn/20211208/20211208A02QGJ00.html