北京冬奥会精彩赛事背后，有一个“秘密武器”保驾护航

“94.50分，全场最高！”2022年2月8日，天气晴朗无风，中国选手谷爱凌从首钢滑雪大跳台疾驰而下，顺畅地完成转体1620度的高难度动作，逆转摘得北京冬奥会自由式滑雪女子大跳台金牌，全场为其出色的表现而惊叹，掌声、叫好声一片……

北京冬奥会的室外项目比赛大多惊险刺激，吸睛无数。而观众可能未曾想到的是，在这些精彩纷呈的赛事背后，有一个“秘密武器”在默默地保驾护航，这就是“睿图-睿思”高精度冬奥气象预报系统。这套系统运用多源稠密高频异构气象数据快速融合、大涡数值预报、人工智能等技术方法，为赛场的52名气象预报员提供“百米级、分钟级”气象预报数据，帮助北京冬奥会和冬残奥会组委会调整了12项测试赛和官方训练以及28次正式比赛日程，有效排除风险隐患，并为赛事“窗口期”选择提供重要参考。

“‘睿图-睿思’是北京冬奥会当之无愧的幕后英雄，但它的应用绝不止步于冬奥赛场。”国家重点研发计划项目“科技冬奥”专项负责人、北京城市气象研究院副院长陈明轩说。自2017年系统孕育之初，项目团队就已在心中暗暗擘画一张蓝图：把高精度气象预报从冬奥赛区推向城区，从北京推向全国，从专业领域推向千家万户。

从北京冬奥赛场走向杭州亚运

“天气对于冬奥会室外赛事的举办、赛程的设置，影响极大。”陈明轩介绍，首先是温度，比赛当天的温度不能太低或太高，否则不仅不利于运动员的发挥，更容易造成安全隐患。其次，赛场必须保证一定的能见度，不能云雾弥漫。降雨降雪的天气也应避免。另外，风的影响不容小觑，如高山滑雪项目，运动员竞技速度可达每小时140千米以上，在高速运动的状态下，一旦遭遇瞬时强风，极易因身体姿态失控而受伤。

因此，每一场比赛进行前，气象团队必须掌握赛道区域的精细气象变化，提前根据天气状况进行预判，确保未来几天适合比赛，或在有高影响天气出现时，尽可能提前找到最适合比赛的安全“窗口期”。

虽然历届冬奥会上已有成熟的天气预报系统，但陈明轩团队发现，平昌、索契、温哥华等冬奥会举办城市均为沿海地区，海洋性气候的特点是多降雨、降雪。而北京冬奥会则截然不同，北京、延庆和张家口赛区都是大陆性气候，阵风才是影响冬奥会的主要天气因素，这在近20年的冬奥会历史上前所未有。更为棘手的是，国家高山滑雪中心、国家跳台滑雪中心、云顶滑雪公园等赛场依山而建，高精度山地气象预报本就是国际难题，而我国冬季高精度山地气象监测、预报的研究和经验几近空白。前无先例，陈明轩团队下定决心做“先行者”。

2017年，陈明轩就带领团队重点针对延庆、张家口等户外赛区开展了气象数据收集工作，背负沉重的仪器跋山涉水。最终，441套气象观测设施遍布海陀山和崇礼山区，完整收集到各海拔点位的气象信息。这也是我国首次在华北地区开展冬季气象加密观测实验研究。

“相隔不远的两处坡道，同座山峰的山顶山脚，天气都可能千差万别，山区气象可谓‘百米不同天’。”实地考察后北京冬奥结束整一年，陈明轩意识到，当时我国通用的天气预报系统仅能预报1公里网格的天气，且只能提前24小时预报，完全不能满足冬奥会高精度预报和赛事调整的需求。如何提升山区高精度气象预报能力？陈明轩团队从复杂山地多源稠密高频异构气象数据快速融合、实时大涡数值预报等国际先进的技术方法开始逐步尝试，并采用了从未尝试过的“法宝”——人工智能。

一同参与项目的还有墨迹天气研发团队的工程师和北京市气象局的气象专家。接到任务的初期，几轮讨论下来，却始终找不到最佳方案。一筹莫展之际，有位天气预报员的话点醒了大家——资深预报员并非完全照搬系统提供的数据，而是在脑海里根据个人经验，先纠正误差，再判断天气结果；越是经验丰富的预报员，预报天气就越准。

“为什么不把纠正误差的环节放在系统里呢？”以国家高山滑雪中心为例，其海拔高差约960米，山顶山脚的温度相差两三摄氏度，风速也不相同，但原先1公里的预报系统往往忽视这些细小的误差，导致系统得出的平均值，不够精准。

最终，历经5年的打磨和改进优化，“睿图-睿思”系统将冬奥天气预报网格从1公里精细至100米，从每小时预报1次缩短至每10分钟预报1次，并能提前10天预报天气。同时按照人工智能深度学习天气预报员误差纠偏的思路，墨迹天气研发团队设计出的“墨爱”误差订正系统和相似天气识别系统，将天气预报误差降至最低。由此，冬奥会历史上首次实现了“百米级、分钟级”高精度气象预报。

去年2月4日，张家口赛区的气象保障服务团队紧盯着显示屏，为原定于2月13日举行的谷爱凌张家口赛区首秀——自由式滑雪坡面障碍技巧比赛，预测天气情况。气温、风速、降水等气象数据24小时在屏幕前动态更新。“2月12日和13日上午可能会有降雪，这不利于赛事的举办。”突然，工作人员发现异常，立即将“睿图-睿思”的精确天气预报结果汇报给赛事组委会。经研判，比赛延后一天举行。不出所料，2月12日，张家口赛区迎来了北京冬奥会期间的首场降雪。13日，云顶滑雪公园一片白雪皑皑。“睿图-睿思”有效排除了安全隐患。

赛后，国际奥委会奥运会部执行主任克里斯托夫·杜比高度称赞：“我认为，北京冬奥组委拥有最先进的天气预报系统。无论遭遇什么样的坏天气，都可以克服。”北京冬奥组委副主席杨树安评价称，北京冬奥会有着“一流的气象服务保障”。

“睿图-睿思”高精度气象预报系统赛事应用的接力棒，如今已传递下去。目前“百米级、分钟级”气象预报技术已推广到浙江省，即将为今年9月举办的杭州亚运会提供服务。该系统在覆盖杭州、温州和象山等重点赛区的同时，还能为浙江全省提供高精度气象预报。

系统的推广并非易事，昼夜伏案成了团队常态。“我们也时常为自己打气，系统如果能在浙江落地开花，就有希望进一步在全国推广，这是必须要迈出的第一步，这块硬骨头必须啃下来。”陈明轩说。

从守护北京到服务雄安建设

陈明轩的办公室明亮整洁，内饰简朴，墙上悬挂着一幅巨大的北京地形图，格外引人注目。从事气象研究以来，陈明轩有一个保持多年的习惯——看地图。“北京地势西北高、东南低。西部、北部和东北部三面环山，东南部是一片广袤的平原。永定河、潮白河穿过崇山峻岭和平原，汇入渤海。”谈起北京的地形地貌，他如数家珍。

设计“睿图-睿思”高精度气象预报系统之初，陈明轩和团队就定下了一个“小目标”：未来必须将系统的应用，从赛区推广到城区，从冬季延伸到四季。

春秋两季，北京气候温和。对系统而言，最具挑战性的是夏季。北京的夏季历来多雨水，短时强降水、雷暴等极端天气时常发生。位于北京西北部的暴雨中心地区常形成严重洪涝灾害。受西北方向的强对流天气影响，主城区同样暴雨频繁。主城区不少文物古建和老旧民居，易发生漏雨、积水。如何精确地预报极端天气，从而实现防灾减灾，一直是困扰气象部门的“老大难”问题。

不过，预警极端天气，保障城市安全运行，正是“睿图-睿思”高精度气象预报系统的强项！但针对冬奥会设计的气象预报系统，能否在夏季担起重任，陈明轩的心里也没底。

北京冬奥会刚一结束，团队就马不停蹄投入到预警极端天气的系统研发工作中。查阅北京历史上的灾害记录、分析近10年的天气数据、优化核心技术和人工智能算法模型……有了之前研发冬奥会气象预报系统的经验积累，团队此次思路清晰，不到半年，就找到了关键的突破点。

“北京东西南北跨越幅度大，气象各不相同，指望开发‘一招鲜，吃遍天’的系统不切实际，分区预警、‘各个击破’才是正确的方向。”陈明轩举例，夏天遭遇的强对流天气，几乎不可能覆盖全市，实际情况往往是房山区天降冰雹，而朝阳区细雨绵绵。

去年6月中旬的一天，一场8级雷暴大风咆哮着掠过平谷、顺义，路边的树木被吹得东倒西歪，强降水仿佛撕裂了天空。短时间内，大风还在继续向整个北京东部地区挺进。这要是在以前，突袭的大风一定会让当地居民措手不及。然而，当天，早在刮风前的6小时，平谷、顺义等地居民就纷纷收到了雷暴大风预警；刮风前1小时，各防灾减灾部门已全部就位，严阵以待。最终，充足的准备使这场大风并未造成巨大的损失。

这一切都得益于“睿图-睿思”分区预警，提前预报雷暴大风，为防灾工作争取了宝贵的时间。如今，这个“智能哨兵”的预报范围已经覆盖北京城区及城近郊区约1.32万平方公里的土地。未来，它将一年四季守卫这座拥有2000万人口的超大城市的安全。

“步子可以迈得再大些，预报范围可以再广些。”高精度气象预报系统在北京的成功实践，让陈明轩和团队充满信心，他们丝毫没有满足，而是将触角进一步延伸到了雄安新区。

目前，整个雄安新区一片火热的建设场景，既需要提前预报夏季的高温时段，以避免施工工人中暑；又要精确预报降雨，以便有效保障混凝土浇筑工作的进行，不误工期。同时，还要防范突袭的狂风吹倒塔吊，酿成重大安全事故。

雄安新区与北京的气象特点类似，“睿图-睿思”高精度气象预报系统中已收集的京津冀天气历史数据，在雄安新区派上了用场。陈明轩介绍，当地高精度气象预报系统的天气预报网格已精确至100米，而在京津冀全域，也已实现500米的天气预报网格，可以针对强降雨、大风等天气给出精细化的预报。

从高精度降水监测到风力预报

“睿图-睿思”系统在降水精确预报上的优异表现，引起了北京市水务局的注意。去年2月，水务部门向陈明轩提出合作设想：将该系统用于支持永定河、潮白河流域的水情监测、暴雨洪水预报、洪水干旱预警发布。

永定河、潮白河是北京最重要的河流。北京城就坐落于永定河的洪积冲积扇上，永定河为建造北京城提供了地理空间。陈明轩是个老北京，对于永定河，他有着独特的情感。“永定河是流经北京的第一大河，世世代代滋养着北京城。可以说，永定河是北京的母亲河，没有永定河就没有北京城。”而潮白河也是北京的重要水源之一，在农田灌溉、城市生活用水、京郊工业生产用水方面都发挥着重要作用，并负责向各大公园湖泊输送水源。

陈明轩与水务部门沟通后认为，“睿图-睿思”高精度气象预报系统可以用于监测、预报河流降水变化，可行性强，于是毫不犹豫地接下了这项任务。

北京冬奥会赛场上，“睿图-睿思”可以每10分钟预报1次未来24小时的天气，实现“分钟级”高精度预报。不同于冬奥赛场需要预报风速、温度、能见度等细致的参数，监测河流仅需密切关注降水变化，10分钟1次的频繁预报会给水务部门造成干扰。因此，陈明轩带领团队在系统中新增降水预报时间滞后融合订正模型，实现了降水预报的稳定输出，大幅缩减了10分钟更新一次降水预报的“跳跃性”，预报效果极佳。

今年年初，“睿图-睿思”系统在北京市水务局初步上线。一经试用，就崭露头角。水旱灾害防御监测网的显示屏上，多出了两张清晰的水文图。高精度气象预报系统的监测数据，在图上生成了永定河、潮白河流域的降雨量分布，以深蓝、浅蓝、绿色和白色4种不同颜色区分降水量。水务局工作人员介绍，该系统第一次将两条河流的降水预报绘制得如此清晰易读。

“开闸放水，给母亲河补充水源！”2月24日，官厅水库抬起闸门，一股清澈奔腾的水流注入永定河，开启永定河北京段2023年春季生态补水。在高精度气象预报系统的精确计量下，结合水源基础需求和自然水文节律特征，水务局将今年永定河北京段生态补水确定为4.3亿立方米，保障永定河时时刻刻全线有水，且不浪费补水水源。水务部门的工作人员兴奋地说：“‘睿图-睿思’既有着一双锐利的眼睛，还有一颗聪明的大脑，特别期待看到它在今年即将到来的汛期发挥所长，实现精细化动态调控和多维监测预警。”

“睿图-睿思”系统在降水监测方面已广受好评，能否在风的预报上再做点文章？陈明轩立刻联想到，未来，新能源领域可能是一片充满机遇的“蓝海”，等着“睿图-睿思”去开拓。利用系统对风的“百米级、分钟级”高精度预报技术，可以支撑风电场站开展高精度风功率预测，“一站一策”实现风能利用率最大化北京冬奥结束整一年，为能源调度和新能源开发利用提供重要支撑。

目前，陈明轩和团队正在研发应用于风力发电场站的高精度风力预报系统。原先的“睿图-睿思”系统预报的风，都是气象上的10米风，仅离地面10米以上。而风力发电场站需要的风完全不同，如我国主要的陆上风力发电场站需要80米至100米高度风的精准预测，一些海上风力发电场站甚至需要120米高度的风力预测。

“哪里有需求哪里就有我们。”陈明轩说，团队正在与新疆、宁夏、陕西等地的风力发电服务单位和风电场站开展初步协作，即将在部分场站开展高精度风力预报系统的应用测试。