◎陈明轩

科普中国·星空讲坛以“迈向高水平科技自立自强”为主题，近日邀请5位来自超导技术、海洋资源、航天科技、气象预测、水利水电领域的专家，围绕中国最具代表性的、切实造福百姓的五大科学与技术，聚焦“富民强国‘强’什么”，带领公众感受我国科技、科研工作背后的精神和魅力。其中，北京城市气象研究院研究员陈明轩带来了演讲《面临“靠天吃饭”带来的重重挑战》，本文为陈明轩的演讲节选：

1、重大活动的气象服务保障与精准气象预报服务有两种

“7月28日的成都天气真的开挂了，蓝天白云迎接大运会开幕！”这是今年的一条微博热搜。为什么大家会对此震撼呢？开幕前天气的确不好，正值我国“七下八上”防汛关键期，大家知道短时强降水、雷暴大风、高温等高影响天气多发频发。

重大活动的气象服务保障与精准气象预报服务，有两种：

第一种就是以固定的时间来安排，比如建党一百周年相关庆祝活动，应尽可能安排在7月1日。当天，只不过需要根据精准气象预报，尽量把活动安排在天气对它影响比较小或者是没有影响的时间段和地点。

例如，该庆祝活动原计划活动是上午九点开始，后来因为天气原因提前到早上八点，正好错开阵雨天气对它的影响最大的那个时段。

另一种非固定时间，给一个时间段，由举办地来根据当地天气气候特点来选具体的这样一个时间。

例如，2008年北京夏季奥运会，比赛日期计划定在2008年7月25日至8月10日之间。

在我们国家获得举办权之后，考虑到北京夏季7月天气闷热潮湿，而且7月下旬到8月上旬是北京地区的主汛期，发生大雨、大风、高温闷热等灾害性天气的频率较高。8月8日前后是立秋，天气逐渐凉爽，中国气象局建议这个时间段举办夏季奥运会最为合适。

不管固定还是非固定时间，都需要依靠精准天气预报。

2、如何制作精准天气预报

制作天气预报，先通过各种监测信息了解到当前天气的现状，然后应用我们的数值天气预报等客观产品，结合预报员的主观经验做出未来几十分钟，甚至于一年的气候预测。

气象监测：这点主要靠地面自动气象站等监测设备还有天气雷达、空中风云气象卫星等等，目前我国已经形成了全天候的地基、空基、天基立体多要素监测网络，为气象高质量发展打下了坚实基础。

预报员的经验：大家知道《三国演义》里面，诸葛亮巧借东风的故事，其实就是诸葛亮充分利用赤壁一带先人经验制作的一次精准预报。

按照现代天气学解释，就是冬季大陆高压经过赤壁地区时，赤壁地区受其影响，晚上大雾，白天晴好。当此高压移到赤壁地区以东时候，赤壁地区在其影响下，盛行东南风。东风也就“借”来了。

这也说明预报的经验对于预报非常重要，也是凸显了预报员的重要性。

即使在现在，预报员不仅要看各类客观预报产品，还要分析不同预报产品的差异，通过综合研判制作比较精细精准的预报，可以说现在天气预报经验的信息量非常大，需要不断去总结、去提炼，然后凝练出最为精准、精确的天气预报信息。

3、数值天气预报产品

数值天气预报是现代气象学最为革命的技术。根据物理学原理，也就是大气动力学，建立描述天气演变过程的方程组，或者数学模型，输入大气观测资料，用高性能电子计算机作数值求解，来预测未来天气的演变。

2001年开始，中国气象局联合多家单位，自主研究并初步建立了新一代多尺度通用资料同化和数值天气预报系统，英文叫GRAPES，中文的意思就是葡萄。我们希望葡萄能酿成美酒，支持我国的天气预报的发展。

2021年9月30日，中国气象局成立了地球系统数值预报中心，目前我国已经基本建成空间网格达到12.5公里的全球数值天气预报模式和四维变分同化系统，并构建了从全球到区域的，一体化的数值预报的业务体系。

当前，我们国家天气预报跟发达国家还存在一定的差距，但是我们已经在迎头追赶，相信未来我们会越来越好，达到更高水平。

4、冬奥会的气象服务之难

2022年北京冬奥会气象服务，需要做到“百米级、分钟级”天气预报，这就远远超出国际最先进数值天气预报技术所能达到的能力。

众所周知，冬奥会大约有70%的项目都是雪上项目，而且都在室外地形比较复杂的山区举办，气象条件非常复杂，山脚、山腰、山顶的风、温度，可以说是千差万别，真正的“百米不同天”。

户外赛事里，天气变化生死攸关。大家熟知的高山滑雪、高山滑降项目虽然精彩，但是运动员从山顶滑到山脚，最快的速度可以达到140公里每小时，风速风向稍有变化，都会对运动员下滑过程中身体姿态、平衡等产生巨大影响，不仅关乎比赛成绩，甚至关乎到运动员的生命安全。

高山项目当中，阵风超过8级就必须无条件终止；跳台滑雪比赛，运动员飞行过程中空中姿态控制和人身安全也跟不同高度风速风向有很大关系。风力过大，会影响运动员空中飞行姿态、着陆动作和比赛成绩，甚至会对运动员安全造成威胁。跳台滑雪的阵风风速一般不能超过4米每秒。

再比如“冬季两项”，是一项集越野滑雪和射击于一身的比赛，该项目主要关注的是温度和雪温。

温度一旦低于零下20℃，运动员在户外超过半个小时，裸露的皮肤就有冻伤风险。所以，温度若低于零下20℃，比赛就要叫停；如果低于零下15℃，那么就由国际仲裁委员会商定比赛是否要进行调整，或者推迟。

可见，气象条件不仅事关比赛成绩，还关乎运动员的安全。而且，每个项目对于气象条件的关注点也有区别。必须针对不同场次和项目，提供所谓的“一场一策”甚至“一项一策”的这样一个精细、精准的气象预报服务，极具挑战性。

5、北京冬奥会的难题

本来冬奥预报技术就很难，在承办之初还遇到了一个更大的难题：就是我们几乎没有预报经验可以借鉴！因为北京的气候条件相对比较特殊，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在内陆地区举办的冬奥会。过去几届冬奥会几乎都在沿海举办。

山地小尺度的风和温度的精密监测和精准预报究竟如何做，在国际上都是尚未解决的一些难题。没有成熟的、适用于北京冬奥会的可移植技术经验和方案供我们借鉴。特别是一些雪上比赛场馆，没有任何气象观测和相应的设施，一切都要从零开始。

此前，我们国家在冬季雪上项目气象条件高分辨率监测、预报、服务技术等方面技术研究和经验很少，在很多方面甚至都是空白，这无疑给我们带来了更大的挑战。

6、何以克服冬奥预报大考？

面对这一世界性的预报难题，气象部门知难而进，建设成了“三维、秒级、多要素”气象观测监测体系，开展了一系列的加密观测试验研究。

获取观测数据，建立气象观测体系。

克服赛场，特别是山地赛场“无路、无电、无通讯”等困难，在北京及周边新建和改造各类探测设施140多套，开展“三维、秒级、多要素”立体靶向协同天气监测和冬季中、小、微尺度三维气象观测试验以及数据分析研究，首次实现赛道“秒级风”监测。整座大山中，都有了我们的“气象哨兵”。当风吹起来的时候，雪花飘落，无论什么气象要素，在任何时间有任何动向，都逃不过气象观测设施的“火眼金睛”。

基于观测体系各类数据支撑。

我们利用人工智能等现代技术，结合最新研发的高精度数值天气预报模式，以及包括人工智能在内的多项客观算法，首次实现了“百米级、分钟级”天气预报。

“百米级”是一个空间概念，“分钟级”是一个时间概念。可以这样比喻，就像地球上的经纬网格一样，对于比如说我们冬奥的延庆赛区、张家口赛区以及北京赛区这些在气象预报中尺度非常小的区域，我们要将其时空分解成100米×100米的网格，将时间预报更新频次做到10分钟做一次0到24小时的预报，10分钟做一次0到24小时的预报，就是10分钟更新一次预报，也就是说，在空间上，每隔100米甚至更细，就有一个预报数据；在时间上，每隔10分钟，就能更新一组预报。

整个赛区都被划分成了细小的网格，每个网格点都有气象要素的预报。做个对比，才能让大家看到我们走出多远：其实，往届冬奥会的客观气象预报基本都是停留在千米，就是一公里网格尺度，时间更新频率为半小时至1小时。而我们做到了10分钟更新一次100米网格的尺度，所以说北京冬奥会在冬奥历史上首次实现了“百米级、分钟级”天气预报。

这里可能有人要问，为什么我们不使用传统的数值预报技术，这是因为当前数值预报技术，只能做到公里尺度，它的很多物理参数化方案存在很多不确定性，这也是一个世界难题。

我们需要在原有的数值预报的基础上，来做到百米级、分钟级的天气预报。鉴于此，气象人加大科学试验、积极探索利用人工智能方法，结合数值模拟，开展相关研究和建模。

经过近4年的攻关，我们实现了这一目标，填补了国内多项预报技术空白，核心技术完全自主可控。

另外，往届冬奥会对天气预报的时长一般为5天，而北京冬奥会，按照冬奥组委的要求我们需要做到未来10天的预报，所以就是难上加难。为了实现如此长时效的复杂山地精准天气预报，我们首次尝试将大涡数值模拟这一先进技术应用于冬奥气象预报，实现了67米网格的大涡数值预报，做到了每日可以更新两次，每次做未来一天到10天的预报，将1到10天预报也做到了“百米级”，为预报员提前正确研判赛区天气提供了重要参考。

正是得益于“百米级、分钟级”预报技术体系的支撑，我们冬奥气象服务经历了一次次大考。

“百米级、分钟级”气象预报技术以及人工智能气象预报技术首次在国际冬奥气象保障中获得高效集成应用，推动了新技术应用和我国山地条件下精准预报能力不足问题的解决，促进了我国山地气象学的研究进展。

全球气候变暖背景条件下，多地天气气候变化的特征超出了“常规”，也印证了“天有不测风云”。未来，我们可能面临各种各样的极端天气挑战，也要迎接空间精细到十米级、米级，甚至时间精准到几分钟、几十秒的“窗口期”的预报，唯有加强基础研究、加大科学试验力度、用好数值预报模式和人工智能技术，实现“双轮”驱动，一定能吃好“靠天”这碗饭。

供图/陈明轩（文章源自微信公众号科普中国）

编辑/韩世容