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海陀山冬奧氣象綜合觀測體系實現N個創新

發布時間:2022年01月24日 來源:中國氣象報社

2015年7月31日,國際奧委會在馬來西亞吉隆坡投票決定由北京舉辦2022年冬奧會,申奧成功的喜悅過后,冬奧氣象觀測成為氣象部門面臨的一個挑戰。彼時,冬奧外場主賽場之一的北京市延慶區海陀山尚處于“待開發”狀態,不僅沒有標準的氣象觀測站,連最基礎的道路和電力供應都沒有。

一切從零開始,歷時七年,如今的海陀山早已今非昔比,S波段雷達矗立在海陀山頂,覆蓋全賽道的觀測站、云能天綜合觀測系統、精細化三維風場觀測系統均已建好,一個具備中、小、微尺度觀測能力的冬奧氣象綜合觀測體系搭建完成,靜待冬奧會開幕。

 因地制宜 科學布局

海陀山位于北京市延慶區與河北省赤城縣交界處,山頂海拔高達2241米。冬奧延慶賽區就位于海陀山區,這里作為兩個室外賽場之一,承擔了多項外場雪上項目。

地形復雜,山高坡陡,賽區核心區海拔落差接近900米,觀測難度大、氣象數據少,使得氣象部門之前對該地區局地環流、邊界層、云的發生演變特征和機理認識嚴重不足,這些制約著賽區精細化預報的發展和改進。

“科技冬奧”重點專項“冬奧會氣象條件預測保障關鍵技術”項目負責人、北京城市氣象研究院副院長陳明軒介紹,氣象保障是冬奧會成功舉辦的重要條件,北京冬奧會是近20年內唯一一次在大陸性冬季風主導的氣候條件下舉辦的冬奧會,不同于以往冬奧會舉辦地海洋性氣候條件雨雪多、能見度差的特點,本次冬奧會山地賽場主要受大風、干冷天氣的影響。海陀山顯著的氣候和地形差異,意味著把任何特定情況下的外場觀測和數值試驗直接搬過來,都存在適用性和代表性差的問題。

科學布局觀測設備,獲取該區域三維精細化氣象場資料,為實現冬奧賽區“百米級、分鐘級”氣象服務保障提供科技支撐迫在眉睫。在中國氣象局、北京市政府和國內外專家的支持下,北京城市氣象研究院聯合北京市氣象探測中心、北京市人工影響天氣中心、延慶區氣象局等多家單位,開始構建三維立體實時綜合氣象觀測體系。

七年磨劍 綜合觀測體系問世

觀測體系的建立,并非一蹴而就。在起步階段,海陀山上沒有道路,觀測人員就背著設備上山;沒有電力,就選擇便攜式設備和太陽能……終于獲得了寶貴的第一手山區氣象資料。采取“走出去,請進來”的方式,派人赴往屆冬奧會舉辦城市學習,聯合國內外山地氣象專家研討,棘手問題一個個得到解決,為構建科學觀測體系筑牢了根基。

七年磨劍終成鋒,冬奧會開幕在即,集中尺度、小尺度、微尺度等三大尺度觀測于一體的三維、秒級、多要素冬奧氣象綜合觀測體系已在海陀山建立起來。

北京城市氣象研究院冬奧觀測團隊負責人權建農介紹,這三個尺度的觀測系統共同組成了海陀山冬奧氣象綜合觀測體系,為海陀山降雪、低云、霧、大風等高影響天氣研究以及模式改進、提升預報預警能力等提供數據支撐。

中尺度觀測主要由S波段天氣雷達(海陀山頂)、X波段天氣雷達(懷來、懷來東花園和延慶千家店)、Ka波段云雷達(海陀山西大莊科、閆家坪)、微雨雷達(閆家坪)以及風廓線雷達(閆家坪)組成。多波段雷達的“強強聯合”,消除了海陀山區中尺度和山谷局地的云、降水系統監測盲區,為不同尺度云和降水系統的發展演變機制研究、更精準的預報預警提供有力的數據支撐。

覆蓋山谷的小尺度觀測由閆家坪、西大莊科和佛峪口三個觀測站點組成,觀測設備包括全天空成像儀、云高儀、雨滴譜儀、微波輻射計、大氣輻射干涉儀、渦動相關儀和自動氣象站等。多種儀器均可相互補充,實現對海陀山區大氣狀態的全天候監測。

覆蓋賽道的微尺度觀測則由沿賽道自下而上建設的15個自動氣象觀測站組成,觀測設備包括多普勒測風激光雷達、自動氣象站、三維超聲風速儀及水汽/二氧化碳分析儀等。其中,多普勒測風激光雷達分別布設在競技1號站、競速3號站和競速6號站,形成覆蓋主要賽區的重疊掃描,可獲取賽場上空風場的精細三維結構,“描繪”過山氣流或局地環流在賽區上空的發展演變特征。

多項創新夯實冬奧預報服務

去年10月至12月,“相約北京”系列冬季體育賽事陸續在北京冬奧三大賽區展開,作為本屆冬奧會開幕前最后一次實戰檢驗的寶貴機會,測試賽備受關注。冬奧氣象綜合觀測體系也經受了多項測試賽的考驗,使冬奧氣象保障團隊提高了對賽區氣象要素特征和變化趨勢的科學認識。

權建農說,這個首次在我國中緯度山區(海陀山)建立的復雜地形下多維度氣象綜合觀測體系,具有氣象要素多、涵蓋尺度跨越大、站點密集等特點,而它的最大亮點還在于研發過程中的多項創新。

冬奧氣象綜合觀測體系形成了同一要素多手段協同觀測新模式,實現了初生云團-山區地形云-中尺度云和降水系統的全過程無盲區監測,以及秒級到分鐘級、單點到三維的風場實時監測和對大氣狀態的全天候監測,并實現了觀測服務一體化;在協同觀測方面,氣象部門建立觀測產品清單,構建綜合觀測數據集,開發多源數據評估技術,提供高質量實況產品;在數據融合應用方面,高分辨率、精細化服務產品可實時顯示在冬奧觀測平臺,業務人員可根據冬奧預報和服務需求反饋,不斷優化觀測方案。

負責復雜地形下三維風場產品研發的程志剛介紹,在研發新技術與科技創新方面,基于三臺測風雷達組網觀測,已發展精細化的三維風場反演新技術,投入冬奧業務平臺使用后,將為小微尺度復雜風場演變特征分析和進一步揭示地形動力、熱力和背景風場對海陀山局地環流的影響機制提供數據支撐。

(作者:宛霞 王倩倩 楚艷麗 責任編輯:張林)


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