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《科技潮》

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《科技潮》杂志由北京科学技术委员会主管,北京高技术创业服务中心主办,1989年创刊,是集宣传科技政策...

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科技奥运之气象服务 奥运背后的气象玄机

2009-01-14 20:57:34

  春节期间,历史罕见的冰雪灾害袭击中国南部;5月,汶川大地震震惊全球;6月,特大暴雨和台风再次让南方数省遭殃;7月,频繁的雷暴天气接连光顾首都北京。

  2008年,天气和自然灾害似乎突然变得和每一个中国人都那么贴近,近得无法逃避。

  接下来,全球瞩目的8月8日晚上8点,北京的鸟巢会不会遭遇雷雨?同样是一个无法回避的问题,让气象和奥运的关系拉近到零距离。

  奥运给气象出难题

  “明天白天,多云转晴,北转南风二三级,最高气温30度。”这是北京市民再熟悉不过的天气预报。但是在奥运到来的时候,这样的预报是绝对满足不了北京奥组委的要求的。

  北京奥组委对奥运天气预报的要求是:提供0~72小时比赛场馆的天气(含阴晴雨雾等和降水量的大小)、温度、湿度、风向、风速预报,一天至少4次滚动更新,每3小时一次预报,个别情况下每1小时一次预报。除了预报时间要精细到小时外,预报空间还要精确到每个比赛场馆,预报要素要精确到具体量值。对一些特殊项目如水上项目、射击等还要提供0~24小时逐时天气预报,室外比赛项目还要提供空气质量、臭氧浓度、紫外线、水面风等精细化指标预报。

  这确实是一个“天”大的难题,就连不懂气象的人也能感知其中的难度。打个比方,鸟巢和水立方仅一墙之隔,两个场馆的天气能有多大区别都要报出来!

  从专业角度看,这次奥运天气预报的难度还不仅限于此。北京属于北温带半湿润季风型大陆气候,8月上旬在北京还是主汛期,高温、暴雨、雷电、大风、冰雹和大雾都可能发生。另外,由于北京地形的特殊性,东南城区海拔只有30米,而西北山区有的则高达2000多米,所以局地性天气特别多,而且会经常出现突发性天气,预报难度很大。要达到奥组委的精细化要求,是北京天气预报史上从未有过的挑战。

  与历届奥运会相比,北京奥运会对天气预报的要求是最高的。比如雅典奥运会正值当地的旱季,降水稀少,天气晴朗。悉尼奥运会正值当地春末,属于干季雨季的过渡阶段,相当于北京4月下旬到5月初的天气,比较稳定。这两届奥运会都只提供了0~48小时的预报,而北京奥运会要提供0~72小时的逐3小时预报。要把一个48小时预报的常规业务提高到72小时,对气象部门来说是一个质的飞跃,这不仅要求气象综合探测能力要大幅提升,更是对预报预测的准确率和预报服务能力的一个挑战。目前,已经正式投入运行的第29届奥运会北京赛区气象服务系统,包括综合探测系统24项、预报预测系统7项、气象服务系统7项、信息技术支持系统8项。奥运期间,该系统要提供北京地区0~72小时连续滚动、精细到38个奥运场馆的预报服务,仅精细预报一项,就高出北京现有日常业务服务量的40倍。

  如此苛刻的精细化的预报要求,必须有顶尖的技术支撑。2007年北京奥运气象服务中心引进了10万亿次运算能力的超大型计算机,实现了局地气象资料三维变分同化业务,建立了包括0~2小时临近天气预报、2~12小时短时天气预报、12~48/72小时短期天气预报等系统,天气预报达到了水平分辨率3公里的精细化要求。

  奥运给中国气象尤其是北京气象出了这么大的难题,反过来气象部门也给奥组委出过“难题”,那就是因为天气的原因让奥运会的开幕时间推迟了近半个月。根据国际奥委会的计划,北京奥运会最开始定的是7月25日左右开幕,由于北京的七月下旬和八月上旬正好是北京的主汛期(七下八上),这个时候雨多,温度、湿度都偏大,不利于体育竞赛。气象部门提出后延至8月15日,后经北京奥组委和国际奥组委协商,最后定为8月8日开幕。由此,另一个“天”大的难题也因此产生,那就是精准无误的开幕式天气预报。

  高科技的隐形保镖

  气象让奥运改期,奥运给气象出难题,可以看出,两者的关系确实非同寻常。那么,北京的气象预报如何应对这空前的挑战呢?答案是向高科技寻求保障。自申奥成功开始,中国气象局就成立了由中国气象局局长任组长的中国气象局奥运气象服务领导小组,全面指导部署奥运气象服务筹备工作。依托北京市气象局,成立了北京奥运气象服务中心,并联合国家气象中心、国家气候中心等单位,以及青岛、香港、天津、上海、沈阳和秦皇岛等奥运会协办城市的气象部门,共同筹备奥运气象服务。认真学习借鉴往届奥运会举办国的成功经验,在世界范围内组织开展奥运气象预报技术研究。确定了《北京2008年奥运会及残奥会气象服务实施方案》、《2008年奥帆赛气象服务方案》、《2008年珠峰气象保障实施方案》和《奥运会和残奥会火炬接力传递气象服务实施方案》,明确了奥运气象服务的内容、服务方式、运行机制、服务团队和应急气象服务保障措施等方面的工作。

  2003年初,由中国气象局国家气象中心牵头,北京市气象局、青岛市气象局、中科院、有关大专院校和国外有关研究机构共同承担的“奥运气象保障技术研究”课题就被列为“十五”国家科技攻关计划“奥运科技专项”第一批课题。课题组组长、国家气象中心主任章国材给奥运气象保障系统进行了明确的定位:突出精细、个性、先进三大特色。“精细”指的是数值模式分辨率高,预报产品“无缝隙”和全程滚动,预报要素要有大的拓展;“个性”指的是对奥运赛事和赛地特殊性有充分的考虑,对奥运竞赛活动和项目有极强的针对性;“先进”指的是首次拥有可实时制作奥运高精细度气象预报的实用技术手段和业务能力。三大特色明确后,相应的确定了三大科技主攻方向:全程精细滚动预报、灾害性天气短时和临近预报、气象条件对运动项目的影响分析。

  经过气象战线众多部门长达4年的协同攻关,“奥运气象保障技术研究”课题终于在2007年12月通过国家验收。奥运气象保障的有关科研完成后,不仅能将国内2100多个城镇、国外重点城市1~7天逐日的降水、风、温度、相对湿度等多种气象要素的预报准确率提高10%~15%,而且每隔3小时就可为北京13个区县和“鸟巢”等奥运比赛场馆以及青岛海区赛场提供一次气象要素预报,同时还能实现为奥运会比赛和活动提供实时大气信息和从几分钟到12小时有效的灾害性天气预警预报。

  随着奥运的临近,气象部门已经进入临战演习状态,一些高科技精尖设备和技术也开始现身。

  超级装备“攀比”珠峰

  今年,奥运圣火成功登顶珠峰,实现了人类的壮举。而一支由38位气象专家组成的中央气象台珠峰气象保障队则鲜为人知。其实,早在3月26日,这支特殊的保障队伍就早早来到了珠峰大本营。在登山队员攀登过程中,如果风速超过20米/秒,将直接危害到登山队员的生命安全。气象保障队的压力可想而知。用常规方法测风速,在珠峰厚厚的冰层上,自动站根本架不稳,又没有供电来源,就是把笨重的仪器运上去也十分困难。为此,有关部门研发了单测风仪,该仪器重量轻,安装方便,功耗极低,能够在-20℃的低温下连续进行10~15天的风速测量,能够有效地在狭窄的山脊、大风口等无法安装常规气象装备的地点发挥作用。此次在珠峰海拔6500米的垭口、海拔6600米的山路上以及海拔7450米的山脊上分别安装了3台单测风仪,其中海拔7450米的山脊上工作的单测风仪成为我国气象史上最高的观测设备。

  观测组还在珠峰大本营安装了两套中国科学院大气物理研究所提供的全天空成像仪,能够同步每分钟拍摄珠峰和全天空云状影像,记录云的变化,实现对现场完整天气状况的记录和存档,为预报人员后期准确分析天气实况提供直观、准确的资料。另外,综合高空探测车、GPS探空系统、自动气象站等一系列先进设备都在珠峰地区施展了各自的“绝顶武功”。

  多种数值预报技术竞赛“气象奥运”

  2004年,世界气象组织天气研究计划科学指导委员会第七次会议正式批准了”北京2008年奥运会天气预报示范国际计划“(简称b08项目)。这个项目由北京市气象局牵头组织,来自澳大利亚、加拿大、英国、美国、日本和中国香港等地的多个成员参加。作为b08项目的牵头单位,中国气象局委派北京市气象局局长谢璞作为b08项目的总负责人。谢璞说:这个项目就像”天气预报奥林匹克竞赛“,通俗地说就是用北京市气象局提供的本地数据平台,用以上国家和地区最先进的临近预报系统,一起来为奥运会期间的天气预报作示范,看看哪家的预报系统报的最准。

  b08项目的实施不仅为2008年奥运会提供优质的气象服务,也为我国预报员提供了一个了解世界上最先进的短时临近预报和中尺度集合预报技术的绝好机会,将提高我国预报员在0~6小时短时临近预报和6~36小时短期预报方面的能力。

  “风云三号”开启预报“天眼”

  说到气象预报的高科技,最典型的莫过于气象卫星了。2008年5月27日上午11点2分29秒,长征四号运载火箭将我国新一代极轨风云三号气象卫星01星成功发射。

  风云三号气象卫星历经9年研制,属我国第二代极轨气象卫星系列,首次实现了中国气象卫星的全球、全天候、多光谱、三维、定量探测。卫星中装载有可见光红外扫描辐射仪、红外分光计、微波温度计、微波成像仪等11种探测仪器,性能指标已经接近并部分超过欧洲和美国同类在轨卫星水平。据专家介绍,风云三号气象卫星实现了四大技术突破:在遥感能力上从单一遥感成像变为地球环境综合探测;从光学遥感到微波遥感;从公里级分辨率到百米级分辨率;从国内接收到极地接收。

  目前,世界气象组织已将风云三号卫星列入全球对地观测业务卫星星座,将同欧洲和美国的极轨气象卫星一道,共同形成对地球大气、海洋和地表环境连续的全天候、立体观测,大大增强人类对地球的综合探测能力,提升中国在气候变化及相关研究领域的能力与地位。中国气象局国家卫星气象中心主任杨军说,“风云三号”的能力并不只是生成一张卫星云图那么简单,其最大的特点是能够把全球的气候变化都监测到。

  当然,选择2008年5月发射“风云三号”的重要目的是保障北京奥运会期间的天气预报。事实上,从2002年开始,中国就已经启动为北京奥运会“保驾护航”的气象卫星服务计划,2002年5月“风云一号”D极轨气象卫星发射升空,2006年12月“风云二号”D地球静止轨道气象卫星成功发射。“风云三号”是新一代极轨系列气象卫星的首颗,它和已在运行的“风云二号”D卫星都是北京奥运期间中国气象预报的主力卫星。

  高科技的集中应用,让气象工作平添了几分神秘的色彩,也给了北京“科技奥运”的定位一个精彩的诠释。

  人工消雨构建空中“特种部队”

  人工降雨或者叫人工增雨,人们已经不太陌生,但人工消雨无论对北京的老百姓还是世界上的气象专家,都还是一个新的话题。北京自2005年起利用飞机、火箭等进行了一系列的消云减雨试验,希望为2008年8月8日奥运会开幕式的成功取得了一些成功的经验。人工消雨比人工增雨更难,首先,消雨作业时机的选择比较难,要在雨到达特定区域之前对它进行大规模和连续的催化作业,改变其降水分布,这就涉及到天气预报的准确性。其次,怎样到这个地区去播撒,播撒什么样的催化剂,播撒多大的剂量,也是难点。而这些问题至今还是人工影响天气这个学科领域里的前沿问题。

  在人工影响天气作业规模方面,中国在世界上已经享有一定的地位。相对而言,消雨在世界范围内则还处在科学试验阶段,还不成熟。目前,对人工减雨作业效果的预期还不能过高,尤其对强降水过程、大范围深厚降水云层,目前的技术和科学水平尚不能有效消除。

  也许你不知道,在北京有一个机构,名称跟它的功能一样玄妙,这个机构叫“人影办”,即北京市人工影响天气办公室,过去该单位主要负责人工增雨、消雾和防雹等的实施和科研,而在奥运会期间,他们将专门负责北京奥运开闭幕式等大型户外活动的消雨问题。目前采取的消雨办法,主要是“提前降水”和“抑制降水”两种方式。在近三年来,人影办组织实施了一系列飞机、火箭、高炮人工消云、减雨大型外场试验,取得了初步试验结果。分布在北京城区周边的26个“人工影响天气实验点”,将承担起奥运开闭幕式和重大露天赛事的人工消雨。2008年7月8日人影办组织实施了地面火箭作业实战演练。

  如果今年8月8日晚上8点真有明显降雨光顾鸟巢的话,相信观众在欣赏张艺谋别具一格的点火仪式之前,会先领略一番“人工消雨”的空中奇观。

  奥运提升中国“问天”能力

  北京申奥成功,极大地推动了我国气象科技事业国际合作和自身能力建设的步伐。通过与美国、澳大利亚、加拿大、希腊等国家的互访、交流与合作,并实施了北京奥运国际示范项目,使我国的气象服务能力、综合观测能力、气象预报水平、人工影响天气作业能力、气象自主创新水平均得到了明显提升。

  为了满足奥运会气象保障服务对于观测数据的需求,目前,北京已建成了由181个多要素自动气象站、18个道面自动站、28个GPS/Met和5部多普勒天气雷达、3部风廓线雷达构成的高时空分辨率的覆盖北京市城郊及周边地区的综合气象观测系统,实现了北京及周边自动气象站数据5分钟实时更新,北京周边探空站加密观测,石家庄、天津、张北和北京多部多普勒天气雷达同步观测和6分钟天气雷达数据实时更新业务。

  北京市气象局谢璞局长认为,科技奥运在气象领域体现在两方面,一个是体现在技术、方法更加科学,更加先进。比如探测系统、计算系统、预报系统和服务系统。另一个是人的科技素养的提升,除了国际上的合作交流,对奥运会的要求中有一个最重要的内容就是国际化标准,比如信息必须按国际化标准去提供,我们的技术方法要按照国际化的标准去做,这样就带动了人的科学素养、技术能力和科学视野的提升。

  2008年7月6~7日,就在奥运会开幕还有一个月的时候,中国气象局和北京市气象局联合举行了奥运会开幕式气象服务综合实战演练,对7月8日的天气进行预报。演练过程中,鸟巢等奥运重点地区卫星云图每15分钟回传一次,为精确预报提供了及时准确的依据。15分钟的频率,在以前的历届奥运会当中,也是很难做到的。为了更真实地检验预报服务的应急能力,当日9时,北京市气象局的高性能计算机被切断,国家气象信息中心备份数据迅速回传,所有数值预报产品均按时完成,预报服务经受住了考验。

  可以说,中国的气象服务能力在奥运苛刻的需求压力下,已经实现了历史性的突破,“与天论道”的水平已经跻身国际先进行列,而这些能力在为奥运提供完美服务之后,必将为更广大的人民和社会造福。

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