陳明軒 付宗鈺 梁豐 金榮花 薛紅喜 李靖 劉湊華 甘璐 孫超 時少英 王宗敏 陳昊明

（1 北京城市氣象研究院，北京 100089；2 北京市氣象局，北京 100089；3 中國氣象局預(yù)報與網(wǎng)絡(luò)司，北京 100081； 4 北京市氣象臺，北京 100089；5 國家氣象中心，北京 100081；6 國家氣象信息中心，北京 100081； 7 河北省氣象臺，石家莊 050022；8 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

0 引言

天氣是冬奧會成功與否的決定因素，精準(zhǔn)氣象預(yù)報是現(xiàn)代冬奧會成功舉辦的最重要條件之一。冬奧會雪上項目主要在地形復(fù)雜的山區(qū)舉辦，賽事安排與賽場天氣狀況密切相關(guān)，需要根據(jù)天氣預(yù)報找到價值萬金的“窗口期”，精確的風(fēng)、溫、濕度、能見度等的預(yù)報預(yù)警直接影響到運動員發(fā)揮，甚至影響到比賽安全。冬奧會外圍保障、賽事觀賞、交通、媒體轉(zhuǎn)播、應(yīng)急救援等均會受到不同氣象條件的直接影響，相關(guān)的氣象預(yù)報預(yù)警也極為關(guān)鍵。

鑒于山區(qū)地形復(fù)雜、氣象數(shù)據(jù)稀少等原因，小尺度山地氣象監(jiān)測預(yù)報一直是國際氣象科技難題。近幾屆冬奧會舉辦前，主辦國均開展了氣象保障服務(wù)的示范計劃，薈集國內(nèi)外的先進(jìn)氣象研發(fā)成果提供冬奧氣象監(jiān)測、預(yù)報和服務(wù)的科技支撐。2010年溫哥華冬奧會，加拿大環(huán)境部組織實施了SNOW-V10示范計劃：通過在賽場周邊建立稠密立體氣象監(jiān)測網(wǎng)，并針對山區(qū)暴雪等敏感氣象條件建立多種特殊氣象儀器，開展冬季連續(xù)觀測試驗；在預(yù)報技術(shù)方面，開發(fā)包括1公里分辨率數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)等多種針對冬奧會氣象保障的精細(xì)預(yù)報系統(tǒng)，并開展復(fù)雜地形下降水相態(tài)、低能見度等關(guān)鍵問題的深入研究。2014年索契冬奧會，俄羅斯水文氣象中心組織實施了FROST-2014示范計劃：在賽場周邊增加常規(guī)氣象觀測，布設(shè)與冬奧密切相關(guān)的特殊氣象要素觀測，在前期數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，實現(xiàn)分鐘到小時間隔的冬奧特殊氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)；開展賽場周邊冬奧高影響天氣研究，通過局地資料同化、高分辨率數(shù)值模式和集合預(yù)報等技術(shù)研發(fā)，提高冬奧賽區(qū)客觀氣象預(yù)報水平，局地分辨率達(dá)0.25 km×0.25 km。2018年平昌冬奧會，韓國氣象廳組織實施了ICE-POP 2018示范計劃：組建稠密立體觀測網(wǎng)提高賽場及周邊氣象探測能力；開展山地和海洋對賽區(qū)氣象條件綜合影響研究，加強(qiáng)冬季山地數(shù)值預(yù)報技術(shù)研發(fā)，CMA、ZAMG等1 km×1 km分辨率數(shù)值模式產(chǎn)品及Roshydromet1～0.55 km分辨率數(shù)值模式產(chǎn)品提升低能見度和降水相態(tài)等預(yù)報精度；推進(jìn)氣象服務(wù)展示形式網(wǎng)絡(luò)化、智能化，服務(wù)內(nèi)容也涉及不同類型冰雪運動。從近三屆冬奧會氣象示范計劃來看，稠密氣象監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析、高時空分辨率無縫隙客觀預(yù)報、智能化預(yù)報服務(wù)成為冬奧氣象技術(shù)的重點發(fā)展方向。

以往冬奧會的舉辦地大多為海洋性氣候控制，其氣象預(yù)報服務(wù)的關(guān)注重點是降雪（降雨）和能見度。而北京冬奧會是近20年來唯一一屆在大陸性冬季風(fēng)主導(dǎo)的氣候條件下舉辦的冬奧會，與往屆冬奧會氣候條件不同，導(dǎo)致中小尺度天氣特征不同，從而面對的氣象監(jiān)測、預(yù)報、服務(wù)的關(guān)注重點也不同。從北京冬奧會氣候風(fēng)險評估結(jié)果來看，對于冬奧會張家口賽區(qū)、延慶賽區(qū)和北京賽區(qū)的不同室外賽事和相關(guān)外圍保障服務(wù)來說，大風(fēng)、低溫、暖溫融雪、降水、低能見度等多種氣象風(fēng)險均不同程度的存在，特別是不同的室外賽事對風(fēng)、溫等氣象條件的臨界閾值要求差異較大，因此對于大風(fēng)、低溫和暖溫融雪等的預(yù)報預(yù)警，需要給與特別關(guān)注。

基于調(diào)研和分析，根據(jù)北京冬奧組委“一項一策”的保障需求，中國氣象局提出了“百米級、分鐘級”的冬奧氣象科技目標(biāo)，力爭到2022年冬奧會舉辦時，用最先進(jìn)的氣象科技手段、最精準(zhǔn)的氣象預(yù)報，為賽事運行提供精確到分鐘級、百米級的氣象監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報及賽事專項服務(wù)產(chǎn)品。

1 智慧冬奧2022天氣預(yù)報示范計劃

為滿足北京冬奧會高精度天氣預(yù)報服務(wù)剛性需求，在做好既有的冬奧氣象科技研發(fā)的同時，中國氣象局組織實施“智慧冬奧2022天氣預(yù)報示范計劃（SMART2022-FDP）”（以下簡稱“示范計劃”），廣泛征集國內(nèi)優(yōu)秀的精細(xì)化氣象要素客觀預(yù)報技術(shù)方法和系統(tǒng)，通過在2021年北京冬奧測試活動和2022年北京冬奧會正式賽期期間開展天氣預(yù)報示范的方式，為冬奧氣象保障提供更多更好的高時空分辨率氣象科技產(chǎn)品支撐，示范計劃遴選出的優(yōu)秀客觀數(shù)據(jù)產(chǎn)品，將成為冬奧會氣象保障服務(wù)的重要支撐和預(yù)報參考依據(jù)。通過示范計劃，也可對目前國內(nèi)不同單位、不同部門研發(fā)和運行的高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報模式以及快速融合與集成預(yù)報、數(shù)值降尺度預(yù)報、統(tǒng)計釋用預(yù)報、人工智能天氣預(yù)報等各種技術(shù)、系統(tǒng)和方法進(jìn)行平行評估和對比檢驗，從而推動我國精細(xì)化天氣預(yù)報技術(shù)的深入發(fā)展，提升人工智能技術(shù)在高精度天氣預(yù)報服務(wù)中的融合應(yīng)用水平，促進(jìn)相關(guān)核心技術(shù)在國家重大活動氣象保障服務(wù)及氣象防災(zāi)減災(zāi)等方面的深化應(yīng)用。

示范計劃在中國氣象局冬奧氣象服務(wù)領(lǐng)導(dǎo)小組（中國氣象局冬奧氣象中心）統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，由中國氣象局預(yù)報與網(wǎng)絡(luò)司主辦、應(yīng)急減災(zāi)與公共服務(wù)司和科技與氣候變化司協(xié)辦，冬奧北京氣象中心（北京市氣象局）具體承辦，其具體組織機(jī)構(gòu)如圖1所示。成立示范計劃管理組，負(fù)責(zé)示范計劃總體組織協(xié)調(diào)和重大事項決策，下設(shè)協(xié)調(diào)辦公室，負(fù)責(zé)具體工作協(xié)調(diào)。成立示范計劃指導(dǎo)專家組，負(fù)責(zé)技術(shù)咨詢、指導(dǎo)和評估。成立四個示范計劃專項工作組，負(fù)責(zé)為示范計劃的籌備和組織實施提供支持：1）系統(tǒng)示范組，負(fù)責(zé)示范計劃總體技術(shù)方案制定、總體技術(shù)協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌組織解決示范計劃執(zhí)行中出現(xiàn)的技術(shù)問題；2）數(shù)據(jù)保障組，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)范的制定，負(fù)責(zé)向參加示范系統(tǒng)提供示范計劃所需各種數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)示范系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的收集、分發(fā)；3）產(chǎn)品集成組，負(fù)責(zé)組織開發(fā)統(tǒng)一的示范計劃產(chǎn)品集成顯示平臺，對全部有效示范產(chǎn)品和檢驗結(jié)果進(jìn)行展示；4）檢驗評估組，負(fù)責(zé)制定統(tǒng)一的示范產(chǎn)品檢驗標(biāo)準(zhǔn)，建立檢驗系統(tǒng)，對全部有效示范產(chǎn)品開展檢驗評估，發(fā)布檢驗評估報告。

圖1 智慧冬奧2022天氣預(yù)報示范計劃技術(shù)體系圖 Fig. 1 Technical system diagram of 2022 weather forecast demonstration plan for smart Winter Olympics

2020年3月，示范計劃正式啟動，向全國廣泛征集參加者，共征集到22家單位（氣象部門內(nèi)11家，氣象部門外11家）研發(fā)的38個系統(tǒng)報名參加。總體來說，參加示范計劃的系統(tǒng)均采用的是目前最先進(jìn)的高精度天氣預(yù)報技術(shù)方法，主要包括以下4大類：次千米級分辨率數(shù)值模式和多源資料快速同化技術(shù)，次千米級分辨率和次百米級分辨率多源數(shù)據(jù)快速融合與集成預(yù)報技術(shù)，次千米級分辨率和次百米級分辨率數(shù)值降尺度預(yù)報技術(shù)，基于人工智能（機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)）的次百米級格點及站點預(yù)報技術(shù)。需要特別指出的是，上述次百米級預(yù)報技術(shù)和人工智能預(yù)報技術(shù)是國際上第一次在冬奧會氣象服務(wù)保障中獲得應(yīng)用，體現(xiàn)了復(fù)雜地形下高精度天氣預(yù)報技術(shù)方法的發(fā)展趨勢。另外，區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報也正在向著千米級甚至更高分辨率發(fā)展。根據(jù)計劃安排，示范計劃分為五個階段：2020年3—12月為各參加系統(tǒng)的技術(shù)準(zhǔn)備期；2021年1—4月完成第一次實時運行測試和檢驗評估，篩選出進(jìn)入第二次實時運行測試的系統(tǒng)；2021年5—9月，系統(tǒng)改進(jìn)完善，并于9月1—15日參加第二次實時運行測試，確定最終示范系統(tǒng)；2021年10月—2022年3月開展正式預(yù)報示范；2022年4—6月總結(jié)評估。

2 前期技術(shù)準(zhǔn)備工作

2.1 示范產(chǎn)品和檢驗規(guī)則

2.1.1 示范產(chǎn)品

按照支持冬奧實戰(zhàn)應(yīng)用、切實為冬奧會氣象預(yù)報服務(wù)提供強(qiáng)有力科技支撐產(chǎn)品的原則，此次示范計劃的產(chǎn)品緊密圍繞冬奧氣象預(yù)報團(tuán)隊的需求，重點提供預(yù)報員可直接參考的高分辨率近地面氣象要素預(yù)報、高精度三維實況分析、冬奧關(guān)鍵點位氣象要素垂直廓線等產(chǎn)品，主要分為站點產(chǎn)品和網(wǎng)格產(chǎn)品兩大類，其中網(wǎng)格產(chǎn)品又分為次千米級分辨率和次百米級分辨率兩類。

1）站點產(chǎn)品，包含冬奧組委最終確定的張家口賽區(qū)、延慶賽區(qū)和北京賽區(qū)所有場館預(yù)報站點，預(yù)報要素17個左右，預(yù)報時效至少達(dá)到72 h（最長240 h）；預(yù)報間隔為：0～24 h為≤1 h，24～72 h為≤3 h，72～240 h為≤6 h；預(yù)報更新頻率≤3 h。

2）次千米級網(wǎng)格產(chǎn)品，覆蓋范圍為京津冀區(qū)域，網(wǎng)格分辨率≤1 km，預(yù)報時效≥24 h，預(yù)報間隔≤1 h，預(yù)報更新頻率≤24 h。

3）次百米級網(wǎng)格產(chǎn)品，覆蓋范圍為冬奧山地賽區(qū)（包括張家口賽區(qū)和延慶賽區(qū)）。網(wǎng)格分辨率≤100 m，預(yù)報時效≤24 h，預(yù)報間隔≤1 h，預(yù)報更新頻率≤6 h（如果僅提供客觀實況分析產(chǎn)品，更新頻率≤30 min）。站點數(shù)據(jù)產(chǎn)品格式統(tǒng)一為XML格式文件。次千米級和次百米級網(wǎng)格數(shù)據(jù)產(chǎn)品統(tǒng)一為經(jīng)緯度網(wǎng)格格距的NetCDF格式或GRIB2格式。

除了上述基本產(chǎn)品外，也鼓勵各參加單位提供其他能夠支撐冬奧賽事保障的特色精細(xì)化預(yù)報產(chǎn)品。如提交特色示范產(chǎn)品，應(yīng)同時給出相應(yīng)檢驗評估方法、實時檢驗結(jié)果和集成顯示建議等信息。

2.1.2 檢驗規(guī)則

為了更加科學(xué)地評估示范計劃各模式、系統(tǒng)的分析和預(yù)報產(chǎn)品，需要開展相關(guān)的常規(guī)和非常規(guī)多維度檢驗評估。目前，對于冬奧賽場站點預(yù)報產(chǎn)品，取每日11、17時（北京時）起報的張家口賽區(qū)、延慶賽區(qū)和北京賽區(qū)的共計29個冬奧站點預(yù)報進(jìn)行檢驗，包括冬奧組委確定的北京賽區(qū)、延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)的預(yù)報核心點位，以及北京觀象臺、延慶站和河北張家口站。最長預(yù)報時效為未來10 d，計算時間間隔為1 h、3 h的整點量和統(tǒng)計量、逐日統(tǒng)計量，檢驗要素包括近地面氣溫、濕度、平均風(fēng)速風(fēng)向、陣風(fēng)風(fēng)速風(fēng)向、能見度、降水、降雪、積雪深度等及其相關(guān)統(tǒng)計量。對于次千米級網(wǎng)格預(yù)報，檢驗時段為24 h內(nèi)逐小時，檢驗要素為近地面氣溫、平均風(fēng)向風(fēng)速，陣風(fēng)風(fēng)向風(fēng)速、能見度，地面降水、降雪、積雪深度等，以及上述要素相關(guān)統(tǒng)計量，檢驗站點包括京津冀范圍內(nèi)現(xiàn)行網(wǎng)格預(yù)報業(yè)務(wù)檢驗站點和冬奧預(yù)報站點。對于次百米級短時臨近預(yù)報，檢驗時段為6 h內(nèi)逐10 min，檢驗要素為近地面氣溫、平均風(fēng)向風(fēng)速，陣風(fēng)風(fēng)向風(fēng)速、能見度，地面降水、降雪、積雪深度等，以及上述要素相關(guān)統(tǒng)計量，檢驗站點包括延慶和張家口賽區(qū)范圍內(nèi)的冬奧預(yù)報站點，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的區(qū)域自動站站點（國家級區(qū)域考核站）。上述檢驗策略是：選擇距離站點最近的格點預(yù)報作為站點預(yù)報值，有多個距離相等的格點取東北角格點，將該站點預(yù)報值與站點實況對比進(jìn)行檢驗。對于檢驗指標(biāo)來說，除了常規(guī)的統(tǒng)計指標(biāo)，還引入多種時空多維度、多要素檢驗指標(biāo)進(jìn)行綜合評判。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和示范平臺開發(fā)

鑒于參加示范計劃的單位和系統(tǒng)較多，各家模式和系統(tǒng)對冬奧高精度靜態(tài)數(shù)據(jù)、冬奧加密觀測和數(shù)值預(yù)報背景場數(shù)據(jù)的需求差異顯著，各家模式和系統(tǒng)給出的產(chǎn)品種類、數(shù)據(jù)類型、預(yù)報性能、數(shù)據(jù)傳輸性能等也同樣存在很大差異，因此為做好示范計劃的實施，需要設(shè)計完整的數(shù)據(jù)鏈路，并開展多項關(guān)鍵技術(shù)的研究及相關(guān)平臺的設(shè)計開發(fā)。

（1）數(shù)據(jù)保障組完成了示范計劃所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的保障方案和相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)，如：多源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、多源數(shù)據(jù)存儲方案設(shè)計、數(shù)據(jù)快速多路分發(fā)技術(shù)研發(fā)、數(shù)據(jù)實時監(jiān)控技術(shù)設(shè)計開發(fā)、數(shù)據(jù)共享方案設(shè)計開發(fā)等。2020年2月，制作完成示范計劃22家參與單位所需的6類36種數(shù)據(jù)資源的測試數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)量合計6 TB，并為各單位提供數(shù)據(jù)咨詢服務(wù)126次，保障了各參與單位在獲取氣象資料的同時，能夠公平、正確使用數(shù)據(jù)。同時，面向示范計劃的源數(shù)據(jù)需求特點，結(jié)合數(shù)據(jù)開放共享政策，訂制化編制了數(shù)據(jù)使用協(xié)議，并全部完成氣象部門內(nèi)外22家參與單位的內(nèi)容洽談、咨詢服務(wù)與協(xié)議簽署，為示范計劃的順利開展與數(shù)據(jù)的合法合規(guī)使用提供了法律保障。

（2）產(chǎn)品集成組完成了示范產(chǎn)品集成方案的設(shè)計和集成顯示平臺的開發(fā)、測試，如：產(chǎn)品需求分析、產(chǎn)品類型設(shè)計開發(fā)、集成顯示方式設(shè)計、集成顯示平臺開發(fā)和測試等。按照面向支持冬奧實戰(zhàn)應(yīng)用的目標(biāo)，集成顯示平臺開發(fā)過程中充分與冬奧氣象預(yù)報團(tuán)隊溝通，根據(jù)團(tuán)隊試用意見反復(fù)修改、完善。2020年10月，平臺測試版本內(nèi)部上線運行；其后又對平臺的數(shù)據(jù)流程和核心技術(shù)進(jìn)行了多次優(yōu)化，大幅提升了后端數(shù)據(jù)多維度實時處理及前端各類產(chǎn)品實時顯示的效率和穩(wěn)定性。2021年1月25日，示范計劃集成顯示平臺實現(xiàn)正式上線運行（互聯(lián)網(wǎng)地址：smart2022-fdp.ium.cn）。平臺采用B/S架構(gòu)開發(fā)，實現(xiàn)了氣象部門內(nèi)外網(wǎng)同步方式運行，內(nèi)容包括項目介紹、實況分析、格點預(yù)報、場館預(yù)報、檢驗評估、數(shù)據(jù)監(jiān)控等六個版塊。

（3）檢驗評估組完成了示范計劃多源產(chǎn)品的評估檢驗技術(shù)研發(fā)和對比分析，如：實時檢驗和后期檢驗的對象選取、指標(biāo)設(shè)計、檢驗方法研發(fā)、檢驗產(chǎn)品多維度交互顯示的設(shè)計開發(fā)，以及實現(xiàn)各類格點和站點數(shù)據(jù)產(chǎn)品的實時檢驗和結(jié)果集成顯示等。

2020年10月30日基本形成最終版本的《智慧冬奧2022天氣預(yù)報示范計劃（SMART2022-FDP）技術(shù)保障方案》，成為指導(dǎo)示范計劃技術(shù)研發(fā)和運行保障的重要文檔。示范計劃實時運行的整體架構(gòu)流程以及實時數(shù)據(jù)流參見圖2。

圖2 示范計劃實時運行的整體架構(gòu)流程以及實時數(shù)據(jù)流 Fig. 2 The overall architecture flow and real-time data flow of the demonstration plan in real time

3 第一次實時運行測試和檢驗評估

為配合支撐2021年“相約北京”冬季系列體育測試活動氣象服務(wù)保障，在2021年2月1日—3月15日，示范計劃開展了第一次實時運行測試（以下簡稱第一次測試），示范產(chǎn)品提供給北京賽區(qū)、延慶賽區(qū)和張家口賽區(qū)參加“相約北京”測試活動氣象服務(wù)保障的預(yù)報團(tuán)隊試用，各參加示范的單位也可以通過示范計劃集成顯示平臺實時查看示范產(chǎn)品和實時檢驗結(jié)果。

3.1 源數(shù)據(jù)分發(fā)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)接收

第一次測試期間，基于中國氣象局的國家級“天擎”氣象大數(shù)據(jù)云平臺，為11家氣象部門內(nèi)部參與單位提供實時數(shù)據(jù)接口服務(wù)；基于“天擎”公共云環(huán)境，為11家氣象部門外部參與單位提供實時基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。22家示范計劃參與單位的各系統(tǒng)和技術(shù)方法均實現(xiàn)了實時運行，示范產(chǎn)品分為賽場站點預(yù)報產(chǎn)品、次公里級網(wǎng)格產(chǎn)品（100 m＜網(wǎng)格分辨率≤1 km）、次百米級網(wǎng)格產(chǎn)品（網(wǎng)格分辨率≤100 m）三類，也包含少量的特殊產(chǎn)品，合計38類57項。其中，賽場站點預(yù)報以氣象大數(shù)據(jù)統(tǒng)計訂正以及人工智能方法為主，次千米級網(wǎng)格產(chǎn)品以數(shù)值預(yù)報模式結(jié)合局地資料同化技術(shù)為主，次百米級網(wǎng)格產(chǎn)品以多源數(shù)據(jù)快速融合、多模式集成、數(shù)值和統(tǒng)計降尺度預(yù)報、人工智能等方法為主。

第一次測試期間，3家示范計劃參與單位所有數(shù)據(jù)產(chǎn)品到報率達(dá)到100%， 17家示范計劃參與單位數(shù)據(jù)產(chǎn)品到報率達(dá)90%以上；2家單位示范產(chǎn)品及時率達(dá)到100%，8家單位產(chǎn)品及時率達(dá)90%以上。

3.2 平臺運行及產(chǎn)品應(yīng)用

實時監(jiān)控及信息統(tǒng)計顯示，第一次測試期間示范計劃集成顯示平臺（包括后臺多維度數(shù)據(jù)快速處理模塊）均實現(xiàn)了正常和穩(wěn)定運行，各類實時示范產(chǎn)品被冬奧預(yù)報團(tuán)隊廣泛使用，為2022年2月“相約北京”冬季系列體育測試活動期間的氣象服務(wù)提供了有力支撐。集成顯示平臺可以在線調(diào)閱第一次測試期間的全部數(shù)據(jù)、產(chǎn)品和檢驗結(jié)果。

3.3 示范產(chǎn)品的檢驗評估

示范計劃的檢驗評估以各參與單位數(shù)據(jù)產(chǎn)品在冬奧29個站點的檢驗結(jié)果為主要依據(jù)，并開展以研究測試為目標(biāo)的格點檢驗。本文重點介紹站點檢驗的總體情況，更詳細(xì)的檢驗可參見《智慧冬奧2022天氣預(yù)報示范計劃（SMART2022-FDP）第一次測試運行期綜合評估報告》。

3.3.1 站點檢驗方法

主要針對兩類站點預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行檢驗：1）專項站點預(yù)報產(chǎn)品，主要指針對冬奧站點，專門進(jìn)行的人工智能或統(tǒng)計建模得到的解釋應(yīng)用后處理產(chǎn)品；該檢驗主要用于評估冬奧復(fù)雜地形下站點預(yù)報產(chǎn)品性能以及人工智能等站點解釋應(yīng)用新技術(shù)方法的技巧；2）數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品，主要指根據(jù)示范計劃技術(shù)方案規(guī)定的統(tǒng)一插值算法，將數(shù)值模式或客觀系統(tǒng)格點輸出的數(shù)據(jù)，在冬奧站點進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)插值處理后的產(chǎn)品；該檢驗主要用于評估高分辨率數(shù)值模式或客觀系統(tǒng)在冬奧復(fù)雜地形下的預(yù)報性能。

因參與單位的產(chǎn)品預(yù)報時效和時效間隔不同，結(jié)合冬奧賽事預(yù)報服務(wù)的重點關(guān)注時段以及精細(xì)化預(yù)報服務(wù)的需求，將本次測試活動的檢驗預(yù)報時效及檢驗時間間隔分別約定為：0～2 h/1 h、2～12 h/1 h、12～24 h/1 h、24～72 h/3 h、72～240 h/6 h，所有預(yù)報示范產(chǎn)品數(shù)據(jù)的檢驗都與上述時效及間隔的時間點相對應(yīng)。根據(jù)示范產(chǎn)品和賽事關(guān)注情況，本次主要對近地面的風(fēng)、溫度、能見度、相對濕度以及地面降水的預(yù)報進(jìn)行檢驗。檢驗指標(biāo)包括：綜合預(yù)報評分、均方根誤差、平均絕對誤差、TS評分、Bias評分等。檢驗分為三個賽區(qū)29個站點的綜合平均檢驗、三個賽區(qū)各自站點的平均檢驗，也包括針對冬奧氣象服務(wù)各要素的關(guān)鍵閾值的上述各類指標(biāo)檢驗。另外，為研究分析各類產(chǎn)品對不同高度上溫度和風(fēng)的預(yù)報效果以及日變化特征等的預(yù)報情況，根據(jù)測站高度、測站環(huán)境以及賽事關(guān)注等，經(jīng)咨詢冬奧預(yù)報團(tuán)隊，也選取了如下的各賽區(qū)代表站進(jìn)行獨立站點的檢驗：張家口賽區(qū)2站（云頂1號站、冬兩1號站）、延慶賽區(qū)3站（競速1號站、競速5號站、競速8號站）、北京賽區(qū)2站（首鋼1號站、國家體育場站）。也開展了第一次測試期間的典型天氣個例的站點檢驗評估，分析了大風(fēng)、低溫、低能見度、融雪暖溫、降雪等天氣過程期間各示范產(chǎn)品的實際表現(xiàn)。下面針對本次檢驗的主要結(jié)論進(jìn)行簡述，各類詳細(xì)檢驗指標(biāo)的定義以及詳細(xì)檢驗結(jié)果可分別參考《智慧冬奧2022天氣預(yù)報示范計劃（SMART2022-FDP）技術(shù)保障方案》、《智慧冬奧2022天氣預(yù)報示范計劃（SMART2022-FDP）第一次測試運行期綜合評估報告》。

3.3.2 站點檢驗的主要結(jié)論

風(fēng)要素的預(yù)報檢驗：① 從平均風(fēng)風(fēng)速≥4 m/s的賽區(qū)綜合預(yù)報評分來看：專項站點預(yù)報產(chǎn)品0～24 h預(yù)報評分最優(yōu)在0.68～0.71，24～72 h預(yù)報評分最優(yōu)為0.69，72 h以上預(yù)報評分最優(yōu)為0.59；模式產(chǎn)品0～12 h預(yù)報評分最優(yōu)在0.67～0.71，與專項站點預(yù)報產(chǎn)品相近，12 h以上預(yù)報評分最優(yōu)約為0.45，低于專項站點預(yù)報產(chǎn)品。專項站點預(yù)報產(chǎn)品預(yù)報評分整體上比模式產(chǎn)品有提升。專項站點預(yù)報產(chǎn)品和模式產(chǎn)品對張家口賽區(qū)各時效預(yù)報評分高于延慶賽區(qū)和北京賽區(qū)。不同賽區(qū)專項站點預(yù)報產(chǎn)品預(yù)報評分較優(yōu)的產(chǎn)品差異不大，而對于模式產(chǎn)品，除個別系統(tǒng)產(chǎn)品對各賽區(qū)預(yù)報效果均較好以外，其他產(chǎn)品對不同賽區(qū)預(yù)報效果差異較大。② 從陣風(fēng)風(fēng)速賽區(qū)綜合預(yù)報評分來看：專項站點預(yù)報產(chǎn)品0～24 h預(yù)報評分最優(yōu)在0.77～0.82，24～72 h預(yù)報評分最優(yōu)為0.73，72 h以上預(yù)報評分最優(yōu)為0.66；模式產(chǎn)品0～72 h預(yù)報評分最優(yōu)在0.60～0.65。對于陣風(fēng)風(fēng)速總體預(yù)報評分，專項站點預(yù)報產(chǎn)品優(yōu)于模式產(chǎn)品。從陣風(fēng)風(fēng)速6級以上的預(yù)報評分來看，專項站點預(yù)報產(chǎn)品明顯優(yōu)于模式產(chǎn)品。

溫度的預(yù)報檢驗：從專項站點預(yù)報產(chǎn)品在賽區(qū)綜合的氣溫平均均方根誤差（RMSE）來看：RMSE隨預(yù)報時效在2.34～6.22 ℃；預(yù)報效果在短時臨近至短期時段（0～72 h）相對較為穩(wěn)定，在中期時段（72～240 h）隨預(yù)報時效的延長而明顯下降。三個賽區(qū)隨時效的變化趨勢與賽區(qū)綜合的一致，但從整體預(yù)報效果來看，北京賽區(qū)檢驗好于三個賽區(qū)綜合檢驗，張家口賽區(qū)與賽區(qū)綜合接近，延慶賽區(qū)最差。除個別產(chǎn)品外，模式產(chǎn)品的預(yù)報效果整體上差于同時效的專項站點預(yù)報產(chǎn)品。另外，從氣溫的垂直預(yù)報效果來看，專項站點預(yù)報產(chǎn)品和模式產(chǎn)品均反映出產(chǎn)品對高海拔站點的預(yù)報誤差大于低海拔站的特征。綜合來看，高海拔站的預(yù)報難度相對較大。

降水的預(yù)報檢驗：專項站點預(yù)報產(chǎn)品在賽區(qū)綜合的平均降水（≥0.1mm）TS評分在0.02～0.35，預(yù)報效果隨時效延長呈現(xiàn)下降趨勢。三個賽區(qū)隨時效的變化趨勢與賽區(qū)綜合基本一致；從整體預(yù)報效果來看，北京賽區(qū)最好，延慶賽區(qū)與賽區(qū)綜合接近，張家口賽區(qū)最差。模式產(chǎn)品的預(yù)報效果整體上略高于專項站點預(yù)報產(chǎn)品，表明對于冬季降水來說，目前的站點解釋應(yīng)用技術(shù)并未達(dá)到提升冬奧復(fù)雜地形下降水預(yù)報準(zhǔn)確率的目標(biāo)。此外，Bias評分顯示，大多數(shù)專項站點預(yù)報產(chǎn)品在0～24 h對降水存在漏報、在24～240 h對降水存在空報現(xiàn)象；模式產(chǎn)品大多對降水存在空報現(xiàn)象，且在不同時效及賽區(qū)的效果差異較大。

能見度的預(yù)報檢驗：從專項站點預(yù)報產(chǎn)品賽區(qū)綜合的能見度分級（≤1 km、1～5 km、5～10 km以及＞10 km）檢驗來看，平均TS評分在0～24 h時效上分別約為0.18、0.11、0.03以及0.43。由此可見，專項站點預(yù)報產(chǎn)品對于高能見度等級（＞10 km）的預(yù)報效果最優(yōu)。各家專項站點預(yù)報產(chǎn)品基本上對于能見度的預(yù)報效果差別不大，但整體對低能見度等級（≤1 km）的預(yù)報能力有限。模式產(chǎn)品效果與客觀預(yù)報產(chǎn)品類似，但除了0～24 h時效內(nèi)≤1 km的低能見度事件外，模式產(chǎn)品對其他時效上的低能見度事件幾乎無預(yù)報能力。

相對濕度的預(yù)報檢驗：從相對濕度的賽區(qū)綜合預(yù)報情況來看，專項站點預(yù)報產(chǎn)品0～24 h預(yù)報平均絕對誤差（MAE）最小區(qū)間在8.4%～10.3%，24 h以上MAE最小區(qū)間約為12.6%～18.3%。大部分產(chǎn)品的誤差較集中，但個別產(chǎn)品誤差明顯偏大。模式產(chǎn)品0～24 h預(yù)報MAE最小區(qū)間在10%～13%，24～72 h預(yù)報MAE最小約為13.9%，均略大于專項站點預(yù)報產(chǎn)品。無論是專項站點預(yù)報產(chǎn)品還是模式產(chǎn)品，對三個賽區(qū)的預(yù)報趨勢相對一致，總體來看對張家口賽區(qū)和延慶賽區(qū)的預(yù)報誤差略小，而對北京賽區(qū)的預(yù)報誤差略偏大。專項站點預(yù)報產(chǎn)品相對于原始模式產(chǎn)品來說，預(yù)報準(zhǔn)確率有一定提升度。

4 結(jié)論

智慧冬奧2022天氣預(yù)報示范計劃是中國氣象局首次面向國內(nèi)從事數(shù)值天氣預(yù)報和客觀預(yù)報技術(shù)研發(fā)的主要行業(yè)單位、高校院所和企業(yè)開展的實時預(yù)報技術(shù)示范競賽。相比于當(dāng)前方興未艾的各種人工智能天氣預(yù)報大賽，它的技術(shù)門檻更高、專業(yè)性更強(qiáng)。需要持續(xù)數(shù)月、嚴(yán)格按時限提供復(fù)雜地形區(qū)的定時、定點、定量的氣象要素預(yù)報，遠(yuǎn)非針對歷史個例進(jìn)行模擬研究，或是使用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合調(diào)優(yōu)可比擬。根據(jù)示范計劃第一次測試運行情況，給出以下初步結(jié)論。

本次檢驗結(jié)果表明，高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報模式仍然是提升定時、定點、定量預(yù)報能力最不可或缺的核心技術(shù)，特別是對于地形復(fù)雜、觀測資料缺乏地區(qū)的冬季降水預(yù)報，目前的站點解釋應(yīng)用技術(shù)、人工智能建模技術(shù)與高分辨率數(shù)值模式直接預(yù)報相比，并無顯著優(yōu)勢。

本次檢驗結(jié)果也指出，對于溫度、濕度、風(fēng)和能見度等近地面氣象要素，在數(shù)值模式產(chǎn)品基礎(chǔ)上的解釋應(yīng)用技術(shù)（包括多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)值和統(tǒng)計降尺度、人工智能建模、傳統(tǒng)統(tǒng)計釋用等），能夠顯著降低數(shù)值模式在地形復(fù)雜區(qū)域的系統(tǒng)性預(yù)報誤差，提高數(shù)值模式產(chǎn)品的末端預(yù)報性能。

在預(yù)報檢驗方面，對高頻次更新預(yù)報和高分辨率網(wǎng)格預(yù)報的檢驗技術(shù)存在明顯短板，缺乏公認(rèn)的檢驗方法和標(biāo)準(zhǔn)，高精度網(wǎng)格“真值”的確定也存在困難。隨著智能數(shù)字預(yù)報業(yè)務(wù)的發(fā)展，這方面的研究亟待加強(qiáng)。

隨著高時空分辨率的客觀預(yù)報產(chǎn)品越來越多地提供給預(yù)報員使用，高效、便捷的數(shù)據(jù)傳輸、存儲、調(diào)用和產(chǎn)品多維度集成顯示變得越來越重要，在未來支撐實時預(yù)報業(yè)務(wù)的信息系統(tǒng)設(shè)計中，必須考慮這些需求。