“智慧冬奧2022天氣預(yù)報(bào)示范計(jì)劃”進(jìn)展綜述

陳明軒 付宗鈺 梁豐 金榮花 薛紅喜 李靖 劉湊華 甘璐 孫超 時(shí)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(guó)氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司，北京 100081； 4 北京市氣象臺(tái)，北京 100089；5 國(guó)家氣象中心，北京 100081；6 國(guó)家氣象信息中心，北京 100081； 7 河北省氣象臺(tái)，石家莊 050022；8 中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

0 引言

天氣是冬奧會(huì)成功與否的決定因素，精準(zhǔn)氣象預(yù)報(bào)是現(xiàn)代冬奧會(huì)成功舉辦的最重要條件之一。冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目主要在地形復(fù)雜的山區(qū)舉辦，賽事安排與賽場(chǎng)天氣狀況密切相關(guān)，需要根據(jù)天氣預(yù)報(bào)找到價(jià)值萬金的“窗口期”，精確的風(fēng)、溫、濕度、能見度等的預(yù)報(bào)預(yù)警直接影響到運(yùn)動(dòng)員發(fā)揮，甚至影響到比賽安全。冬奧會(huì)外圍保障、賽事觀賞、交通、媒體轉(zhuǎn)播、應(yīng)急救援等均會(huì)受到不同氣象條件的直接影響，相關(guān)的氣象預(yù)報(bào)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(cè)預(yù)報(bào)一直是國(guó)際氣象科技難題。近幾屆冬奧會(huì)舉辦前，主辦國(guó)均開展了氣象保障服務(wù)的示范計(jì)劃，薈集國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)氣象研發(fā)成果提供冬奧氣象監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和服務(wù)的科技支撐。2010年溫哥華冬奧會(huì)，加拿大環(huán)境部組織實(shí)施了SNOW-V10示范計(jì)劃：通過在賽場(chǎng)周邊建立稠密立體氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并針對(duì)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(cè)試驗(yàn)；在預(yù)報(bào)技術(shù)方面，開發(fā)包括1公里分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)等多種針對(duì)冬奧會(huì)氣象保障的精細(xì)預(yù)報(bào)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(huì)，俄羅斯水文氣象中心組織實(shí)施了FROST-2014示范計(jì)劃：在賽場(chǎng)周邊增加常規(guī)氣象觀測(cè)，布設(shè)與冬奧密切相關(guān)的特殊氣象要素觀測(cè)，在前期數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)分鐘到小時(shí)間隔的冬奧特殊氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)；開展賽場(chǎng)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(bào)等技術(shù)研發(fā)，提高冬奧賽區(qū)客觀氣象預(yù)報(bào)水平，局地分辨率達(dá)0.25 km×0.25 km。2018年平昌冬奧會(huì)，韓國(guó)氣象廳組織實(shí)施了ICE-POP 2018示范計(jì)劃：組建稠密立體觀測(cè)網(wǎng)提高賽場(chǎng)及周邊氣象探測(cè)能力；開展山地和海洋對(duì)賽區(qū)氣象條件綜合影響研究，加強(qiáng)冬季山地?cái)?shù)值預(yù)報(bào)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(bào)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(yùn)動(dòng)。從近三屆冬奧會(huì)氣象示范計(jì)劃來看，稠密氣象監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析、高時(shí)空分辨率無縫隙客觀預(yù)報(bào)、智能化預(yù)報(bào)服務(wù)成為冬奧氣象技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

以往冬奧會(huì)的舉辦地大多為海洋性氣候控制，其氣象預(yù)報(bào)服務(wù)的關(guān)注重點(diǎn)是降雪（降雨）和能見度。而北京冬奧會(huì)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(huì)，與往屆冬奧會(huì)氣候條件不同，導(dǎo)致中小尺度天氣特征不同，從而面對(duì)的氣象監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、服務(wù)的關(guān)注重點(diǎn)也不同。從北京冬奧會(huì)氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果來看，對(duì)于冬奧會(huì)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(xiǎn)均不同程度的存在，特別是不同的室外賽事對(duì)風(fēng)、溫等氣象條件的臨界閾值要求差異較大，因此對(duì)于大風(fēng)、低溫和暖溫融雪等的預(yù)報(bào)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(xiàng)一策”的保障需求，中國(guó)氣象局提出了“百米級(jí)、分鐘級(jí)”的冬奧氣象科技目標(biāo)，力爭(zhēng)到2022年冬奧會(huì)舉辦時(shí)，用最先進(jìn)的氣象科技手段、最精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)，為賽事運(yùn)行提供精確到分鐘級(jí)、百米級(jí)的氣象監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)及賽事專項(xiàng)服務(wù)產(chǎn)品。

1 智慧冬奧2022天氣預(yù)報(bào)示范計(jì)劃

為滿足北京冬奧會(huì)高精度天氣預(yù)報(bào)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(shí)，中國(guó)氣象局組織實(shí)施“智慧冬奧2022天氣預(yù)報(bào)示范計(jì)劃（SMART2022-FDP）”（以下簡(jiǎn)稱“示范計(jì)劃”），廣泛征集國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的精細(xì)化氣象要素客觀預(yù)報(bào)技術(shù)方法和系統(tǒng)，通過在2021年北京冬奧測(cè)試活動(dòng)和2022年北京冬奧會(huì)正式賽期期間開展天氣預(yù)報(bào)示范的方式，為冬奧氣象保障提供更多更好的高時(shí)空分辨率氣象科技產(chǎn)品支撐，示范計(jì)劃遴選出的優(yōu)秀客觀數(shù)據(jù)產(chǎn)品，將成為冬奧會(huì)氣象保障服務(wù)的重要支撐和預(yù)報(bào)參考依據(jù)。通過示范計(jì)劃，也可對(duì)目前國(guó)內(nèi)不同單位、不同部門研發(fā)和運(yùn)行的高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式以及快速融合與集成預(yù)報(bào)、數(shù)值降尺度預(yù)報(bào)、統(tǒng)計(jì)釋用預(yù)報(bào)、人工智能天氣預(yù)報(bào)等各種技術(shù)、系統(tǒng)和方法進(jìn)行平行評(píng)估和對(duì)比檢驗(yàn)，從而推動(dòng)我國(guó)精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)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(bào)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(guó)家重大活動(dòng)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(jì)劃在中國(guó)氣象局冬奧氣象服務(wù)領(lǐng)導(dǎo)小組（中國(guó)氣象局冬奧氣象中心）統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，由中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)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(jì)劃管理組，負(fù)責(zé)示范計(jì)劃總體組織協(xié)調(diào)和重大事項(xiàng)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(jì)劃指導(dǎo)專家組，負(fù)責(zé)技術(shù)咨詢、指導(dǎo)和評(píng)估。成立四個(gè)示范計(jì)劃專項(xiàng)工作組，負(fù)責(zé)為示范計(jì)劃的籌備和組織實(shí)施提供支持：1）系統(tǒng)示范組，負(fù)責(zé)示范計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)劃產(chǎn)品集成顯示平臺(tái)，對(duì)全部有效示范產(chǎn)品和檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行展示；4）檢驗(yàn)評(píng)估組，負(fù)責(zé)制定統(tǒng)一的示范產(chǎn)品檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，建立檢驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)全部有效示范產(chǎn)品開展檢驗(yàn)評(píng)估，發(fā)布檢驗(yàn)評(píng)估報(bào)告。

圖1 智慧冬奧2022天氣預(yù)報(bào)示范計(jì)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(jì)劃正式啟動(dòng)，向全國(guó)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(gè)系統(tǒng)報(bào)名參加。總體來說，參加示范計(jì)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(bào)技術(shù)方法，主要包括以下4大類：次千米級(jí)分辨率數(shù)值模式和多源資料快速同化技術(shù)，次千米級(jí)分辨率和次百米級(jí)分辨率多源數(shù)據(jù)快速融合與集成預(yù)報(bào)技術(shù)，次千米級(jí)分辨率和次百米級(jí)分辨率數(shù)值降尺度預(yù)報(bào)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(jí)格點(diǎn)及站點(diǎn)預(yù)報(bào)技術(shù)。需要特別指出的是，上述次百米級(jí)預(yù)報(bào)技術(shù)和人工智能預(yù)報(bào)技術(shù)是國(guó)際上第一次在冬奧會(huì)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(bào)技術(shù)方法的發(fā)展趨勢(shì)。另外，區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)也正在向著千米級(jí)甚至更高分辨率發(fā)展。根據(jù)計(jì)劃安排，示范計(jì)劃分為五個(gè)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(shí)時(shí)運(yùn)行測(cè)試和檢驗(yàn)評(píng)估，篩選出進(jìn)入第二次實(shí)時(shí)運(yùn)行測(cè)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(shí)時(shí)運(yùn)行測(cè)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(bào)示范；2022年4—6月總結(jié)評(píng)估。

2 前期技術(shù)準(zhǔn)備工作

2.1 示范產(chǎn)品和檢驗(yàn)規(guī)則

2.1.1 示范產(chǎn)品

按照支持冬奧實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用、切實(shí)為冬奧會(huì)氣象預(yù)報(bào)服務(wù)提供強(qiáng)有力科技支撐產(chǎn)品的原則，此次示范計(jì)劃的產(chǎn)品緊密圍繞冬奧氣象預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)的需求，重點(diǎn)提供預(yù)報(bào)員可直接參考的高分辨率近地面氣象要素預(yù)報(bào)、高精度三維實(shí)況分析、冬奧關(guān)鍵點(diǎn)位氣象要素垂直廓線等產(chǎn)品，主要分為站點(diǎn)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(jí)分辨率和次百米級(jí)分辨率兩類。

1）站點(diǎn)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(chǎng)館預(yù)報(bào)站點(diǎn)，預(yù)報(bào)要素17個(gè)左右，預(yù)報(bào)時(shí)效至少達(dá)到72 h（最長(zhǎng)240 h）；預(yù)報(bào)間隔為：0～24 h為≤1 h，24～72 h為≤3 h，72～240 h為≤6 h；預(yù)報(bào)更新頻率≤3 h。

2）次千米級(jí)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(bào)時(shí)效≥24 h，預(yù)報(bào)間隔≤1 h，預(yù)報(bào)更新頻率≤24 h。

3）次百米級(jí)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(bào)時(shí)效≤24 h，預(yù)報(bào)間隔≤1 h，預(yù)報(bào)更新頻率≤6 h（如果僅提供客觀實(shí)況分析產(chǎn)品，更新頻率≤30 min）。站點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品格式統(tǒng)一為XML格式文件。次千米級(jí)和次百米級(jí)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(lì)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(bào)產(chǎn)品。如提交特色示范產(chǎn)品，應(yīng)同時(shí)給出相應(yīng)檢驗(yàn)評(píng)估方法、實(shí)時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果和集成顯示建議等信息。

2.1.2 檢驗(yàn)規(guī)則

為了更加科學(xué)地評(píng)估示范計(jì)劃各模式、系統(tǒng)的分析和預(yù)報(bào)產(chǎn)品，需要開展相關(guān)的常規(guī)和非常規(guī)多維度檢驗(yàn)評(píng)估。目前，對(duì)于冬奧賽場(chǎng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，取每日11、17時(shí)（北京時(shí)）起報(bào)的張家口賽區(qū)、延慶賽區(qū)和北京賽區(qū)的共計(jì)29個(gè)冬奧站點(diǎn)預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，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(bào)核心點(diǎn)位，以及北京觀象臺(tái)、延慶站和河北張家口站。最長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效為未來10 d，計(jì)算時(shí)間間隔為1 h、3 h的整點(diǎn)量和統(tǒng)計(jì)量、逐日統(tǒng)計(jì)量，檢驗(yàn)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(jì)量。對(duì)于次千米級(jí)網(wǎng)格預(yù)報(bào)，檢驗(yàn)時(shí)段為24 h內(nèi)逐小時(shí)，檢驗(yàn)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(jì)量，檢驗(yàn)站點(diǎn)包括京津冀范圍內(nèi)現(xiàn)行網(wǎng)格預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)檢驗(yàn)站點(diǎn)和冬奧預(yù)報(bào)站點(diǎn)。對(duì)于次百米級(jí)短時(shí)臨近預(yù)報(bào)，檢驗(yàn)時(shí)段為6 h內(nèi)逐10 min，檢驗(yàn)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(jì)量，檢驗(yàn)站點(diǎn)包括延慶和張家口賽區(qū)范圍內(nèi)的冬奧預(yù)報(bào)站點(diǎn)，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的區(qū)域自動(dòng)站站點(diǎn)（國(guó)家級(jí)區(qū)域考核站）。上述檢驗(yàn)策略是：選擇距離站點(diǎn)最近的格點(diǎn)預(yù)報(bào)作為站點(diǎn)預(yù)報(bào)值，有多個(gè)距離相等的格點(diǎn)取東北角格點(diǎn)，將該站點(diǎn)預(yù)報(bào)值與站點(diǎn)實(shí)況對(duì)比進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)于檢驗(yàn)指標(biāo)來說，除了常規(guī)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，還引入多種時(shí)空多維度、多要素檢驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判。

2.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和示范平臺(tái)開發(fā)

鑒于參加示范計(jì)劃的單位和系統(tǒng)較多，各家模式和系統(tǒng)對(duì)冬奧高精度靜態(tài)數(shù)據(jù)、冬奧加密觀測(cè)和數(shù)值預(yù)報(bào)背景場(chǎng)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(bào)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(jì)劃的實(shí)施，需要設(shè)計(jì)完整的數(shù)據(jù)鏈路，并開展多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究及相關(guān)平臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

（1）數(shù)據(jù)保障組完成了示范計(jì)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(jì)、多源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)快速多路分發(fā)技術(shù)研發(fā)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)、數(shù)據(jù)共享方案設(shè)計(jì)開發(fā)等。2020年2月，制作完成示范計(jì)劃22家參與單位所需的6類36種數(shù)據(jù)資源的測(cè)試數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)量合計(jì)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(shí)，能夠公平、正確使用數(shù)據(jù)。同時(shí)，面向示范計(jì)劃的源數(shù)據(jù)需求特點(diǎn)，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(jì)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(jì)和集成顯示平臺(tái)的開發(fā)、測(cè)試，如：產(chǎn)品需求分析、產(chǎn)品類型設(shè)計(jì)開發(fā)、集成顯示方式設(shè)計(jì)、集成顯示平臺(tái)開發(fā)和測(cè)試等。按照面向支持冬奧實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的目標(biāo)，集成顯示平臺(tái)開發(fā)過程中充分與冬奧氣象預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)溝通，根據(jù)團(tuán)隊(duì)試用意見反復(fù)修改、完善。2020年10月，平臺(tái)測(cè)試版本內(nèi)部上線運(yùn)行；其后又對(duì)平臺(tái)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(shí)時(shí)處理及前端各類產(chǎn)品實(shí)時(shí)顯示的效率和穩(wěn)定性。2021年1月25日，示范計(jì)劃集成顯示平臺(tái)實(shí)現(xiàn)正式上線運(yùn)行（互聯(lián)網(wǎng)地址：smart2022-fdp.ium.cn）。平臺(tái)采用B/S架構(gòu)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了氣象部門內(nèi)外網(wǎng)同步方式運(yùn)行，內(nèi)容包括項(xiàng)目介紹、實(shí)況分析、格點(diǎn)預(yù)報(bào)、場(chǎng)館預(yù)報(bào)、檢驗(yàn)評(píng)估、數(shù)據(jù)監(jiān)控等六個(gè)版塊。

（3）檢驗(yàn)評(píng)估組完成了示范計(jì)劃多源產(chǎn)品的評(píng)估檢驗(yàn)技術(shù)研發(fā)和對(duì)比分析，如：實(shí)時(shí)檢驗(yàn)和后期檢驗(yàn)的對(duì)象選取、指標(biāo)設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)方法研發(fā)、檢驗(yàn)產(chǎn)品多維度交互顯示的設(shè)計(jì)開發(fā)，以及實(shí)現(xiàn)各類格點(diǎn)和站點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)檢驗(yàn)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(bào)示范計(jì)劃（SMART2022-FDP）技術(shù)保障方案》，成為指導(dǎo)示范計(jì)劃技術(shù)研發(fā)和運(yùn)行保障的重要文檔。示范計(jì)劃實(shí)時(shí)運(yùn)行的整體架構(gòu)流程以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流參見圖2。

圖2 示范計(jì)劃實(shí)時(shí)運(yùn)行的整體架構(gòu)流程以及實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)運(yùn)行測(cè)試和檢驗(yàn)評(píng)估

為配合支撐2021年“相約北京”冬季系列體育測(cè)試活動(dòng)氣象服務(wù)保障，在2021年2月1日—3月15日，示范計(jì)劃開展了第一次實(shí)時(shí)運(yùn)行測(cè)試（以下簡(jiǎn)稱第一次測(cè)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(cè)試活動(dòng)氣象服務(wù)保障的預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)試用，各參加示范的單位也可以通過示范計(jì)劃集成顯示平臺(tái)實(shí)時(shí)查看示范產(chǎn)品和實(shí)時(shí)檢驗(yàn)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(cè)試期間，基于中國(guó)氣象局的國(guó)家級(jí)“天擎”氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，為11家氣象部門內(nèi)部參與單位提供實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。22家示范計(jì)劃參與單位的各系統(tǒng)和技術(shù)方法均實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)運(yùn)行，示范產(chǎn)品分為賽場(chǎng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品、次公里級(jí)網(wǎng)格產(chǎn)品（100 m＜網(wǎng)格分辨率≤1 km）、次百米級(jí)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(jì)38類57項(xiàng)。其中，賽場(chǎng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)以氣象大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)訂正以及人工智能方法為主，次千米級(jí)網(wǎng)格產(chǎn)品以數(shù)值預(yù)報(bào)模式結(jié)合局地資料同化技術(shù)為主，次百米級(jí)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(jì)降尺度預(yù)報(bào)、人工智能等方法為主。

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

3.2 平臺(tái)運(yùn)行及產(chǎn)品應(yīng)用

實(shí)時(shí)監(jiān)控及信息統(tǒng)計(jì)顯示，第一次測(cè)試期間示范計(jì)劃集成顯示平臺(tái)（包括后臺(tái)多維度數(shù)據(jù)快速處理模塊）均實(shí)現(xiàn)了正常和穩(wěn)定運(yùn)行，各類實(shí)時(shí)示范產(chǎn)品被冬奧預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)廣泛使用，為2022年2月“相約北京”冬季系列體育測(cè)試活動(dòng)期間的氣象服務(wù)提供了有力支撐。集成顯示平臺(tái)可以在線調(diào)閱第一次測(cè)試期間的全部數(shù)據(jù)、產(chǎn)品和檢驗(yàn)結(jié)果。

3.3 示范產(chǎn)品的檢驗(yàn)評(píng)估

示范計(jì)劃的檢驗(yàn)評(píng)估以各參與單位數(shù)據(jù)產(chǎn)品在冬奧29個(gè)站點(diǎn)的檢驗(yàn)結(jié)果為主要依據(jù)，并開展以研究測(cè)試為目標(biāo)的格點(diǎn)檢驗(yàn)。本文重點(diǎn)介紹站點(diǎn)檢驗(yàn)的總體情況，更詳細(xì)的檢驗(yàn)可參見《智慧冬奧2022天氣預(yù)報(bào)示范計(jì)劃（SMART2022-FDP）第一次測(cè)試運(yùn)行期綜合評(píng)估報(bào)告》。

3.3.1 站點(diǎn)檢驗(yàn)方法

主要針對(duì)兩類站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)：1）專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，主要指針對(duì)冬奧站點(diǎn)，專門進(jìn)行的人工智能或統(tǒng)計(jì)建模得到的解釋應(yīng)用后處理產(chǎn)品；該檢驗(yàn)主要用于評(píng)估冬奧復(fù)雜地形下站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品性能以及人工智能等站點(diǎn)解釋應(yīng)用新技術(shù)方法的技巧；2）數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品，主要指根據(jù)示范計(jì)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(diǎn)輸出的數(shù)據(jù)，在冬奧站點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)插值處理后的產(chǎn)品；該檢驗(yàn)主要用于評(píng)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(bào)性能。

因參與單位的產(chǎn)品預(yù)報(bào)時(shí)效和時(shí)效間隔不同，結(jié)合冬奧賽事預(yù)報(bào)服務(wù)的重點(diǎn)關(guān)注時(shí)段以及精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)的需求，將本次測(cè)試活動(dòng)的檢驗(yàn)預(yù)報(bào)時(shí)效及檢驗(yàn)時(shí)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(bào)示范產(chǎn)品數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)都與上述時(shí)效及間隔的時(shí)間點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。根據(jù)示范產(chǎn)品和賽事關(guān)注情況，本次主要對(duì)近地面的風(fēng)、溫度、能見度、相對(duì)濕度以及地面降水的預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)指標(biāo)包括：綜合預(yù)報(bào)評(píng)分、均方根誤差、平均絕對(duì)誤差、TS評(píng)分、Bias評(píng)分等。檢驗(yàn)分為三個(gè)賽區(qū)29個(gè)站點(diǎn)的綜合平均檢驗(yàn)、三個(gè)賽區(qū)各自站點(diǎn)的平均檢驗(yàn)，也包括針對(duì)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(yàn)。另外，為研究分析各類產(chǎn)品對(duì)不同高度上溫度和風(fēng)的預(yù)報(bào)效果以及日變化特征等的預(yù)報(bào)情況，根據(jù)測(cè)站高度、測(cè)站環(huán)境以及賽事關(guān)注等，經(jīng)咨詢冬奧預(yù)報(bào)團(tuán)隊(duì)，也選取了如下的各賽區(qū)代表站進(jìn)行獨(dú)立站點(diǎn)的檢驗(yàn)：張家口賽區(qū)2站（云頂1號(hào)站、冬兩1號(hào)站）、延慶賽區(qū)3站（競(jìng)速1號(hào)站、競(jìng)速5號(hào)站、競(jìng)速8號(hào)站）、北京賽區(qū)2站（首鋼1號(hào)站、國(guó)家體育場(chǎng)站）。也開展了第一次測(cè)試期間的典型天氣個(gè)例的站點(diǎn)檢驗(yàn)評(píng)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(shí)際表現(xiàn)。下面針對(duì)本次檢驗(yàn)的主要結(jié)論進(jìn)行簡(jiǎn)述，各類詳細(xì)檢驗(yàn)指標(biāo)的定義以及詳細(xì)檢驗(yàn)結(jié)果可分別參考《智慧冬奧2022天氣預(yù)報(bào)示范計(jì)劃（SMART2022-FDP）技術(shù)保障方案》、《智慧冬奧2022天氣預(yù)報(bào)示范計(jì)劃（SMART2022-FDP）第一次測(cè)試運(yùn)行期綜合評(píng)估報(bào)告》。

3.3.2 站點(diǎn)檢驗(yàn)的主要結(jié)論

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

溫度的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)：從專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)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(bào)時(shí)效在2.34～6.22 ℃；預(yù)報(bào)效果在短時(shí)臨近至短期時(shí)段（0～72 h）相對(duì)較為穩(wěn)定，在中期時(shí)段（72～240 h）隨預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)而明顯下降。三個(gè)賽區(qū)隨時(shí)效的變化趨勢(shì)與賽區(qū)綜合的一致，但從整體預(yù)報(bào)效果來看，北京賽區(qū)檢驗(yàn)好于三個(gè)賽區(qū)綜合檢驗(yàn)，張家口賽區(qū)與賽區(qū)綜合接近，延慶賽區(qū)最差。除個(gè)別產(chǎn)品外，模式產(chǎn)品的預(yù)報(bào)效果整體上差于同時(shí)效的專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。另外，從氣溫的垂直預(yù)報(bào)效果來看，專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品和模式產(chǎn)品均反映出產(chǎn)品對(duì)高海拔站點(diǎn)的預(yù)報(bào)誤差大于低海拔站的特征。綜合來看，高海拔站的預(yù)報(bào)難度相對(duì)較大。

降水的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)：專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品在賽區(qū)綜合的平均降水（≥0.1mm）TS評(píng)分在0.02～0.35，預(yù)報(bào)效果隨時(shí)效延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。三個(gè)賽區(qū)隨時(shí)效的變化趨勢(shì)與賽區(qū)綜合基本一致；從整體預(yù)報(bào)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(bào)效果整體上略高于專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，表明對(duì)于冬季降水來說，目前的站點(diǎn)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(bào)準(zhǔn)確率的目標(biāo)。此外，Bias評(píng)分顯示，大多數(shù)專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品在0～24 h對(duì)降水存在漏報(bào)、在24～240 h對(duì)降水存在空?qǐng)?bào)現(xiàn)象；模式產(chǎn)品大多對(duì)降水存在空?qǐng)?bào)現(xiàn)象，且在不同時(shí)效及賽區(qū)的效果差異較大。

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

相對(duì)濕度的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)：從相對(duì)濕度的賽區(qū)綜合預(yù)報(bào)情況來看，專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品0～24 h預(yù)報(bào)平均絕對(duì)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(gè)別產(chǎn)品誤差明顯偏大。模式產(chǎn)品0～24 h預(yù)報(bào)MAE最小區(qū)間在10%～13%，24～72 h預(yù)報(bào)MAE最小約為13.9%，均略大于專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。無論是專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品還是模式產(chǎn)品，對(duì)三個(gè)賽區(qū)的預(yù)報(bào)趨勢(shì)相對(duì)一致，總體來看對(duì)張家口賽區(qū)和延慶賽區(qū)的預(yù)報(bào)誤差略小，而對(duì)北京賽區(qū)的預(yù)報(bào)誤差略偏大。專項(xiàng)站點(diǎn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品相對(duì)于原始模式產(chǎn)品來說，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有一定提升度。

4 結(jié)論

智慧冬奧2022天氣預(yù)報(bào)示范計(jì)劃是中國(guó)氣象局首次面向國(guó)內(nèi)從事數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和客觀預(yù)報(bào)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(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)示范競(jìng)賽。相比于當(dāng)前方興未艾的各種人工智能天氣預(yù)報(bào)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(shí)限提供復(fù)雜地形區(qū)的定時(shí)、定點(diǎn)、定量的氣象要素預(yù)報(bào)，遠(yuǎn)非針對(duì)歷史個(gè)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(jì)劃第一次測(cè)試運(yùn)行情況，給出以下初步結(jié)論。

本次檢驗(yàn)結(jié)果表明，高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式仍然是提升定時(shí)、定點(diǎn)、定量預(yù)報(bào)能力最不可或缺的核心技術(shù)，特別是對(duì)于地形復(fù)雜、觀測(cè)資料缺乏地區(qū)的冬季降水預(yù)報(bào)，目前的站點(diǎn)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(bào)相比，并無顯著優(yōu)勢(shì)。

本次檢驗(yàn)結(jié)果也指出，對(duì)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(jì)降尺度、人工智能建模、傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)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(bào)誤差，提高數(shù)值模式產(chǎn)品的末端預(yù)報(bào)性能。

在預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方面，對(duì)高頻次更新預(yù)報(bào)和高分辨率網(wǎng)格預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)技術(shù)存在明顯短板，缺乏公認(rèn)的檢驗(yàn)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(bào)業(yè)務(wù)的發(fā)展，這方面的研究亟待加強(qiáng)。

隨著高時(shí)空分辨率的客觀預(yù)報(bào)產(chǎn)品越來越多地提供給預(yù)報(bào)員使用，高效、便捷的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、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(shí)時(shí)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須考慮這些需求。