探秘亞運(yùn)賽場(chǎng)的氣象“黑科技”

李偉

亞運(yùn)場(chǎng)館內(nèi)配備的視頻智能氣象觀儀

大型體育賽事能否成功舉辦，與天氣狀況息息相關(guān)。亞運(yùn)會(huì)期間，各大運(yùn)動(dòng)賽事的場(chǎng)館分布廣、安全保障要求高，這對(duì)氣象保障提出了更高的要求。與此同時(shí)，由于戶外賽事受天氣因素影響大，對(duì)天氣的精密監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)預(yù)報(bào)和對(duì)賽事的精細(xì)服務(wù)成了亞運(yùn)會(huì)成功舉辦的重要因素之一。為此，氣象部門不斷打磨核心技術(shù)、優(yōu)化支撐系統(tǒng)，用豐碩成果為亞運(yùn)氣象保障服務(wù)提供最好的“科技”底氣。

“天臉識(shí)別系統(tǒng)”——亞運(yùn)賽場(chǎng)的“風(fēng)云守望者”

“智能”是最能體現(xiàn)杭州亞運(yùn)特色的理念，也最能展現(xiàn)亞運(yùn)氣象服務(wù)的獨(dú)特魅力，“天臉識(shí)別系統(tǒng)”就是體現(xiàn)杭州智能氣象服務(wù)的成果之一。

在地面氣象觀測(cè)中，常規(guī)的氣象要素已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)，但需要目測(cè)的項(xiàng)目，如云狀、云量、霜、露、雪等天氣現(xiàn)象還是要依靠人工觀測(cè)。然而，由于天氣系統(tǒng)瞬息萬(wàn)變，很難使用人工來(lái)實(shí)現(xiàn)高時(shí)空密度的連續(xù)觀測(cè)。為此，杭州市高技能人才創(chuàng)新工作室的領(lǐng)頭人胡德云及其團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了“天臉識(shí)別”項(xiàng)目算法的研究。他們?cè)谌珖?guó)各地采集了數(shù)百萬(wàn)張全天空?qǐng)D像和結(jié)冰、積雪、霧凇、雨凇等圖像。這些圖像經(jīng)人工分類標(biāo)注，最終篩選出十幾萬(wàn)張圖片作為訓(xùn)練集，利用百度科技和?？低旳I開(kāi)放平臺(tái)，用深度學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練了云狀、云量、結(jié)冰、積雪等AI識(shí)別模型，將智能識(shí)別算法融入攝像機(jī)內(nèi)嵌程序，使一臺(tái)普通的攝像機(jī)搖身一變，成了能看云識(shí)天的智能化設(shè)備。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)試驗(yàn)，其識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

全天空成像儀

“天臉識(shí)別系統(tǒng)”的秘密就藏在一個(gè)小小的攝像頭中，它又被稱作“全天空成像儀”，其功能就是一直對(duì)著天空，觀測(cè)云的分布。一天24小時(shí)，一年365天，全年無(wú)休。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一個(gè)小小的攝像頭，通過(guò)智能算法，可以實(shí)現(xiàn)白天全天空云量和云狀的持續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。攝像頭每5分鐘拍照一次，實(shí)時(shí)識(shí)別出云狀和云量，幫助氣象預(yù)報(bào)員判斷不同的天氣狀況。以某一氣象站為中心點(diǎn)，直徑15～20千米的天空都將覆蓋在這個(gè)攝像頭里。除了云狀和云量的觀測(cè)，全天空成像儀還能實(shí)時(shí)觀測(cè)大氣能見(jiàn)度的變化，當(dāng)大氣能見(jiàn)度低于一定程度時(shí)，能進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。

“天臉識(shí)別系統(tǒng)”并不是杭州亞運(yùn)氣象服務(wù)中唯一的智能元素，利用智慧城市建設(shè)中的智慧燈桿布設(shè)微型、低成本、易安裝、輕維護(hù)、便攜化的物聯(lián)網(wǎng)智能氣象站，共享全市監(jiān)控?cái)z像機(jī)視頻圖像來(lái)識(shí)別能見(jiàn)度、雨強(qiáng)、視程障礙現(xiàn)象等也是“智能亞運(yùn)”在氣象觀測(cè)上的探索。亞運(yùn)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合了最新的技術(shù)成果：新增的智能氣象觀測(cè)設(shè)備，布設(shè)基于人工智能視頻識(shí)別技術(shù)的“天臉識(shí)別系統(tǒng)”，借助智慧燈桿而搭建的氣象微站，使亞運(yùn)核心區(qū)形成了智能、立體的氣象泛在感知網(wǎng)，為亞運(yùn)會(huì)的順利舉辦保駕護(hù)航。

智慧燈桿上的氣象微站

暑熱壓力監(jiān)測(cè)儀

暑熱壓力監(jiān)測(cè)儀——馬術(shù)賽場(chǎng)上的“天氣智能管家”

在馬術(shù)比賽中，人和馬都是運(yùn)動(dòng)員，講究“人馬合一”。馬術(shù)比賽都在露天進(jìn)行，像馬這樣很有靈性的動(dòng)物，對(duì)天氣有較高的敏感性，因此比賽時(shí)的氣象條件對(duì)馬匹的競(jìng)技狀態(tài)影響很大。氣溫很重要，天氣太冷或太熱都會(huì)讓馬兒感覺(jué)不適，所以高溫或低溫天氣都會(huì)影響比賽成績(jī)。同樣，雨天對(duì)馬術(shù)比賽的影響也很大，雨天路滑，泥濘的場(chǎng)地及雨霧對(duì)騎手和馬匹的發(fā)揮都有影響，一不留神就可能人仰馬翻。

為此，浙江省的氣象部門專門組建了“亞運(yùn)馬術(shù)氣象服務(wù)小組”來(lái)保障亞運(yùn)馬術(shù)賽事的順利進(jìn)行。桐廬縣氣象部門提供了馬術(shù)場(chǎng)館區(qū)域近十年的氣象要素?cái)?shù)據(jù)資料，為馬術(shù)賽事的時(shí)間安排提供了科學(xué)的決策依據(jù)。2023年4月，浙江省的氣象部門還為馬術(shù)中心氣象站安裝了北斗應(yīng)急通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)傳輸“5G+北斗”雙保險(xiǎn)，在暴風(fēng)雨等極端天氣導(dǎo)致地面通信和移動(dòng)通信斷網(wǎng)的情況下，仍能有效保證氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，從而確保馬術(shù)賽場(chǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。同時(shí)，該氣象服務(wù)小組還將氣象數(shù)據(jù)接入桐廬馬術(shù)智慧場(chǎng)館管理系統(tǒng)，使場(chǎng)館內(nèi)的溫度、濕度、氣壓等氣象數(shù)據(jù)能夠被實(shí)時(shí)查看。亞運(yùn)會(huì)馬術(shù)比賽正值9月，如果遇到高溫天氣，那么馬匹還可能“中暑”?！榜R選手”實(shí)際感受到的暑熱壓力就依靠設(shè)置在越野賽道和馬廄的2套暑熱壓力監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行反饋。暑熱壓力指數(shù)（簡(jiǎn)稱WBGT指數(shù)）不僅反映高溫、日曬情況，而且反映了氣壓、濕度等對(duì)馬匹的影響。也就是說(shuō)，高溫+高濕+低氣壓=悶熱，才是馬匹最吃不消的天氣。這2套監(jiān)測(cè)儀是能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黑球溫度、氣溫、濕度、風(fēng)速、氣壓和輻射6個(gè)氣象要素的特種氣象觀測(cè)系統(tǒng)，能夠反映馬匹在太陽(yáng)下進(jìn)行比賽時(shí)所感受到的熱壓力。

在2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間，國(guó)際馬術(shù)聯(lián)合會(huì)按暑熱對(duì)馬匹的影響程度，對(duì)WBGT指數(shù)大小進(jìn)行了分級(jí)并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施（見(jiàn)下表）。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)WBGT指數(shù)大于28℃時(shí)，需要對(duì)馬匹采取適當(dāng)避暑措施；當(dāng)WBGT指數(shù)大于32℃時(shí)，天氣不利于馬匹進(jìn)行比賽，需要暫停比賽或?qū)Ρ荣悤r(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

2022年杭州亞運(yùn)會(huì)馬術(shù)比賽場(chǎng)館

亞運(yùn)賽事氣象智能系統(tǒng)——為賽事把脈“風(fēng)云”

為提升亞運(yùn)會(huì)氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)能力，浙江省氣象部門從2019年開(kāi)始，聯(lián)合集約各方力量，在數(shù)值預(yù)報(bào)模式、模式釋用、人工智能短臨預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)等方面開(kāi)展了全方位的技術(shù)研究和攻關(guān)，設(shè)立了“復(fù)雜地形下百米級(jí)地面要素快速分析”“分鐘級(jí)降水預(yù)報(bào)”“X波段雷達(dá)組網(wǎng)協(xié)同觀測(cè)”等20多項(xiàng)預(yù)報(bào)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，形成了全鏈條、無(wú)縫隙的精細(xì)化0～10天中短期和30天氣候預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)產(chǎn)品，部分產(chǎn)品達(dá)到“百米級(jí)”“分鐘級(jí)”的高時(shí)空分辨率。

除了自主研發(fā)外，浙江省的氣象部門還引進(jìn)了北京冬奧會(huì)的先進(jìn)預(yù)報(bào)技術(shù)成果，并進(jìn)行本地化應(yīng)用。北京冬奧會(huì)重要科技成果——“睿圖臨近數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)”和“睿思系統(tǒng)”在浙江的落地，填補(bǔ)了省級(jí)“百米級(jí)分辨率、分鐘級(jí)更新”實(shí)時(shí)分析和短臨預(yù)報(bào)產(chǎn)品的空白。

浙江省氣象臺(tái)還借鑒了中央氣象臺(tái)STNF技術(shù)，根據(jù)亞運(yùn)場(chǎng)館的信息和歷史實(shí)況，采用XGBoost等機(jī)器學(xué)習(xí)方法，綜合站點(diǎn)位置、海拔等地形信息和氣象要素，構(gòu)建了針對(duì)亞運(yùn)場(chǎng)館的高精度本地化預(yù)報(bào)模型，研發(fā)了亞運(yùn)場(chǎng)館精細(xì)化單點(diǎn)要素預(yù)報(bào)技術(shù)。經(jīng)檢驗(yàn)，亞運(yùn)比賽場(chǎng)館站點(diǎn)的氣象要素預(yù)報(bào)產(chǎn)品優(yōu)于浙江當(dāng)前的智能網(wǎng)格氣象預(yù)報(bào)體系。

針對(duì)亞運(yùn)會(huì)一些特定的賽區(qū)和項(xiàng)目，氣象臺(tái)還組織研發(fā)了若干新產(chǎn)品，例如：針對(duì)千島湖公開(kāi)水域游泳項(xiàng)目對(duì)水溫的高敏感性，杭州市氣象局聯(lián)合市水文局建立了表層水溫（0～100厘米）的水溫預(yù)報(bào)模型；針對(duì)沙灘排球的特殊需求，寧波市氣象局利用隨機(jī)森林模型等研發(fā)了沙溫預(yù)報(bào)產(chǎn)品；針對(duì)亞運(yùn)特定千島湖賽區(qū)、富春江賽區(qū)和亞帆賽開(kāi)發(fā)了精細(xì)化、網(wǎng)格化水面預(yù)報(bào)產(chǎn)品……這些新研發(fā)的技術(shù)產(chǎn)品為亞運(yùn)會(huì)特定項(xiàng)目的氣象服務(wù)保障奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2023年3月20日，亞運(yùn)會(huì)賽事智能氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)上線試運(yùn)行，在亞運(yùn)會(huì)和亞殘運(yùn)會(huì)籌辦、比賽期間，亞運(yùn)氣象臺(tái)和各個(gè)分賽區(qū)氣象臺(tái)將通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)開(kāi)展氣象保障服務(wù)產(chǎn)品的加工、集成和共享。亞運(yùn)會(huì)組委會(huì)等有關(guān)部門也將借助該系統(tǒng)開(kāi)展賽事的調(diào)度與指揮。

亞運(yùn)會(huì)賽事智能氣象預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)及其衍生的氣象服務(wù)產(chǎn)品對(duì)標(biāo)北京冬奧會(huì)，為亞運(yùn)賽事提供精密的氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和可靠的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)。這些產(chǎn)品在時(shí)間上將做到無(wú)縫隙，空間上達(dá)到場(chǎng)館、亞運(yùn)村全覆蓋，短臨產(chǎn)品最小時(shí)間分辨率可達(dá)到分鐘級(jí)，重要場(chǎng)館空間分辨率精確到百米級(jí)，可以為亞運(yùn)會(huì)火炬?zhèn)鬟f、開(kāi)閉幕式等重大活動(dòng)，以及競(jìng)賽場(chǎng)館、不同賽事提供全天候的氣象保障服務(wù)。目前，該系統(tǒng)已對(duì)接到亞運(yùn)賽事發(fā)布系統(tǒng)（INFO）、亞運(yùn)官方網(wǎng)站、亞運(yùn)總指揮平臺(tái)、智能亞運(yùn)一站通App、亞運(yùn)健康行App、亞運(yùn)在線和亞運(yùn)頻道等平臺(tái)，使氣象信息發(fā)布更廣泛、更精準(zhǔn)。

（杭州市氣象局麻碧華對(duì)本文有貢獻(xiàn)）