“三维、秒级、多要素”:冬奥气象监测网是如何打造的？

由于冬奥会雪上比赛项目都在室外进行，深受自然天气的影响，这在客观上决定了雪上赛事如速降、跳台滑雪、自由式滑雪空中技巧以及大回转等比赛，不得不“靠天吃饭”， 雪上项目比赛被推迟或者取消并不罕见。影响雪上赛事进行的恶劣天气主要有这样几个因素——大雪、大雨、强风、浓雾、低能见度。如2018韩国平昌奥运会，由于朝鲜半岛正处在西伯利亚冷高压外缘控制，极端低温和强风不仅严重制约着运动员的水平发挥，还对他们的装备造成了损害，滑雪板因低温产生弯曲变形，导致运动员每次滑完后都不得不丢弃。1998年日本长野冬奥会上的高山滑雪项目因大雪和大雨而中断，所有该项目比赛被迫连续推迟6天，虽然赛事最后得以继续，但不得不在闭幕前3天内密集安排4个高山滑雪项目。根据国际奥委会规定，在奥运会闭幕之前，某项赛事因为天气原因无法举行，该赛事将不会在闭幕后“补办”，以至于当时为保证男子大回转赛事进行，组委会动用了600多人连夜清除厚达2米的积雪。

太冷不行，太热更不行。2010年加拿大温哥华冬奥会和2014年俄罗斯索契冬奥会，运动员都曾因为气温过高而叫苦不迭。尤其2014年俄罗斯索契冬奥会被戏谑为“夏奥会”，当地最高气温创历史纪录，达到20℃，而当地2月历史平均气温仅为8.3℃，选手们难以适应因高温融化而变得松软的雪道表面，不仅动作失误频频，还受伤不断。

冬季冰雪体育运动与夏季运动会最大的不同就在于滑雪赛事。冬奥会和冬残奥会期间北京延庆赛区平均气温在-9.0℃～-1.1℃，平均风速为1.9～3.6米/秒，平均降水日数为4天。尽管整体相对适宜冬奥会雪上项目的举办，但相较于索契、平昌等冬奥举办城市，降雪较少，山顶瞬时风速较大，且在冬残会举办期间的3月，气温会出现明显回升，不利于雪场维护和比赛的正常开展。

在冬奥会的诸多冰雪运动中，高山滑雪被誉为“皇冠上的运动”，因为这一项目对场地山势、气候、降雪、水源等自然条件要求苛刻，也是体育项目中对气象条件要求最为苛刻的赛事之一。气温、风向、雪质等因素会影响滑雪选手的成绩乃至安全。具体来说，自由式空中技巧要求比赛时段内1分钟平均风速2千米。能见度过低影响运动员、裁判员的视线，影响比赛成绩；当气温降到零下20℃，雪面上容易形成带有非常锋利边缘的雪晶，当滑雪板与之产生滑动摩擦，就如同火烤滑雪板底部，对滑雪板产生毁灭性伤害。雪量决定赛事是否能够进行，雪温及雪质决定运动员所用滑雪板打蜡种类和用量。为确保比赛公平，不论选手出场秩序如何变化，雪道状态都是一样的，根据国际雪联对雪道硬度有严格要求，延庆赛区高山滑雪雪道表面必须时刻保持结晶冰状雪状态，因此雪的冻融循环、风、阳光照射等因素都要考虑。

       你是我的CT扫描仪，带你摸清“山地气象小脾气”

“莺啼妫畔杨柳飘，云压海坨山雪意高。”一年三季出现“海坨戴雪”的美景对于许多北京市民都不陌生。延庆赛区作为2022年北京冬奥会建设难度最大的赛区，届时高山滑雪、雪地雪橇雪车项目都将在小海坨山举行。高山滑雪赛道从出发至终点处垂直落差距离超过900米，地形复杂，具有明显的局地小气候特征，山脚烈日炎炎酷热难耐，山顶也许就是风雨大作冰雹落。当年小海坨山被确定作为延庆赛区高山滑雪和雪橇雪车赛场时，由于这座山的历史气象数据完全空白，预报员缺乏对这座山小气候“脾性”的了解，就如同医生接诊一名陌生病人，需要借助“拍片”，才能对病灶进行准确诊断。而对气象工作者来说，要深入了解这座山的气象状况，当务之急是构建适应冬奥会需求的立体、稠密的山地气候观测网，像CT一样“扫描”整座山的小气候，发掘天气“密码”。

北京市气象探测中心在北京获得2022年冬奥会举办权前一年便未雨绸缪，先后组织人员实地多次勘察小海坨山，根据探测设备及数据通信对建设场地环境要求，反复筛选对比，提前在整座山上勘测选址。山上本无路，走在前面的人手拿镰刀披荆斩棘开路，为后面的人打通道路。当北京获得冬奥申办权后，立即着手开始架设各种气象和环境要素观测仪器。由于当年无公路直达延庆境内小海坨山脚，为把土建砂石料和机具等建筑材料运到山上施工现场，不得不远行绕道河北赤城县境小海坨山脚，再卸货转运，通过承重能力强的骡子驮运上山。山间道路崎岖难行，勘测过程极为艰辛，每次上下山都要耗费5个小时。为节约时间，每次都是背着干粮上山，有时山路险峻，一边是峭壁危崖，一边就是深涧险壑。自此之后6年里，不论是三伏天中虫蛇密布的灌丛，还是三九天凌冽刺骨、狂风肆虐的山崖上，小海坨山里常出现这么一群为“观天”而登山的群体，他们经常能在一段登山途中“巧遇”烈日、狂风、暴雨和冰雹等多种天气现象的“眷顾”，最终形成在赛道周边站点间距小于300米的布局合理、功能全面可进行全天候现场监测网络，其中分布于高山滑雪赛道21套、雪车雪橇赛道3套。

早期建设的气象观测站点由于观测要素较少，只有风速、风向、气温、湿度、气压5个气象要素，难以满足冬季运动项目对气象服务的特殊需求，随着赛事临近及赛道基础建设愈加完善，各测站开始加装更多的气象传感器，补充完善气象要素观测，如增加了固态降水、雪深、雪温、能见度、大气及地面辐射等观测项目，开展了含有十几个气象要素的气象观测。同时还安装了视频监控系统，可随时抓取测站附近实时天气现象画面，以提供逐分钟的天气更新，为冬奥会精心提供及时、高效、精细的气象观测数据支撑。这些涵盖雪温、雪质、能见度和风等气象条件监测数据由北斗通信系统顺利上传给气象预报员，通过气象预报员的分析诊断得出结论，继而给教练员和运动员提供持续滚动的短期和短时临近气象预报。有了这些专业、贴身、精细的气象信息，对于指导训练和比赛、调整赛前准备工作、组织决策提供了强有力的保证。

               图1 骡子驮运自动气象站及搭建过程

       你是我的眼，带你捕捉中小尺度天气

从小海陀山顶俯瞰，国家高山滑雪中心7条赛道似7条巨龙，蜿蜒起伏在山林之中，山脚下的国家雪车雪橇中心在山林间若隐若现，险峻秀丽，风光无限。对气象工作者来说是个观云测天的绝佳场所。

以往影响北京的天气系统由西北和西南两个方向而来，对冰雹、龙卷、雷暴、局地暴雨等中小尺度天气系统的监测手段，只能依托地处北京东南五环亦庄的S波段（电磁波长约10厘米）雷达来监测、分析、判断这些灾害性天气系统的生成、移动、发展和消亡。但S波段天气雷达的布设不能像自动气象站那样无限加密，要考虑资金、雷达探测环境、区域人口密度、灾害性天气发生频率等诸多要素，对灾害天气的监测和预警远不能满足冬奥会运行的精细化要求。为此，北京市气象探测中心于2019年在小海坨山主峰平坦开阔的亚高山草甸新建了一部S波段天气雷达。在山顶建设雷达的过程中，气象工作者要面对最大的困难就是要时刻与恶劣环境作斗争：山顶天气变化无常，一年只有冬夏两个季节，夏天山顶紫外线强烈，冬天气温最低可至零下40℃，突如其来的大雪，一年四季都是七、八级左右（最大可达到十二级）呼啸的北风令人顿生寒意，大风裹着石屑打在脸上，就像刀割一样，以至于施工时把有些工人吓跑了。但是气象工作者坚持了下来，并最终在北京地区构建成双S波段雷达“南北双骄”探测网，实现了覆盖北京地区（特别是城区）的对强对流天气探测的无缝衔接，对系统地捕捉局地中小尺度天气，提高强对流天气预报及预警具有重要意义。

     图2 小海坨S波段雷达建设现场

不仅有S波段雷达，同时在小海坨山的西南方位的河北怀来和东南方位的延庆城区各多了一个固态双偏振X波段雷达（电磁波长约3厘米）“小伙伴”，并通过与车载移动X波段雷达和云雨雷达、激光测风雷达的补充，在延庆赛区形成了相对完善的多波段密集雷达监测网。相当于在赛区上游关键天气区增添了一只只“千里眼”，可实时捕捉远近距离、高低空域气象雷达回波演变，能有效解决北京西北部地区存在的雷达探测盲区问题，增强了冬季山地中小尺度天气系统的捕捉能力。

      你是我的腿，带你安全亲临赛场

为保障冬奥期间观众安全出行，北京市气象探测中心在城区通往延庆赛区八达岭高速沿线新建了交通气象观测站7套，可实时监测道路气象实况，包括气温、湿度、路温、风速、风向、雨量、道面状况、能见度、天气现象、雾霾等实况信息，提高了冬奥期间交通出行的气象服务保障能力。

       图3 位于八达岭高速营城子桥路段旁交通自动气象站

围绕参赛队伍和公众观赛强烈急需的气象服务需求，北京市气象探测中心通过对冬奥延庆赛区的多尺度、多维度、多视角融合立体加密综合观测气象保障，为冬奥山地赛区及周边山谷提供时间上无缝隙、空间上全覆盖、赛场时间上精确到秒级、空间上精确到百米级的气象监测和预警，为赛事训练比赛和比赛决策提供了强有力支撑。

                作者:丁张巍   改写:王奉安   编辑:罗聪