2023 年 9 月 15 日，科普中國 · 星空講壇以 " 邁向高水平科技自立自強 " 爲主題，邀請 5 位來自超導技術、海洋資源、航天科技、氣象預測、水利水電領域的專家，圍繞中國最具代表性的、切實造福百姓的五大科學與技術，聚焦" 富民強國‘強’什麽 "，帶領公衆感受我國科技、科研工作背後的精神和魅力。
北京城市氣象研究院研究員陳明軒教授帶來演講：《面臨 " 靠天吃飯 " 帶來的重重挑戰》。
以下是陳明軒的演講節選：
" 7 月 28 日的成都天氣真的開挂了，藍天白雲迎接大運會開幕！" 這是今年的一條微博熱搜。
爲什麽大家會對此震撼呢？
開幕前天氣的确不好，當時正值我國 " 七下八上 " 防汛關鍵期，大家知道短時強降水、雷暴大風、高溫等高影響天氣多發頻發。
其實成都和北京等其他地方也一樣，在地形極爲複雜的西南地區，高影響天氣規律更爲複雜，需要更加精準精細的預報服務，否則将嚴重影響比賽舉辦和觀賽體驗。
重大活動的氣象服務保障與精準氣象預報服務，有兩種：
第一種就是以固定的時間來安排，比如建黨一百周年相關慶祝活動，應盡可能安排在 7 月 1 日當天，隻不過需要根據精準氣象預報，盡量把活動安排在天氣對它影響比較小或者是沒有影響的時間段或者是地點。
例如，建黨一百周年慶祝活動原計劃活動是上午九點開始，後來因爲天氣原因提前到早上八點，正好錯開陣雨天氣對它的影響最大的那個時段。
另一種非固定時間，給一個時間段，由舉辦地來根據當地天氣氣候特點來選具體的這樣一個時間。
2008 年北京夏季奧運會，比賽日期計劃定在 2008 年 7 月 25 日至 8 月 10 日之間。在我們國家獲得舉辦權之後，中國氣象局建議：考慮到北京夏季天氣的具體情況，将開幕式的時間定在了 8 月 8 日。
大家知道 7 月天氣悶熱潮濕，而且 7 月下旬到 8 月上旬是北京地區的主汛期，發生大雨、大風、高溫悶熱等災害性天氣的頻率較高。在節氣上，8 月 8 日前後是立秋，天氣逐漸涼爽，舉辦夏季奧運會最爲合适和季節。
總之，不管固定還是非固定時間，都需要依靠精準天氣預報。
如何制作精準天氣預報？
制作天氣預報，先通過各種監測信息了解到當前天氣的現狀，然後應用我們的數值天氣預報等客觀産品，結合預報員的主觀經驗做出未來幾十分鍾，甚至于一年的氣候預測。
新型氣象業務體系架構圖，演講者供圖
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氣象監測
這點主要靠地面自動氣象站等監測設備還有天氣雷達、空中風雲氣象衛星等等。目前我國已經形成了全天候的地基、空基、天基立體多要素監測網絡，爲氣象高質量發展打下了堅實基礎。
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預報員的經驗
大家知道《三國演義》裏面，諸葛亮巧借東風的故事，其實就是諸葛亮充分利用赤壁一帶先人經驗制作的一次精準預報。
按照現代天氣學解釋，就是冬季大陸高壓經過赤壁地區時，赤壁地區受其影響，晚上大霧，白天晴好。當此高壓移到赤壁地區以東時候，赤壁地區在其影響下，盛行東南風。東風也就 " 借 " 來了。
這也說明預報的經驗對于預報非常重要，也是凸顯了預報員的重要性。
即使在現在，預報員不僅要看各類客觀預報産品，還要分析不同預報産品的差異，通過綜合研判制作比較精細精準的預報，可以說現在天氣預報經驗的信息量非常大，需要不斷的去總結、去提煉，然後凝練出最爲精準、精确的天氣預報信息。
數值天氣預報産品
數值天氣預報是現代氣象學最爲革命的技術。根據物理學原理，也就是大氣動力學，建立描述天氣演變過程的方程組，或者數學模型，輸入大氣觀測資料，用我們的高性能電子計算機作數值求解，來預測未來天氣的演變。
2001 年開始，中國氣象局聯合多家單位，自主研究并初步建立了新一代多尺度通用資料同化和數值天氣預報系統，英文叫 GRAPES，中文的意思就是葡萄。我們當時希望葡萄能釀成美酒，支持我們國家的天氣預報的發展。
GRAPES 數值天氣預報模式，演講者供圖
在 2021 年，20 年後的 9 月 30 日中國氣象局成立了地球系統數值預報中心，目前我國已經基本建成空間網格達到 12.5 公裏的全球數值天氣預報模式和四維變分同化系統，并構建了從全球到區域的，一體化的數值預報的業務體系。
當前，我們國家天氣預報跟發達國家還存在一定的差距，但是我們已經在迎頭追趕，相信未來我們會越來越好，達到更高水平。
冬奧會的氣象服務之難
2022 年北京冬奧會氣象服務，需要做到 " 百米級、分鍾級 " 天氣預報，這就遠遠超出國際最先進數值天氣預報技術所能達到的能力。
演講者供圖
衆所周知，冬奧會大約有 70% 的項目都是雪上項目，而且都在室外地形比較複雜的山區舉辦，氣象條件非常複雜。很多朋友可能去過山區，大家也有很多驢友，喜歡在山區露營，那麽可以說山腳、山腰、山頂的這個風、溫度，可以說是千差萬别，真正的 " 百米不同天 "。
戶外賽事裏，天氣變化生死攸關
大家熟知的高山滑雪、高山滑降項目，項目雖然精彩，我們很多人喜歡看，但是運動員從山頂滑到山腳，最快的速度可以達到 140 公裏每小時，風速風向稍有變化，都會對運動員下滑過程中身體姿态、平衡等都會産生巨大影響，不僅關乎到比賽成績，甚至關乎到運動員的生命安全。
高山項目當中，陣風超過 8 級就必須無條件終止；跳台滑雪比賽，運動員飛行過程中空中姿态控制和人身安全也跟不同高度風速風向有很大關系。風力過大，會影響運動員空中飛行姿态、着陸動作和比賽成績，甚至會對運動員安全造成威脅。跳台滑雪的陣風風速一般不能超過 4 米每秒。
再比如 " 冬季兩項 "，是一項集越野滑雪和射擊于一身的比賽，該項目主要關注的是溫度和雪溫：溫度一旦低于零下 20 度，運動員在戶外超過半個小時，裸露的皮膚就有凍傷風險。所以，溫度若低于零下 20 度，比賽就要叫停；如果低于零下 15 度，那麽就由國際仲裁委員會商定比賽是否要進行調整，或者推遲。
可見，氣象條件不僅事關比賽成績，還關乎運動員的安全。而且，每個項目對于氣象條件的關注點也有區别。必須針對不同場次和項目，提供所謂的 " 一場一策 " 甚至 " 一項一策 " 的這樣一個精細，精準的氣象預報服務，極具挑戰性。
北京冬奧會的難題
本來冬奧預報技術就很難，在承辦之初還遇到了一個更大的難題：就是我們幾乎沒有預報經驗可以借鑒！因爲北京的氣候條件相對比較特殊，北京冬奧會是近 20 年内唯一一次在大陸性冬季風主導的氣候條件下在内陸地區舉辦的冬奧會，過去幾屆冬奧會的舉辦幾乎都在沿海舉辦。
近幾屆冬奧會舉辦地，演講者供圖
山地小尺度的風和溫度的精密監測和精準預報究竟如何做，在國際上都是尚未解決的一些難題。沒有成熟的、适用于北京冬奧會的可移植技術經驗和方案供我們借鑒，特别是一些雪上比賽場館，沒有任何氣象觀測和相應的設施，一切都要從零開始。
此前，我們國家在冬季雪上項目氣象條件高分辨率監測、預報、服務技術等方面技術研究和經驗很少，在很多方面甚至都是空白，這無疑給我們帶來了更大的挑戰。
何以克服冬奧預報大考？
面對這一世界性的預報難題，氣象部門知難而進，建設成了" 三維、秒級、多要素 " 氣象觀測監測體系，開展了一系列的加密觀測試驗研究，來幫我賽場演變規律。
獲取觀測數據，建立氣象觀測體系。
克服賽場，特别是山地賽場 " 無路、無電、無通訊 " 等困難，在北京及周邊新建和改造各類探測設施 140 多套，開展 " 三維、秒級、多要素 " 立體靶向協同天氣監測和冬季中、小、微尺度三維氣象觀測試驗以及數據分析研究，首次實現賽道 " 秒級風 " 監測。
整座大山中，都有了我們的 " 氣象哨兵 "。當風吹起來的時候，雪花飄落，無論什麽氣象要素，在任何時間有任何動向，都逃不過氣象觀測設施的 " 火眼金睛 "。
研發實時大渦數值預報系統—睿思 - 細（RMAPS-RISE-Thin）
基于觀測體系各類數據支撐
我們利用人工智能等現代技術，結合最新研發的高精度數值天氣預報模式，以及包括人工智能在内的多項客觀算法，首次實現了 " 百米級、分鍾級 " 天氣預報。
" 百米級 " 預報産品在冬奧會現場服務平台實時顯示
" 百米級 " 是一個空間概念，" 分鍾級 " 是一個時間概念。可以這樣比喻，就像地球上的經緯網格一樣，對于比如說我們冬奧的延慶賽區、張家口賽區以及北京賽區這些在氣象預報中尺度非常小的區域，我們要将其時空分解成 100 米 × 100 米的網格，将時間預報更新頻次做到 10 分鍾做一次 0～24 小時的預報，10 分鍾做一次 0～24 小時的預報，就是 10 分鍾更新一次預報，也就是說，在空間上，每隔 100 米甚至更細，就有一個預報數據；在時間上，每隔 10 分鍾，就能更新一組預報。
提前三天的氣象預測，演講者供圖
就像這張圖一樣，整個賽區都被劃分成了細小的網格，每個網格點都有氣象要素的預報。做個對比，才能讓大家看到我們走出多遠：其實，往屆冬奧會的客觀氣象預報基本都是停留在千米，就是一公裏網格尺度，時間更新頻率爲半小時至 1 小時。而我們做到了 10 分鍾更新一次 100 米網格的尺度，所以說北京冬奧會在冬奧曆史上首次實現了 " 百米級、分鍾級 " 天氣預報。
這裏可能有人要問，爲什麽我們不使用傳統的數值預報技術，這是因爲當前數值預報技術，隻能做到公裏尺度，它的很多物理參數化方案存在很多不确定性，這也是一個世界難題。
我們需要在原有的數值預報的基礎上，來做到百米級，分中級的天氣預報。鑒于此，氣象人加大科學試驗、積極探索利用人工智能方法，結合數值模拟，開展相關研究和建模。
經過近 4 年的攻關，我們構建了冬奧氣象 " 百米級、分鍾級 " 預報技術體系，填補了國内多項預報技術空白，核心技術完全自主可控。
演講者供圖
另外，往屆冬奧會對天氣預報的時長一般爲 5 天，而北京冬奧會，按照冬奧組委的要求我們需要做到未來 10 天的預報，所以就是難上加難。爲了實現如此長時效的複雜山地精準天氣預報，我們首次嘗試将大渦數值模拟這一先進技術應用于冬奧氣象預報，實現了 67 米網格的大渦數值預報，做到了每日可以更新兩次，每次做未來一天到 10 天的預報，将 1～10 天預報也做到了 " 百米級 "，爲預報員提前正确研判賽區天氣提供了重要參考。
正是得益于 " 百米級、分鍾級 " 預報技術體系的支撐，我們冬奧氣象服務經曆了一次次大考。
" 百米級、分鍾級 " 氣象預報技術以及人工智能氣象預報技術首次在國際冬奧氣象保障中獲得高效集成應用，推動了新技術應用和我國山地條件下精準預報能力不足問題的解決，促進了我國山地氣象學的研究進展。我們的國家重點專項項目也已納入世界氣象組織示範項目，可爲國際高影響天氣，高精度預報技術研發和應用奉獻我們國家經驗。
結語
全球氣候變暖背景條件下，多地天氣氣候變化的特征超出了 " 常規 "，也印證了 " 天有不測風雲 "。
未來，我們可能面臨各種各樣的極端天氣挑戰，也要迎接空間精細到十米級、米級，甚至時間精準到幾分鍾、幾十秒的 " 窗口期 " 的預報，唯有加強基礎研究、加大科學試驗力度、用好數值預報模式和人工智能技術，實現 " 雙輪 " 驅動，一定能吃好 " 靠天 " 這碗飯。
每一次天氣過程、每一項重大活動或者是重大工程的保障都是對氣象人的大考，每一場大考，我們無所畏懼，勇敢向前。遇到問題就處理問題，遇到困難就解決困難，把每一天的氣象服務做精做細。可以說精準氣象預報，永遠在路上，謝謝大家。
策劃制作
責編丨林林
點亮 " 在看 "
想起某個一開演唱會，就下雨的歌星
