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把握山區(qū)大氣運(yùn)動(dòng)，精準(zhǔn)賽區(qū)天氣預(yù)報(bào)的科技支撐

提高時(shí)空分辨率只是提升數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的一個(gè)方面，把握大氣運(yùn)動(dòng)的物理規(guī)律才是核心要點(diǎn)。越準(zhǔn)確地把握這些規(guī)律，模擬的大氣運(yùn)動(dòng)與實(shí)際大氣運(yùn)動(dòng)越接近，才能提升對(duì)未來(lái)天氣變化的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。

而在冬奧賽區(qū)高低起伏的山地地形中，大氣運(yùn)動(dòng)的物理規(guī)律尤為復(fù)雜。因此，多個(gè)氣象科研單位從申奧之初就圍繞賽區(qū)持續(xù)進(jìn)行氣象科研工作。

天氣預(yù)報(bào)中重要的物理過(guò)程（圖片來(lái)源：Baueretal.,2015）

風(fēng)向與風(fēng)速是賽道預(yù)報(bào)的關(guān)鍵氣象要素之一。但是高低起伏的山地不僅能夠直接改變近地面氣流的方向和流速，而且不同的山地下墊面由于物理性質(zhì)不同，對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收也不同，此外，還能夠改變局地地表溫度的分布從而間接影響局地的大氣運(yùn)動(dòng)。

數(shù)值模式中山地地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響（圖片來(lái)源：Xieetal.2020）

為此，研究人員對(duì)河北張家口-北京延慶一帶的冬季山谷風(fēng)進(jìn)行了研究。他們根據(jù)風(fēng)的持續(xù)日變化特征進(jìn)行分類(lèi)，得到了10種不同的山谷風(fēng)類(lèi)別，進(jìn)而得出了冬奧賽區(qū)不同局地地形對(duì)風(fēng)向、風(fēng)速影響的一般規(guī)律。這些結(jié)論為賽區(qū)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)打下了良好的基礎(chǔ)。

河北張家口-北京延慶一帶不同地形的冬季山谷風(fēng)特征（圖片來(lái)源：賈春暉等人，2019）

溫度是賽區(qū)預(yù)報(bào)的另一關(guān)鍵氣象要素，而山地的特殊地貌特征往往會(huì)形成一些特殊的山地天氣現(xiàn)象，從而對(duì)局地溫度造成顯著影響，比如在高低起伏的山地中形成的“冷湖”。大氣是一種特殊的流體，大氣中的冷湖就是溫度較低的氣團(tuán)聚集在了某一個(gè)地方。

持續(xù)性的冷湖不僅會(huì)對(duì)局地溫度造成影響，并且往往伴隨著空氣質(zhì)量和能見(jiàn)度的下降。2021年初，在北京崇禮賽區(qū)測(cè)試賽期間就出現(xiàn)過(guò)一次間歇性冷湖過(guò)程。為了更準(zhǔn)確地對(duì)山區(qū)溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)，研究人員使用高精度的數(shù)值模式對(duì)冷湖的形成和消散過(guò)程進(jìn)行了模擬和研究。

這次冷湖形成的主要原因，是由于晴朗夜間地勢(shì)較高處近地表的空氣變冷，冷空氣在重力作用下向地勢(shì)較低處流瀉，聚集在山谷和盆地中；在日出后，隨著山谷地表加熱的增強(qiáng)，山谷中的湍流活動(dòng)快速發(fā)展從而破壞了冷湖的結(jié)構(gòu)，冷湖隨之消散。研究人員對(duì)冷湖形成和消散的研究結(jié)果有助于提升山地溫度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

山地冷湖形成和消散示意圖（圖片來(lái)源：王雨斐等人，2022）

在這些研究的基礎(chǔ)上，不同的研究機(jī)構(gòu)還結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)、多模式集成等技術(shù)，發(fā)展了針對(duì)不同賽區(qū)、甚至是賽道上不同地點(diǎn)的氣象要素的高實(shí)效預(yù)報(bào)模型。在冬奧會(huì)前不斷地根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模式預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)，為精準(zhǔn)氣象服務(wù)保障提供了有力的科技支撐。

中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所參與了崇禮賽區(qū)的觀測(cè)站氣象要素預(yù)報(bào)。該圖為的地形高度圖，圓形為不同賽道上的觀測(cè)站，文字為站名，背景填色表示地形高度。（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所）

精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)，冬奧之后還有用嗎？

有了冬奧氣象保障工作團(tuán)隊(duì)提供的嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的服務(wù)工作，高山滑雪的運(yùn)動(dòng)員們才能夠放心地“沖就完了”，才能讓我們欣賞到這場(chǎng)驚險(xiǎn)刺激的比賽盛會(huì)。

在提升與精進(jìn)服務(wù)于賽區(qū)的天氣預(yù)報(bào)技術(shù)時(shí)，我們也深入攻克了目前全世界在山地氣象預(yù)報(bào)服務(wù)中的技術(shù)難題，在冬奧賽中“煉”出的經(jīng)驗(yàn)，未來(lái)也將融入到日常天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，進(jìn)而更好地服務(wù)于百姓的生活。

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