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把握山區(qū)大氣運動，精準賽區(qū)天氣預(yù)報的科技支撐

提高時空分辨率只是提升數(shù)值天氣預(yù)報準確率的一個方面，把握大氣運動的物理規(guī)律才是核心要點。越準確地把握這些規(guī)律，模擬的大氣運動與實際大氣運動越接近，才能提升對未來天氣變化的預(yù)報準確性。

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

天氣預(yù)報中重要的物理過程（圖片來源：Baueretal.,2015）

風向與風速是賽道預(yù)報的關(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，對太陽輻射的吸收也不同，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動。

數(shù)值模式中山地地形對風場的影響（圖片來源：Xieetal.2020）

為此，研究人員對河北張家口-北京延慶一帶的冬季山谷風進行了研究。他們根據(jù)風的持續(xù)日變化特征進行分類，得到了10種不同的山谷風類別，進而得出了冬奧賽區(qū)不同局地地形對風向、風速影響的一般規(guī)律。這些結(jié)論為賽區(qū)風場的數(shù)值模擬和預(yù)報打下了良好的基礎(chǔ)。

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

溫度是賽區(qū)預(yù)報的另一關(guān)鍵氣象要素，而山地的特殊地貌特征往往會形成一些特殊的山地天氣現(xiàn)象，從而對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聚集在了某一個地方。

持續(xù)性的冷湖不僅會對局地溫度造成影響，并且往往伴隨著空氣質(zhì)量和能見度的下降。2021年初，在北京崇禮賽區(qū)測試賽期間就出現(xiàn)過一次間歇性冷湖過程。為了更準確地對山區(qū)溫度進行預(yù)報，研究人員使用高精度的數(shù)值模式對冷湖的形成和消散過程進行了模擬和研究。

這次冷湖形成的主要原因，是由于晴朗夜間地勢較高處近地表的空氣變冷，冷空氣在重力作用下向地勢較低處流瀉，聚集在山谷和盆地中；在日出后，隨著山谷地表加熱的增強，山谷中的湍流活動快速發(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)報的準確率。

山地冷湖形成和消散示意圖（圖片來源：王雨斐等人，2022）

在這些研究的基礎(chǔ)上，不同的研究機構(gòu)還結(jié)合了機器學(xué)習(xí)、多模式集成等技術(shù)，發(fā)展了針對不同賽區(qū)、甚至是賽道上不同地點的氣象要素的高實效預(yù)報模型。在冬奧會前不斷地根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)對模式預(yù)報結(jié)果進行評估和改進，為精準氣象服務(wù)保障提供了有力的科技支撐。

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

精準天氣預(yù)報，冬奧之后還有用嗎？

有了冬奧氣象保障工作團隊提供的嚴謹細致的服務(wù)工作，高山滑雪的運動員們才能夠放心地“沖就完了”，才能讓我們欣賞到這場驚險刺激的比賽盛會。

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

參考文獻：

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[2] 賈春暉, 竇晶晶, 苗世光, 等. 2019. 延慶—張家口地區(qū)復(fù)雜地形冬季山谷風特征分析 [J]. 氣象學(xué)報, 77(3): 475?488.　

[3] 王雨斐, 李國平, 王宗敏,等. 冬奧崇禮賽區(qū)一次冷湖過程形成及消散的數(shù)值模擬研究[J]. 大氣科學(xué), 2022, 46(1):1-19.

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[5].Xie, J., Zhang, M., Xie, Z., Liu, H., Chai, Z., He, J. X., & Zhang, H. (2020). An orographic drag parametrization scheme including orographic anisotropy for all flow directions. Journal of Advances in Modeling Earth Systems.

[6] https://topics.gmw.cn/2021-10/22/content_35275836.htm

[7]https://sports.cctv.com/2020/04/17/ARTI7CxuCMPzylLP1n8ME9aB200417.shtml

[8]https://new.qq.com/omn/20211208/20211208A02QGJ00.html