北京冬奥会气象科技系列报道⑤分毫之间精准“解剖”天气
| 所在地区： | 北京-延庆- | 发布日期： | 2022年3月28日 |
建设快讯正文
在北京冬奥会和冬残奥会的赛场上，奥运健儿不断向人类竞技极限发起新的冲击和挑战。
在另一个“赛场”，每一阵风吹起、每一场雪落下、每一次气温转折，中国气象局气象探测中心垂直观测技术创新团队也在冲击气象观测领域新高度——垂直温、湿、云廓线融合解剖术。
如何对天气进行立体精准“解剖”
冬奥赛场上，一场雪可能即将到来，那么气象服务保障人员面前会摆着这样一份多重难度的题目——
首先是降水相态预报——相比降雨预报，降雪预报复杂太多了！在垂直高度达几千米的大气层面，气温的分布并非均匀。在不同的高度层、不同的温湿状态下，降水粒子的形态拥有多种多样的变化，降水相态也会发生非常复杂的转变。
其次是山地地形——海拔每升高100米，气象环境就有很大差别。翻过一道山梁，又是另一番光景。
当然还有更高的要求——奥运赛场上输赢常在分毫之间，比如雪上项目易受天气影响，特别是像高山滑雪项目等对天气预报的要求更加严苛。北京冬奥气象预报目标水平是“百米级、分钟级”，这需要在最前端提供更加精细的天气信息，而云粒子相态作为主要的云微物理参数，其分布和演化过程能够精细刻画天气的演变过程。
这时候，手握如手术刀一般精准的垂直温、湿、云廓线融合解剖术便从容许多。与地面气象观测站观测地面空气的温度、湿度等要素类似，天气监测也同样需要实时观测地面至高空垂直大气不同高度处的温度、湿度及云层等要素。不同设备根据其观测原理不同，可得到不同的观测要素，比如微波辐射计可实现垂直大气的温度、湿度廓线观测，毫米波云雷达可实现云的垂直剖面观测。融合解剖就是对同一个对象的不同要素特性进行多方位解析。
现在回到开头的那道难题，有了这项技术，可实现云粒子相态分类。当从云粒子相态时序图中观测到垂直上空有较深厚的过冷云层，并且上方识别有雪花粒子相态存在时，结合垂直温度廓线和天气形势，可提前分析得知降雪过程信息，从而根据天气情况重新安排比赛项目开始的时间，保障对天气要求苛刻的比赛顺利进行。
解剖天气“利器”由什么锻造而成
一把让人惊艳的“利器”，必然不是轻易锻造而成的。
要“解剖”天气是非常困难的。每一个气象要素都是天气系统在某一方面的特征反映，如果想对天气系统进行更为全面细致的解剖，往往需要将多个气象要素进行融合分析。
垂直温、湿、云廓线融合解剖术就是将云雷达和微波辐射计进行同址观测，充分利用多波段气象观测设备对天气系统进行不同方面的特征描述，实现更为精细的观测。
例如，就冬奥服务保障中对降水的观测需求而言，需要知道云粒子相态信息，而云粒子相态与云雷达输出云廓线的回波强度、径向速度、速度谱宽这些雷达产品相关，同时还与高空大气的温度和湿度有密切关系。多个气象要素进行数据融合才能够精细区分降水粒子相态，进而满足对降雪的观测需求。
在这背后，中国气象局气象探测中心垂直观测技术创新团队，通过重点攻关温、湿廓线和云关键技术，为新型观测设备业务化应用奠定基础。同时，研发出大气垂直廓线综合质控和融合算法，形成高质量“5条廓线”数据产品，由此才打造出该技术。
中国气象局气象探测中心高级工程师胡树贞介绍，在冬奥气象服务保障中，该技术更为精细地刻画了高影响天气垂直大气实况信息，提供分钟级观测数据。例如，在2月13日北京降雪天气过程中，从0时起，延庆微波辐射计就观测到近地层大气湿度开始增加。同时，伴随温度下降，2000米以下转为弱暖平流，暖空气由低层向高层输送，水汽冷却凝结，同一时刻毫米波云雷达观测到云层，高度逐渐降低，垂直温、湿、云廓线融合云粒子相态产品显示云层中下部云粒子相态主要为雪花，为降雪过程监测服务提供了有力的决策服务支撑。
当奥运盛会落幕，气象人员对该技术的探索依然在路上。实际上，云粒子相态作为主要的云微物理参数之一，获取其分布和演化过程对于定量降水预报、城市精细化服务等具有十分重要的意义。未来，该技术团队将收集整理更多样本对算法进行优化验证，进一步提高云粒子相态识别精度。
（作者：赵晓妮 责任编辑：张林）
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