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北京自主研发城市微尺度气象快速分析和预报系统面向大城市需求预报服务更精更准

花匠小妙招
2024-11-07 21:17

　　工欲善其事，必先利其器。近些年，大城市气象保障服务的需求内涵扩展、要求更高。而更精更准的预报服务，需要解决模式分辨率、准确率和时效性不足等问题，不断推进监测预报技术研究。

　　为满足大城市精细化气象保障服务需求，北京城市气象研究院（以下简称“北京城市院”）自主研发城市微尺度气象快速分析和预报系统（以下简称“URBAN”），面向10平方公里范围内城市关键区域，提供10米级水平分辨率、逐10分钟更新的近地面风、气温、湿度、人体舒适度实况分析和预报产品，实现了预报服务更精更准，为城市气象服务质量提升、城市运行安全提供重要保障。

　　萌发，在重大活动保障中起步

　　URBAN的研发始于重大活动气象保障服务。

　　2019年，研发团队负责人、北京城市院副研究员严超主导研发了微尺度风场快速诊断模型，提供逐10分钟更新、10米级分辨率的天安门地区三维风场分析和预报，成功应用于阅兵式气象保障服务。

　　2020年1月，北京城市院启动北京市科技计划“重大活动场所10米级分辨率风温场监测预报技术研究”，将2019年研发的风场诊断模型与辐射、热力模块进行耦合，实现对气温、湿度、风等主要气象要素的快速模拟，并同步推进人体舒适度模块的开发及城市微环境体感监测系统的研制等工作。

　　次年，研发团队利用URBAN基于天安门地区天气实况对人体舒适度情况进行高分辨率模拟，圆满完成气象保障任务。

　　其后，URBAN还为北京冬奥会、成都大运会等重大活动提供了精细化气象服务产品。以成都大运会赛事场馆气象保障为例，该成果各要素预报准确率比传统指导产品高12%。

　　“与传统的天气预报方法相比，微尺度的最大特点是提供更清晰的风力、气温、湿度和人体舒适度的分布。”严超介绍，在此基础上，模拟中还考虑了建筑物对风和阳光的遮挡、植被和水面蒸发的降温作用，模拟结果更加精准。

　　产品实现了高精细度，计算速度也必须跟上。研发团队考虑用物理约束的机器学习模型重构建筑群周围的风场，与传统计算流体力学方法相比，大幅提升计算效率，保证了预报产品的时效性。

　　URBAN还根据通用热气候指数衡量人体舒适度，该指数将人体生理过程与风、气温、湿度、辐射等周围气象条件建立联系，从而客观量化人体舒适度，实现基于科学的模拟。

　　落地，在日常预报服务中应用

　　URBAN研发团队成员、北京市气象局首都关键区域气象服务保障中心（以下简称“首都关键区气象中心”）业务人员郭晓染介绍，在重大活动气象保障服务中，他利用URBAN对升旗时段天安门地区的微尺度风场进行了精细模拟。

　　郭晓染将北京冬奥会“百米级、分钟级”预报技术与URBAN结合，研发了三维动态微尺度气象模型，实现城市重点区域内三维风场和气温动态模拟及可视化展示。模型水平分辨率10米、垂直分辨率约6米，可显式解析建筑三维几何形态及其对气流动态演化的影响，重点关注大风天气背景下楼宇间的“狭管效应”对风力的放大作用。基于此模拟结果，重大活动有了强有力的技术支撑。

　　面向首都关键区域气象服务，郭晓染利用URBAN对不同天气场景的微尺度环流进行模拟，综合考虑楼宇间“狭管效应”和重点风险点位，提供精细到可以解析气流瞬时特征的分析和预测，为预报服务提供科学参考。

　　“URBAN提供的建筑可分辨尺度的精细化产品，有效弥补了区域数值模式的不足，为重大活动气象保障服务等工作提供重要支撑。”多次应用URBAN开展预报服务的首都关键区气象中心业务人员沈越婷说。

（作者：叶芳璐责任编辑：张林）