探秘亚运赛场的气象“黑科技”.pdf

15文/李 伟（浙江省气象服务中心）探秘亚运赛场的气象“黑科技”大型体育赛事能否成功举办，与天气状况息息相关。亚运会期间，各大运动赛事的场馆分布广、安全保障要求高，这对气象保障提出了更高的要求。与此同时，由于户外赛事受天气因素影响大，对天气的精密监测、精准预报和对赛事的精细服务成了亚运会成功举办的重要因素之一。为此，气象部门不断打磨核心技术、优化支撑系统，用丰硕成果为亚运气象保障服务提供最好的“科技”底气。亚运场馆内配备的视频智能气象观仪16锐聚焦一段汇聚精彩的追踪FOCUS“智能”是最能体现杭州亚运特色的理念，也最能展现亚运气象服务的独特魅力，“天脸识别系统”就是体现杭州智能气象服务的成果之一。在地面气象观测中，常规的气象要素已经实现自动观测，但需要目测的项目，如云状、云量、霜、露、雪等天气现象还是要依靠人工观测。然而，由于天气系统瞬息万变，很难使用人工来实现高时空密度的连续观测。为此，杭州市高技能人才创新工作室的领头人胡德云及其团队承担了“天脸识别”项目算法的研究。他们在全国各地采集了数百万张全天空图像和结冰、积雪、雾凇、雨凇等图像。这些图像经人工分类标注，最终筛选出十几万张图片作为训练集，利用百度科技和海康威视 AI 开放平台，用深度学习方法训练了云状、云量、结冰、积雪等 AI 识别模型，将智能识别算法融入摄像机内嵌程序，使一台普通的摄像机摇身一变，成了能看云识天的智能化设备。经过现场比对试验，其识别准确率达到 90%以上。“天脸识别系统”的秘密就藏在一个小小的摄像头中，它又被称作“全天空成像仪”，其功能就是一直对着天空，观测云的分布。一天 24 小时，一年 365 天，全年无休。简单来说，一个小小的摄像头，通过智能算法，可以实现白天全天空云量和云状的持续自动监测。摄像头每“天脸识别系统”亚运赛场的“风云守望者”5 分钟拍照一次，实时识别出云状和云量，帮助气象预报员判断不同的天气状况。以某一气象站为中心点，直径15 20 千米的天空都将覆盖在这个摄像头里。除了云状和云量的观测，全天空成像仪还能实时观测大气能见度的变化，当大气能见度低于一定程度时，能进行实时预警。“天脸识别系统”并不是杭州亚运气象服务中唯一的智能元素，利用智慧城市建设中的智慧灯杆布设微型、低成本、易安装、轻维护、便携化的物联网智能气象站，共享全市监控摄像机视频图像来识别能见度、雨强、视程障碍现象等也是“智能亚运”在气象观测上的探索。亚运气象监测系统融合了最新的技术成果：新增的智能气象观测设备，布设基于人工智能视频识别技术的“天脸识别系统”，借助智慧灯杆而搭建的气象微站，使亚运核心区形成了智能、立体的气象泛在感知网，为亚运会的顺利举办保驾护航。全天空成像仪智慧灯杆上的气象微站在马术比赛中，人和马都是运动员，讲究“人马合一”。马术比赛都在露天进行，像马这样很有灵性的动物，对天气有较高的敏感性，因此比赛时的气象条件对马匹的竞技状态影响很大。气温很重要，天气太冷或太热都会让马儿感觉不适，所以高温或低温天气都会影响比赛成绩。同样，雨天对马术比赛的影响也很大，雨天路滑，泥泞的场地及雨雾对骑手和马匹的发挥都有影响，一不留神就可能人仰马翻。为此，浙江省的气象部门专门组建了“亚运马术气象暑热压力监测仪马术赛场上的“天气智能管家”17服务小组”来保障亚运马术赛事的顺利进行。桐庐县气象部门提供了马术场馆区域近十年的气象要素数据资料，为马术赛事的时间安排提供了科学的决策依据。2023 年4 月，浙江省的气象部门还为马术中心气象站安装了北斗应急通信系统，实现气象数据传输“5G+北斗”双保险，在暴风雨等极端天气导致地面通信和移动通信断网的情况下，仍能有效保证气象监测数据传输的安全性和稳定性，从而确保马术赛场气象监测数据的及时传输。同时，该气象服务小组还将气象数据接入桐庐马术智慧场馆管理系统，使场馆内的温度、湿度、气压等气象数据能够被实时查看。亚运会马术比赛正值9月，如果遇到高温天气，那么马匹还可能“中暑”。“马选手”实际感受到的暑热压力就依靠设置在越野赛道和马厩的 2 套暑热压力监测仪进行反馈。暑热压力指数（简称 WBGT 指数）不仅反映高温、日晒情况，而且反映了气压、湿度等对马匹的影响。也就是说，高温+高湿+低气压=闷热，才是马匹最吃不消的天气。这 2 套监测仪是能实时监测黑球温度、气温、湿度、风速、气压和辐射 6 个气象要素的特种气象观测系统，能够反映马匹在太阳下进行比赛时所感受到的热压力。在 2008 年北京奥运会期间，国际马术联合会按暑热对马匹的影响程度，对 WBGT 指数大小进行了分级并提出相应的应对措施（见下表）。暑热压力监测仪一般来说，当 WBGT 指数大于 28时，需要对马匹采取适当避暑措施；当 WBGT 指数大于 32时，天气不利于马匹进行比赛，需要暂停比赛或对比赛时间进行调整。WBGT 指数高低对马匹的影响WBGT 指数/2828303032323333应对措施赛事不受影响需要对马匹采取适当避暑措施加强避暑措施，避免马匹过热天气不利马匹进行比赛，赛程应当适当调整天气不适宜比赛，应征询兽医意见18锐聚焦一段汇聚精彩的追踪FOCUS为提升亚运会气象预报预警服务能力，浙江省气象部门从 2019 年开始，联合集约各方力量，在数值预报模式、模式释用、人工智能短临预报预警技术等方面开展了全方位的技术研究和攻关，设立了“复杂地形下百米级地面要素快速分析”“分钟级降水预报”“X 波段雷达组网协同观测”等 20 多项预报技术研发项目，形成了全链条、无缝隙的精细化010天中短期和30天气候预报预测产品，部分产品达到“百米级”“分钟级”的高时空分辨率。除了自主研发外，浙江省的气象部门还引进了北京冬奥会的先进预报技术成果，并进行本地化应用。北京冬奥会重要科技成果“睿图临近数值预报系统”和“睿思系统”在浙江的落地，填补了省级“百米级分辨率、分钟级更新”实时分析和短临预报产品的空白。浙江省气象台还借鉴了中央气象台 STNF 技术，根据亚运场馆的信息和历史实况，采用 XGBoost 等机器学习方法，综合站点位置、海拔等地形信息和气象要素，构建了针对亚运场馆的高精度本地化预报模型，研发了亚运场馆精细化单点要素预报技术。经检验，亚运比赛场馆站点的气象要素预报产品优于浙江当前的智能网格气象预报体系。针对亚运会一些特定的赛区和项目，气象台还组织研发了若干新产品，例如：针对千岛湖公开水域游泳项目对亚运赛事气象智能系统为赛事把脉“风云”水温的高敏感性，杭州市气象局联合市水文局建立了表层水温（0 100 厘米）的水温预报模型；针对沙滩排球的特殊需求，宁波市气象局利用随机森林模型等研发了沙温预报产品；针对亚运特定千岛湖赛区、富春江赛区和亚帆赛开发了精细化、网格化水面预报产品这些新研发的技术产品为亚运会特定项目的气象服务保障奠定了坚实的基础。2023 年 3 月 20 日，亚运会赛事智能气象预报预警服务系统上线试运行，在亚运会和亚残运会筹办、比赛期间，亚运气象台和各个分赛区气象台将通过这个系统开展气象保障服务产品的加工、集成和共享。亚运会组委会等有关部门也将借助该系统开展赛事的调度与指挥。亚运会赛事智能气象预报预警服务系统及其衍生的气象服务产品对标北京冬奥会，为亚运赛事提供精密的气象监测数据和可靠的预报预警服务。这些产品在时间上将做到无缝隙，空间上达到场馆、亚运村全覆盖，短临产品最小时间分辨率可达到分钟级，重要场馆空间分辨率精确到百米级，可以为亚运会火炬传递、开闭幕式等重大活动，以及竞赛场馆、不同赛事提供全天候的气象保障服务。目前，该系统已对接到亚运赛事发布系统（INFO）、亚运官方网站、亚运总指挥平台、智能亚运一站通 App、亚运健康行 App、亚运在线和亚运频道等平台，使气象信息发布更广泛、更精准。（杭州市气象局麻碧华对本文有贡献）2022年杭州亚运会马术比赛场馆