优秀成果展示——城市微尺度气象快速模拟预报系统及关键区域场景应用
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发布时间：2025/2/13 0:00:00
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| 成果评价编号： |
中气科成评[2024]003 |
| 评价结果： |
优秀 |
| 成果名称： |
城市微尺度气象快速模拟预报系统及关键区域场景应用 |
| 完成单位： |
北京城市气象研究院 |
| 成果形式： |
应用研究和技术开发类-系统 |
| 研究领域： |
气象服务与应用气象 |
| 评价年份： |
2024 |
| 完成人： |
严超、郭晓染、张亦洲、苗世光 |
| 成果简介： |
本成果得到了北京市科技计划课题“重大活动场所10米分辨率风温场监测预报技术研究”等项目的支持。在立项初期，我们发现现有的城市地区三维数值模拟能力在精细程度、准确性和时效性方面难以满足大型活动需求，亟需建立适用于城市区域的高分辨率模拟系统。为满足首都重大活动对城市冠层气象要素和专项服务预报产品的需求，我们研制了一套适用于城市关键区域的建筑物可分辨城市微尺度气象分析和预报模式，为重大活动安全顺利举办提供科学决策服务支撑。本成果解决了建筑物可分辨的城市微环境风、温、湿和人体舒适度等气象要素的快速预报问题，提出了基于“物理信息机器学习算法”的新型风场重构方法，显著提升了不规则建筑周围风诊断效果。
目前，国内外针对城市近地面气象要素的模拟主要采用3种技术手段：（1）利用中尺度气象模式（如WRF和MM5等）进行模拟，这种方法能够揭示城市用地和建筑物对总体气象环境的影响，但受限于水平空间分辨率较低，难以直接反映建筑物尺度的流动细节，无法精细化模拟城市内部微气象特征；（2）采用计算流体力学（CFD）方法进行建筑尺度的风环境模拟，但受限于高性能计算资源和计算耗时长的问题，无法快速完成整个特定区域的高分辨率气象模拟；（3）快速模拟方法（如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发的QUIC），能够在几十秒到几分钟时间内快速计算城市和工业区域中的空气流动和污染传输，但缺乏对温、湿和辐射等热环境的考虑，也不具备气象预报功能。
本成果“城市微尺度气象快速分析和预报系统”（英文简称：URBAN），主要面向10平方公里范围内城市中心区域，提供10米级水平分辨率、逐10分钟更新的近地面风、温、湿和人体舒适度的分析和预报产品。该系统分析模块由外场观测提供风场、气温和相对湿度的初始条件，预报模块则借助中尺度短时预报模式提供背景气象条件。URBAN系统不仅解决了传统气象预报模式精细程度、准确率和时效性上的难点，还通过快速解析城市形态及土地类型对微气象条件的影响，实现了对城市微气象要素模拟的精细化和时效性的双重提升。
与国内外同类技术水平相比较，相较于传统的中尺度气象模式和计算流体力学方法，URBAN系统具有更高的分辨率和更快的计算速度，能够更准确地模拟城市内部微气象特征。与快速模拟方法相比，URBAN系统不仅考虑了温度、湿度和辐射等热环境因素，还具备了气象预报功能，为城市管理和活动组织提供了更全面、准确的气象信息支持。
目前，URBAN系统已在建党100周年、北京2022年冬奥会和成都大运会等大型户外活动的气象保障服务中稳定运行，为城市气象应用提供了可靠的技术支持和解决方案。
以本成果为基础，研究团队陆续承担了成果转化类项目（合同金额共计130万元）和纵向科研类项目（包括国家自然科学基金、北京市科技计划课题和中国气象局创新发展专项）。在实际应用中，该系统在北京冬奥会测试赛和成都大运会等重大活动气象服务中发挥了重要作用，成功应用于北京鸟巢和成都东安湖地区等重要场馆的气象保障服务，为赛事提供了包括人体舒适度等方面的精细化气象服务产品，有效保障了重大活动的顺利运行。以第31届成都大运会赛事场馆气象保障为例，结果显示本成果各要素预报准确率比传统指导产品高12%。同时，这些服务产品也为公众出行提供了重要的气象服务参考，有效减少了不利气象条件可能导致的直接或间接损失。
通过这些应用案例的推广和转化，本成果不仅提升了重大赛事气象服务保障能力，还将为未来更多社会赛事气象服务保障提供有力支撑。并且，本成果还为中国原子能科学研究院和美国加州大学洛杉矶分校应用转化（详见支撑材料清单），提高了本成果在国内外影响力。综合而言，“城市微尺度气象快速分析和预报系统”在城市气象相关领域展示了较好的示范推广和转化应用潜力，为城市气象服务质量的提升和城市运行安全提供了重要保障。 |
