《數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用》課程中統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法介紹

郭志榮

摘要：隨著氣象部門業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院在2013版的教學(xué)計(jì)劃中新增了《數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用》這一門必修的集中性實(shí)踐課程。在課程沒有開始授課之前，作為課程負(fù)責(zé)人，有必要對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的了解和介紹。預(yù)報(bào)意味著對(duì)將來(lái)狀態(tài)的預(yù)測(cè)，檢驗(yàn)就是評(píng)估預(yù)報(bào)質(zhì)量的過(guò)程，所以產(chǎn)品檢驗(yàn)是該課程中非常重要的一環(huán)。本文主要介紹目前業(yè)務(wù)中常用的幾種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：大氣科學(xué)；數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用；統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）23-0206-02

數(shù)值預(yù)報(bào)逐漸成為業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)的重要基礎(chǔ)，在氣象業(yè)務(wù)與服務(wù)中發(fā)揮了重要的作用。目前，在國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用中比較多的是全球中期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)T639、歐洲中心（ECMWF）數(shù)值預(yù)報(bào)和日本數(shù)值預(yù)報(bào)。就大多數(shù)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品本身而言，雖然目前已經(jīng)具有較高的質(zhì)量，但由于分析誤差和模式自身的誤差，對(duì)局部地區(qū)的天氣形勢(shì)和要素預(yù)報(bào)不可能預(yù)報(bào)得非常準(zhǔn)確，因此我們不可能將任何數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品直接用于天氣預(yù)報(bào)，而通過(guò)發(fā)展數(shù)值產(chǎn)品的釋用技術(shù)來(lái)制作氣象要素預(yù)報(bào)是可行的。開展數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)有利于加深對(duì)數(shù)值模式認(rèn)識(shí)，是擇優(yōu)使用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的有效途徑，同時(shí)也可為研究數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用方法提供一定的參考依據(jù)。

一、業(yè)務(wù)中常用的檢驗(yàn)方法

目前業(yè)務(wù)中常用的主要檢驗(yàn)方法有：目視檢驗(yàn)方法、常規(guī)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法（兩分類預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法、多級(jí)分類預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法、連續(xù)變量檢驗(yàn)方法、概率預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法）、空間預(yù)報(bào)方法等方法。本文只介紹常規(guī)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法當(dāng)中最常用的幾種兩分類預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法。

二、常規(guī)的兩分類預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法

兩分類預(yù)報(bào)是指當(dāng)事件發(fā)生時(shí)為“有”，事件沒有發(fā)生時(shí)為“無(wú)”。例如降水和霧的預(yù)報(bào)通常用“有”和“無(wú)”來(lái)表示。在一些應(yīng)用中可以指定一個(gè)閾（如風(fēng)速大于10米/秒）來(lái)定義“有”和“無(wú)”的界限。

檢驗(yàn)這一類預(yù)報(bào)，用列聯(lián)表來(lái)表示預(yù)報(bào)事件“有”和“無(wú)”的發(fā)生頻率。

擊中：預(yù)報(bào)發(fā)生，實(shí)況也發(fā)生的事件（A）；

漏報(bào)：預(yù)報(bào)不發(fā)生，但實(shí)況發(fā)生了的事件（B）；

空?qǐng)?bào)：預(yù)報(bào)發(fā)生，但實(shí)況未發(fā)生的事件（C）；

反擊中：預(yù)報(bào)不發(fā)生，實(shí)況也未發(fā)生的事件（D）。

1.準(zhǔn)確率。

PC=■×100%

PC值域：0%～100%，理想值：100%。

準(zhǔn)確率簡(jiǎn)單、直觀。但由于“反擊中”的權(quán)重與“擊中”一樣，反應(yīng)不出極端天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。在降水預(yù)報(bào)中，用對(duì)晴雨預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)，擊中（A）表示有降水預(yù)報(bào)正確，反擊中（D）表示無(wú)降水預(yù)報(bào)正確。

2.TS評(píng)分或CSI評(píng)分。

TS=CSI=■×100%

TS值域：0%～100%，理想值：100%。TS評(píng)分反映了預(yù)報(bào)和實(shí)況都發(fā)生的情況比例，它對(duì)擊中（A）事件敏感，也懲罰空?qǐng)?bào)和漏報(bào)事件，如果不考慮反擊中（D）事件，則可以認(rèn)為評(píng)分是精確的。由于TS評(píng)分不能區(qū)分預(yù)報(bào)錯(cuò)誤來(lái)源，所以常和空?qǐng)?bào)率（FAR）與漏報(bào)率（PO）一起考慮。TS評(píng)分依賴事件的氣候頻率。對(duì)小概率事件，由于擊中是偶然產(chǎn)生的，所以評(píng)分較低。

3.空?qǐng)?bào)率。

FAR=■×100%

FAR值域：0%～100%，理想值：0。

4.漏報(bào)率（PO）。

PO=■×100%

PO值域：0%～100%，理想值：0。

5.預(yù)報(bào)偏差。

BIAS=■

BIAS值域?yàn)椋?～+∞，理想值：1。預(yù)報(bào)偏差不比較預(yù)報(bào)的好壞，只比較預(yù)報(bào)和實(shí)況發(fā)生事件的相對(duì)頻率，揭示了預(yù)報(bào)擊中（A）事件是過(guò)多或過(guò)少的傾向。

6.ETS評(píng)分。

ETS=■

其中hitsrandom=■

ETS值域?yàn)?1/3～1，理想值為1。ETS評(píng)分吸收了TS的一些優(yōu)點(diǎn)，又降低了隨機(jī)概率對(duì)評(píng)分的影響。譬如，因?yàn)樵跐窦疽雀杉救菀最A(yù)報(bào)降水，ETS評(píng)分就更能體現(xiàn)預(yù)報(bào)能力。ETS評(píng)分經(jīng)常用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)值模式的降水預(yù)報(bào)。ETS評(píng)分對(duì)空?qǐng)?bào)和漏報(bào)采用了同樣的懲罰措施，而并沒有區(qū)分預(yù)報(bào)誤差來(lái)源。

7.HSS評(píng)分。

HSS=■

（ExpectdCorrect）random=■

HSS值域：-∞～1，理想值：1。HHS評(píng)分消除了純粹由于隨機(jī)變化而產(chǎn)生預(yù)報(bào)正確的因素，是屬于廣義的技巧評(píng)分。公式中分子是剔除了隨機(jī)變化的預(yù)報(bào)正確數(shù)。在氣象學(xué)中，隨機(jī)變化和氣候值預(yù)報(bào)、持續(xù)性預(yù)報(bào)等相比通常并不是最好的預(yù)報(bào)。

8.TSS評(píng)分。

TSS=■-■=■

=■-■

=POD-POFD

=（accuracy for events）+（accuracy for non-

events）-1

TSS：-1～1，0表示沒有預(yù)報(bào)技巧，理想分：1。特點(diǎn)是利用例聯(lián)表中的所有要素，不依賴與氣候事件的發(fā)生頻率，但對(duì)大概率事件檢驗(yàn)效果會(huì)更好。像POD一樣，在第一項(xiàng)中給極端事件的權(quán)重過(guò)大，所以可能對(duì)常發(fā)事件更有用。該評(píng)分對(duì)漏報(bào)事件敏感而對(duì)假警報(bào)事件不敏感。隱含根據(jù)觀測(cè)分層的特性。如果一個(gè)事件發(fā)生了幾次在都沒有預(yù)報(bào)出來(lái)，即便總的精度很高，則評(píng)分也可能是負(fù)值。

9.后一致性。

PAG=■=■

PAG：0～1，理想分：1。表示所有預(yù)報(bào)事件中正確的比率。只與預(yù)報(bào)數(shù)有關(guān)，與實(shí)況的關(guān)系不確定。注意與POD的區(qū)別。

10.探測(cè)率。

POD=■=■=■

POD：0～1，理想分：1。應(yīng)與空?qǐng)?bào)率一起考慮。是ROC的重要部分。表示在所有觀測(cè)事件中被正確預(yù)報(bào)的比率。POD+PO=1

11.空?qǐng)?bào)探測(cè)率。

POFD=■=■=■

POFD：0～1，理想分：0。是ROC的重要部分。表示空?qǐng)?bào)在所有觀測(cè)的非事件中所占的比率。

三、結(jié)語(yǔ)

數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)作為數(shù)值產(chǎn)品釋用當(dāng)中非常重要的一環(huán)，設(shè)計(jì)合理的檢驗(yàn)方案其檢驗(yàn)結(jié)果不僅可以為模式設(shè)計(jì)者有效判斷模式的物理方案、參數(shù)化及陸面過(guò)程等的合理性提供參考，而且可以為模式使用者（預(yù)報(bào)員）了解模式的預(yù)報(bào)性能提供幫助，尤其對(duì)要素預(yù)報(bào)，具有指示性意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘留杰，張宏芳，王建鵬.數(shù)值天氣預(yù)報(bào)檢驗(yàn)方法研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2014，29（3）：327-335.

[2]潘留杰，張宏芳，朱偉軍，等.ECMWF模式對(duì)東北半球氣象要素場(chǎng)預(yù)報(bào)能力的檢驗(yàn)[J].氣候與環(huán)境研究，2013，18（1）：112-123.

[3]張宏芳，潘留杰，楊新.ECMWF、日本高分辨率模式降水預(yù)報(bào)能力的對(duì)比分析[J].氣象，2014，40（4）：424-432.

[4]王雨.2004年主汛期各數(shù)值預(yù)報(bào)模式定量降水預(yù)報(bào)評(píng)估[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2006，17（3）：316-324.

[5]劉還珠，張紹晴.中期數(shù)值預(yù)報(bào)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析[J].氣象，1992，18（9）：50-54.

Introduction of Statistical Verification Methods in "The Numerical Forecasting Product Release" with Course

GUO Zhi-rong

（College of Atmospheric Sciences，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing，Jiangsu 210044，China）

Abstract：With the needs of the development of meteorological department business，nanjing university of information Science & Technology in the 2013 version of the teaching plan adds "The Numerical Forecasting Product Release" in the required concentration practice courses.Before start this course，as the Course director，it is necessary in detail the content of the course.Forecast is a prediction of the future，testing is the process of evaluation prediction quality，so the product inspection is a very important part of this course.So the Forecast Performance Verification is a very important role in the course.This paper mainly introduces several kinds of statistical verification methods in current business.

Key words：atmospheric sciences；"The Numerical Forecasting Product Release"；Statistical verification method