內蒙古主要氣象災害預警信息發布時效性評估模型研究

張立莉，呂明輝，隋劍利，張曉美

（1.內蒙古自治區氣象服務中心，呼和浩特 010051；2.中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081）

近年來，氣候變化導致極端災害性天氣、氣候事件頻發，世界氣象組織的統計數據表明，中國是世界上氣象災害最為嚴重的國家之一，氣象災害損失占所有自然災害損失的70%以上[1-2]。內蒙古自治區橫跨中國東北、華北、西北三大地區，接鄰八個省區，氣候變化多樣，全區除常年干旱外，雨澇、白災、冰雹、風災和霜凍等氣象災害也頻頻發生，在災害發生前或者發生的第一時間將氣象災害預警信息傳遞到受災群眾或相關決策部門的手中，是防災減災工作的重要環節[3]。氣象災害預警信息是用在氣象災害發生之前警示信息，一般有較長時間的提前量，向相關部門、公眾發出緊急信號，報告危險情況，能夠為受警者提供足夠時間，為即將到來的災害做出適當的準備，從而最大程度地減輕災害所造成的損失的行為。如何有效防范和應對災害性天氣事件，加強應急管理，最大限度地降低災害性天氣對人類社會的影響，對于開展氣象災害應急措施、防災減災政策制定、預警信息發布的有效性和效果評估等都具有重要意義。本文探索內蒙古自治區氣象災害種類及影響過程，選取2021 年內蒙古氣象災害預警信息發布數據，與氣象災害進行對比分析，通過對預警信息發布初步分析，摸清內蒙古主要氣象災害在2021 年的發展變化及其分布情況、利用天氣過程來解析預警信息發布有效性和時效性，評估預警信息發布情況，從而完善預警信息發布策略及規范，以便更加快速將預警信息送達到受災群眾、應急責任人及相關決策部門，提供參考依據。

氣象災害預警信息發布時效性評估研究涉及不同群體和不同渠道，存在多影響因素和不易度量性，是一個較為復雜的研究問題。目前國內對氣象預警信息時效性評估的研究尚處于起步階段，部分研究嘗試主要集中在氣象災害預警服務時效性、預警信號質量評估等方面。如鄧玲等[4]對暴雨災害氣象防災減災服務效益評估指標體系研究中，針對預報時效性（72 h）設計了評分規則；孟茹等[5]對漢中市地質災害氣象風險預警服務效益評估方法研究中，設計預警服務時效階梯性規則。陸小玉等[6]對近年廣西氣象災害預警信號質量評估研究中，通過預警信號準確預警的時間提前量、預警信號預警的時間提前量、預警信號有效預警的時間提前量等因子對預警信號時效性評估。徐靜等[7]在基于線索特征的Web信息時效性評價方法，提出時效性所包含的發布及時性和內容新鮮性2 個方面來對Web 信息時效性進行合理的評價。安磊等[8]在信息鏈時效性評估的馬爾科夫模型研究中，采用概率法詳細分析給出了信息準確性、時間性的數學表達式。劉銀煥等[9]、陸小玉等[6]從TS 評分、空報率等指標檢驗預警信號質量，利用預警信號準確預警的時間提前量T1、預警的時間提前量T2 和有效預警的時間提前量T3 評估預警信號時效性。

以上幾種研究初步分析時效性評估方法主要研究預報時效性評分規則、預警信號時間提前量，針對預警信息發布渠道、手段的時效性評估探索幾乎為零。本文研究的重點是研究時效性實際值與期望值之間的對比研究，通過相對尺度計算建模，通過模型中的指標因子算式定量分析各個發布渠道、手段的時效性。

1 內蒙古自治區氣象災害主要類型預警發布標準

近幾十年以來，內蒙主要古氣象災害包括干旱災害、風災、沙塵暴、冰雹、暴雨洪澇、雪災和低溫冷害，均對全區造成不同程度的影響（見表1）。

2 2021 年內蒙古氣象災害預警信息發布情況

氣象災害預警信息（以下簡稱預警信息）中的預警級別總體上分為紅色、橙色、黃色和藍色4 個等級，分別映射為特別嚴重、嚴重、較重和一般。選取內蒙古2021 年氣象災害預警信息發布數據，采用統計分析法，對內蒙古氣象災害預警的時空分布特征進行了初步分析，結果顯示：2021 年全區通過內蒙古自治區突發事件預警信息發布平臺發布預警信息為15 641 條，較過去一年（2020 年）發布量（12 555 條）增加24.58%，其中省級發布預警信息307 條，市級發布預警信息2 101 條，縣級發布預警信息13 233 條。預警信息發布數量由高到低順序依次為大風、雷電、道路結冰、寒潮、暴雨、大霧、冰雹、沙塵暴、暴雪、霜凍、高溫、山洪災害、中小河流洪水氣象風險。

從時間分布看（圖1），全年中7 月為預警信息高峰期，共發布2 705 次，發送數量幾乎為其他月份的2 倍。11 月份預警信息發布數量次之。大風、雷電、道路結冰、寒潮預警信息發布占總次數的81.3%，其中大風預警發布次數最多，占總次數的32.33%。大風、大霧預警信息一年四季均有發布；雷電預警信息發布集中在4—9 月；暴雨預警信息發布集中在6—9 月；高溫預警信息發布集中在6—8 月；冰雹預警信息發布集中在5—9 月；山洪災害預警信息集中在6—9 月；中小河流洪水氣象風險預警信息集中在7 月；道路結冰預警信息發布集中在1—4 月和11—12 月息；寒潮預警信息發布集中在1—5 月和10—12 月；沙塵暴預警信息發布集中在1—5 月；暴雪預警信息發布集中在1—4 月和10—12 月，其中11 發布最多；霜凍預警信息發布集中在4—5 月和9—10 月。

從預警信息發布級別分布上看（表2），通遼市和阿拉善盟發布紅色（特別嚴重）預警信息數量最多；通遼市和赤峰市橙色（嚴重）預警信息數量最多；通遼市和赤峰市發布的紅色、橙色預警信息占比達到38.12%。

表2 2021 年全區預警信息發布情況

3 天氣過程預警檢驗

分析2021 年內蒙古自治區全區預警信號發布情況得出，受氣象原因導致的主要災害出現在5 個時段：年初的區域性降溫過程，多地出現極端低溫天氣；春季沙塵天氣頻發；春秋季發生霜凍災害；汛期暴雨、雷暴、冰雹災害嚴重，7 月出現區域性極端高溫天氣過程；秋末冬初出現強雨雪寒潮天氣，東部地區個別地區出現極端降雪、暴雪多災并發。2021 年氣象災害造成內蒙古全區均有經濟損失，其中呼倫貝爾市東部、錫林郭勒盟、興安盟、通遼中南部、赤峰大部、巴彥淖爾市東南部、鄂爾多斯市西部災害尤為嚴重（見表3）。

表3 2021 年重大災害性天氣過程氣象災害預警發布的檢驗

春季沙塵暴預警集中發布在3—5 月，共發布沙塵暴預警信號356 次，全區所有盟市均有發布。3 月14—15 日的沙塵過程全區所有盟市均受影響，這兩天全區發布沙塵暴預警信號高達89 次。影響范圍來看，9 個盟市共51 個市、旗縣發布了沙塵暴預警信號，其中巴彥淖爾市發布沙塵暴預警信號15 次。此次沙塵暴過程主要影響錫林郭勒盟西南部及以西大部地區，赤峰市松山區崗子和巴彥淖爾市杭錦后旗達到特強沙塵暴等級，巴彥淖爾市烏拉特前旗、五原縣、烏拉特中旗等地設施農業受損。

汛期中東部各流域降水量偏多，呈現出極端性。7月17—20 日期間，全區共發布暴雨雷電冰雹預警信號262 次，75 個盟市、旗縣氣象臺發布預警信號，由預警信號影響范圍來看，發布影響全區12 個盟市。由預警暴雨過程來看，暴雨預警信號發布61 次，其中紅、橙、黃色暴雨預警信號發布46 次，單次過程中最多有29個盟市、旗縣臺站出現暴雨預警，其中呼倫貝爾市莫力達瓦旗氣象臺發布1 次橙色暴雨預警信號和6 次黃色暴雨預警信號。此次暴雨過程期間，呼倫貝爾市莫力達瓦旗遭受強降雨襲擊，造成部分農作物受災，11 月出現強寒潮過程，其影響范圍大、強度強，伴隨寒潮過程產生了大范圍的雨雪天氣。11 月6—9 日全區共發布暴雪預警信號202 次，紅色暴雪預警信號32 次。影響范圍來看11 個盟市共74 個市、旗縣發布了暴雪預警信號，其中通遼市發布暴雪預警信號76 次、赤峰市發布暴雪預警信號44 次、錫林郭勒盟發布暴雪預警信號20 次、興安盟發布暴雪預警信號8 次。由實況顯示興安盟、通遼市、赤峰市、錫林郭勒盟、烏蘭察布市、呼和浩特市、包頭市、鄂爾多斯市、阿拉善盟9 個盟市共計37 站出現極端降雪事件。受災地區主要為通遼市、赤峰市、錫林郭勒盟和興安盟，其中通遼市受災最重。

中小尺度的強對流天氣多發重發，尤其短時強降水、局地短時暴雨、暴雪近年來呈不斷增加的趨勢，降水呈現雨強大、時效短、頻次高等特點，冰雹疊加降水過程增多。氣象災害的突發性、極端性、不可預見性隨之增大，其中短時效強降水的致災性，暴雨洪澇災害造成的死亡人口最多。經過校驗分析，本年度全區預警信息發布與氣象災害發生地區的時空分布基本吻合，證明預警信息發布有效性。本文中預警信息發布時效性是衡量氣象災害預警發布能力重要指標因子。

4 氣象災害預警信息發布時效性評估模型研究

預警信息發布通常是以行政區域為單元，因此從方便管理的角度出發，通常會認為若信息發布的范圍大于等于氣象災害發生地區則視為有效。某次天氣過程中發布了氣象災害預警信息的地區實況也出現了相應的氣象災害，相關政府部門和公眾及時收到預警后，采取了相應的避災救災措施等，避免了人員和財產損失，此次的預警服務形成一個完整的服務流程。本文以國家突發事件預警發布系統——內蒙古平臺為例，選取該流程中一個重要環節就是預警信息發布的時效性，建立評估指標和計算方法，并以內蒙古2021 年7月17—20 日的暴雨天氣過程作為實例進行應用，以期實現對單次天氣過程的氣象災害預警信息發布的時效性進行定量化評估。

4.1 預警信息發布的時效性

目前內蒙古自治區氣象局通過國家突發事件預警發布系統——內蒙古平臺第一時間向公眾權威發布預警信息，發布手段、渠道在傳統的電視、廣播等預警信息傳播渠道的基礎上，增加了12379 氣象預警短信、戶外電子顯示屏、應急廣播“村村響”大喇叭、微博、微信、抖音等新媒體多渠道，將災害預警信息發送到戶到人，顯著提高氣象災害預警信息發布的時效性[10-11]。鑒于影響預警信息發布時效性的因子眾多，如人為因子、發布系統故障、傳輸鏈路中斷、接收終端故障和數據包丟包等不可抗因子，存在著不定性。因此在評估預警信息發布時效性時，重點考慮發布渠道因素，根據不同的發布渠道研判定量分析，定量評估預警信息發布傳播效果，計算預警信息的時效性。

本模型是通過反復演練推敲出的新數學模型評估方法，是通過判斷此預警信息的發送時間距離預警時間尺度的時間長度提前、滯后百分比，即某種預警信息發布在某一范圍內、某一時間段、某一人群、某一發布手段或渠道下的可達率，來評估預警信息發布的時效性。預警時間尺度為實現預警信息多長時間內發布的時間尺度標準。《內蒙古自治區氣象災害預警信號發布與傳播辦法》[12]規定不同發布渠道預警時間尺度內向預警區域內的用戶傳播時效。預警信息發布時效性評價指標為渠道跟蹤反饋信息，包含發送時間、接收時間、預警時間尺度等。因此，可以建立以下預警信息發布傳播時效性模型關系式

式中：S 為某段時間預警的發布時效性，n 為渠道終端數，T 為預警時間尺度，t0為預警信息的發送時間，ti為預警信息的到達時間。若預警信息發送包因不可抗力丟包則為無效數據可忽略不計。

設所選的發布渠道為手機短信，發布時效性定量分析通過式（1）來評估，隨著國家突發事件預警信息發布能力提升工程的建設，對預警信息發布提出更高要求，提出實現常規預警信息3 min 內發布的時間尺度指標，因此T 預警時間尺度在這里為3 min。某一個天氣過程在某一范圍內面對某一群組評估某次天氣過程從預警信息發送時間到手機號碼接收時間與預計時間尺度差值，其他發布渠道或手段運算可類同。

4.2 時效性評估分析實例

通過國家突發事件預警信息發布系統——內蒙古平臺獲取了2021 年7 月17—20 日的暴雨天氣過程暴雨預警發布渠道——手機短信用戶送達數據集分析時效性。此次過程共發送全區應急責任人手機號碼32 250 個，經過對手機號碼的初步篩選有18 539 個號碼未收到回執信息，因此針對13 711 個用戶進行分析。對13 711 個用戶的發送時間和回執時間數據清洗、對比分析糾錯，發現有5 386 個用戶為無效用戶（因系統對接原因導致短信回執時間早于發送時間），8 325 個用戶為有效數據。將渠道終端有效數據代入式（1）得出S=123.1%，與希望實現常規預警信息平均的3 min 時效性滯后23.1%，即8 325 個用戶送達時間與這些用戶常規預警信息平均的3 min 時間長短進行比較的結果滯后346 608 s 的時間送達，即通過12379 短信渠道發布預警信息平均3 min41.63 s 發送到達應急責任人手機上，預警信息手機短信發布時效性比預期3 min 滯后41.63 s。從8 325 個用戶為有效數據分析有512 個用戶3 min 后接收到占有效用戶的6.2%，發現用戶數雖然少，但是都滯后幾個小時，最終導致預警信息手機短信發布時效性比預期滯后，且分析512 個用戶播發的時段顯示大部分是夜間23 時之后，因此發布預警信息策略預警事件等級、發送時段頻次等指標應該進行完善和改進。經上述實例檢驗式（1）概念較為明確清晰，算法簡潔實用，具有較好的理論創新意義和示范推廣價值。隨著未來預警發布時效的研究發展，預警信息發布的時效性算法會進一步提高，對預警信息發布策略的完善和改進提供指導作用，對提高預警信息發布效率有很大的幫助。

5 結論與討論

1）通過2021 年的內蒙古預警信息發布情況與內蒙古氣象災情對比分析，得出氣象災害發生地區包含在預警信號發布地區，預警信號發布范圍要比氣象災害發生地區范圍大。從預警信號發布次數看，發生氣象災害的地區發布預警信號相較次數多，證明其預警信息發布的有效性。

2）預警信息的時效性是氣象災害預警服務中信息發布的重要一環。時效性評估可以成為探尋完善和改進適合播發的信息類型、覆蓋范圍、播發時段頻次等策略的重要依據。

3）通過時效性評估實例分析，可以實現對氣象災害預警信息發布的時效性進行評估，但在實際操作中會受到如回執、數據丟包等問題的限制，未來鏈路傳輸技術更新后，自動發送回執就可以實現對所有渠道終端的預警信息發布時效性進行客觀評估。

4）通過模型中的指標因子算式定量分析各個發布渠道、手段的時效性，從而完善改進發布策略，如12379短信在發布策略中需考慮凌晨發送的預警信息的時效性問題。未來可應用大分數據分析和人工智能技術對預警信息發布渠道的時效性進行大數據量的快速評估，提高評估的可行性和精確度。