《數值預報產品釋用》課程中統計檢驗方法介紹

郭志榮

摘要：隨著氣象部門業務發展的需要，南京信息工程大學大氣科學學院在2013版的教學計劃中新增了《數值預報產品釋用》這一門必修的集中性實踐課程。在課程沒有開始授課之前，作為課程負責人，有必要對課程內容進行詳細的了解和介紹。預報意味著對將來狀態的預測，檢驗就是評估預報質量的過程，所以產品檢驗是該課程中非常重要的一環。本文主要介紹目前業務中常用的幾種統計檢驗方法。

關鍵詞：大氣科學；數值預報產品釋用；統計檢驗方法

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）23-0206-02

數值預報逐漸成為業務天氣預報的重要基礎，在氣象業務與服務中發揮了重要的作用。目前，在國內業務天氣預報應用中比較多的是全球中期數值天氣預報系統T639、歐洲中心（ECMWF）數值預報和日本數值預報。就大多數數值預報產品本身而言，雖然目前已經具有較高的質量，但由于分析誤差和模式自身的誤差，對局部地區的天氣形勢和要素預報不可能預報得非常準確，因此我們不可能將任何數值預報產品直接用于天氣預報，而通過發展數值產品的釋用技術來制作氣象要素預報是可行的。開展數值預報產品檢驗有利于加深對數值模式認識，是擇優使用數值預報產品，提高天氣預報準確率的有效途徑，同時也可為研究數值預報產品釋用方法提供一定的參考依據。

一、業務中常用的檢驗方法

目前業務中常用的主要檢驗方法有：目視檢驗方法、常規的統計檢驗方法（兩分類預報檢驗方法、多級分類預報檢驗方法、連續變量檢驗方法、概率預報檢驗方法）、空間預報方法等方法。本文只介紹常規的統計檢驗方法當中最常用的幾種兩分類預報檢驗方法。

二、常規的兩分類預報統計檢驗方法

兩分類預報是指當事件發生時為“有”，事件沒有發生時為“無”。例如降水和霧的預報通常用“有”和“無”來表示。在一些應用中可以指定一個閾（如風速大于10米/秒）來定義“有”和“無”的界限。

檢驗這一類預報，用列聯表來表示預報事件“有”和“無”的發生頻率。

擊中：預報發生，實況也發生的事件（A）；

漏報：預報不發生，但實況發生了的事件（B）；

空報：預報發生，但實況未發生的事件（C）；

反擊中：預報不發生，實況也未發生的事件（D）。

1.準確率。

PC=■×100%

PC值域：0%～100%，理想值：100%。

準確率簡單、直觀。但由于“反擊中”的權重與“擊中”一樣，反應不出極端天氣的預報準確性。在降水預報中，用對晴雨預報的檢驗，擊中（A）表示有降水預報正確，反擊中（D）表示無降水預報正確。

2.TS評分或CSI評分。

TS=CSI=■×100%

TS值域：0%～100%，理想值：100%。TS評分反映了預報和實況都發生的情況比例，它對擊中（A）事件敏感，也懲罰空報和漏報事件，如果不考慮反擊中（D）事件，則可以認為評分是精確的。由于TS評分不能區分預報錯誤來源，所以常和空報率（FAR）與漏報率（PO）一起考慮。TS評分依賴事件的氣候頻率。對小概率事件，由于擊中是偶然產生的，所以評分較低。

3.空報率。

FAR=■×100%

FAR值域：0%～100%，理想值：0。

4.漏報率（PO）。

PO=■×100%

PO值域：0%～100%，理想值：0。

5.預報偏差。

BIAS=■

BIAS值域為：0～+∞，理想值：1。預報偏差不比較預報的好壞，只比較預報和實況發生事件的相對頻率，揭示了預報擊中（A）事件是過多或過少的傾向。

6.ETS評分。

ETS=■

其中hitsrandom=■

ETS值域為-1/3～1，理想值為1。ETS評分吸收了TS的一些優點，又降低了隨機概率對評分的影響。譬如，因為在濕季要比干季容易預報降水，ETS評分就更能體現預報能力。ETS評分經常用來檢驗數值模式的降水預報。ETS評分對空報和漏報采用了同樣的懲罰措施，而并沒有區分預報誤差來源。

7.HSS評分。

HSS=■

（ExpectdCorrect）random=■

HSS值域：-∞～1，理想值：1。HHS評分消除了純粹由于隨機變化而產生預報正確的因素，是屬于廣義的技巧評分。公式中分子是剔除了隨機變化的預報正確數。在氣象學中，隨機變化和氣候值預報、持續性預報等相比通常并不是最好的預報。

8.TSS評分。

TSS=■-■=■

=■-■

=POD-POFD

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

events）-1

TSS：-1～1，0表示沒有預報技巧，理想分：1。特點是利用例聯表中的所有要素，不依賴與氣候事件的發生頻率，但對大概率事件檢驗效果會更好。像POD一樣，在第一項中給極端事件的權重過大，所以可能對常發事件更有用。該評分對漏報事件敏感而對假警報事件不敏感。隱含根據觀測分層的特性。如果一個事件發生了幾次在都沒有預報出來，即便總的精度很高，則評分也可能是負值。

9.后一致性。

PAG=■=■

PAG：0～1，理想分：1。表示所有預報事件中正確的比率。只與預報數有關，與實況的關系不確定。注意與POD的區別。

10.探測率。

POD=■=■=■

POD：0～1，理想分：1。應與空報率一起考慮。是ROC的重要部分。表示在所有觀測事件中被正確預報的比率。POD+PO=1

11.空報探測率。

POFD=■=■=■

POFD：0～1，理想分：0。是ROC的重要部分。表示空報在所有觀測的非事件中所占的比率。

三、結語

數值預報產品檢驗作為數值產品釋用當中非常重要的一環，設計合理的檢驗方案其檢驗結果不僅可以為模式設計者有效判斷模式的物理方案、參數化及陸面過程等的合理性提供參考，而且可以為模式使用者（預報員）了解模式的預報性能提供幫助，尤其對要素預報，具有指示性意義。

參考文獻：

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[5]劉還珠，張紹晴.中期數值預報的統計檢驗分析[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