GB/T 41165-2021《海洋預報結果準確性檢驗評估方法》風暴潮部分研制方法

徐婷婷 鄧小東 馬衛軍 徐麗麗 梁穎瑜 郜海 姚圣康 鄔惠明

摘 要：風暴潮警報涉及要素較多，檢驗評估有一定困難性，本文詳述了GB/T 41165-2021《海洋預報結果準確性檢驗評估方法》風暴潮部分的制定過程。研制過程中基于風暴潮警報調研和歷史災情分類研究，設計了風暴潮警報質量的量化評價方式，并應用東海區警報結果和實況數據反復測試和驗證，結合多輪意見征求與試用成果，修正了潮時和潮位評估的閾值，撤消了過程整體評分的固定模式，分別建立了警報等級、潮時和潮位的檢驗評估算法，首次為海洋預報機構風暴潮警報評價提供了統一量化檢驗評估標準。

關鍵詞：風暴潮，警報檢驗，潮位評估，等級評估

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2023.06.008

0 引 言

風暴潮災害是我國沿海最主要的海洋災害，近20年我國風暴潮災害總經濟損失達2，003億余元，占海洋災害經濟損失的91.78%[1]。風暴潮警報是減少沿海人民群眾生命財產損失的有效手段。2012年《風暴潮、海浪、海嘯和海冰災害應急預案》發布后風暴潮警報啟動及發布流程開始規范化，2018年《海洋觀測預報管理條例》出臺后全國風暴潮警報發布形式逐步統一。基于警報橫向比較和社會價值體現等因素，風暴潮警報的標準化驗證需求也日益迫切，制定統一的客觀檢驗評估標準，是健全警報質量管理制度的重要組成，也是促進各家預報機構相互學習、交流，有利于防災減災服務能力的手段。

近年來眾多預報員、學者在風暴潮預警報驗證方面做了大量的研究工作，2008年風暴潮業務化預報模式結果的檢驗研究逐步標準化[3]；2009年我國海洋預報機構開始在警報過程總結時進行等級檢驗；2013年國家海洋局在海洋災害應急管理體系建設中著重強調了預警報檢驗評估體系建設的重要性[4]，警報等級定性檢驗開始細化至每一份預報單；而后預報機構愈發重視各類預警報的量化檢驗評估工作，我國近海預警報和海洋災害評估相關研究日漸深入，災情等級的量化評價規則[5]、風暴潮預警預報與災情評估系統平臺[6 ]、全球大洋潮汐模式的預報準確性綜合評估[7]等研究成果先后發表。

國家海洋環境預報中心、各海區預報中心及其他警報發布機構先后制定了風暴潮警報評估企業標準，但因評估標準存在屬地特征，不適宜進行評估結果的跨海區對比。2017年自然資源部海洋減災中心牽頭，由國家海洋信息中心作為第三方開始對全國海洋預報系統的警報進行客觀評分，初步實現了警報的量化評分，但是由于風暴潮警報涉及要素較多、潮汐預報的地域性特點十分突出等原因，只對每個警報過程做單一評分存在很大的偶然性和地域局限性，不足以全面評價整個預警過程。

GB/T 41165-2021《海洋預報結果準確性檢驗評估方法》風暴潮警報檢驗評估方法制定過程中，基于對2009-2018年風暴潮警報經驗產品和實況的研究分析，研制了一套風暴潮警報量化檢驗評估規則，同時根據風暴潮災害特點，在警報等級評估時采用加權平均算法，更能突出不同級別警報準確性之間的差異。規則初步制定后在東海區進行了充分試用，并對部分關鍵性技術問題進行了專題論證，經逐步完善，對等級檢驗和要素評估進行剝離，首次制定了一套中國沿海普適性的風暴潮警報量化檢驗評估標準。

1 資料來源

本文研究數據來源主要包括：自然資源部東海預報減災中心、自然資源部東海局、《中國海洋災害公報》和《中國風暴潮災害史料集》等。檢驗研究和測試涉及的高潮位、高潮時采用警報總結和災害公報中公示過的數據，警報等級驗證采用過程發生當年警戒潮位和發布標準（見表1）。

2 要素處理和規則制定

風暴潮警報需檢驗評估要素主要包含警報等級、高潮時和高潮位項，不同預報機構預報內容形式差異不大，要素提取條件較好。檢驗評估規則研究目的是實現預報結果量化評價，方便警報結果的橫向、縱向比對，所以檢驗評估閾值的設定應以現有警報單的實際誤差情況為主要考量標準，脫離現有預報誤差制定過于嚴苛或寬松的規則都會造成檢驗評估結果集中于某一分值區間，無法拉開分數差距，也就失去了結果評價的意義。

2.1 警報等級評估與檢驗

為便于研究和規則制定，對警報等級和觀測等級分類賦值，賦值規則見表2。

3 規則測試及試用

基于以上規則，選取東海區涉及站點信息相對豐富的2011-2018年臺風風暴潮警報和過程實況進行評估與檢驗測試，結果見表3。

從檢驗結果看，得分和警報最高等級誤差相關性過高的情況，即使一份警報單中只有少數站點最高級別與實況相符，其他站點誤差較大，按照此方法總分差異也不大。這種單一的評估方式不能滿足所有情況下的警報檢驗評估，尤其是超歷史過程中，潮位評分占比僅有10%的情況下很難突出預報準確度的重要性。

4 問題修正

通過核查天氣系統影響過程對比檢驗結果，為了解決存在的問題，完善檢驗評估方法，增強規則的合理性、兼容性及適用性，2018-2019年在東海區及全國各級海洋預報機構之間進行了充分試用，并召開數次工作研討會，經全國海洋預報機構意見征詢、討論與研究，從3個方面對檢驗評估規則進行補充完善。

4.1 等級評估

在測試結果分析和意見征求過程中都發現，按照整體警報級別評分容易出現越弱的過程得分越高的情況，如：1205泰利、1214天秤、1308西馬侖等警示性藍色警報單，這明顯和警報的重要性有矛盾；測試結果和試用中均發現了按照整體警報單評估的方式無法全面評價每個站點預報的準確度的現象，如圖4中兩份警報最高預警級別均準確，得分相同，但是預報級別準確的單站（見表4）“1209”蘇拉過程僅有27.8%，“1419”黃蜂過程有72.0%，僅評判整體級別準確率沒有足夠的代表性。

針對這一問題，多次邀請各級海洋預報機構討論研究，以方便實操和充分體現單站不同等級預警準確度為目的，擬改整體等級評分為分站點等級評分后取加權平均的方式進行等級評估。考慮實際預警過程中，警報級別不僅是應急響應和處置依據，也和災情密切相關。由于在風暴潮過程中實測級別更貼近災情，漏報（應急措施不到位）較比空報（應急處置過度）造成的損失大得多，故以實測等級為加權系數判定依據。

為確定加權系數的取值，統計整理了1949-2020年的風暴潮災損和實測等級對應關系[1-2]，圖4和圖5顯示越高實測等級至災越嚴重（根據《海洋災害應急預案》1級紅色最高，4級藍色最低，下同），20 06年風暴潮警報開始發布后，人員傷亡銳減，但經濟損失仍隨預警等級波動。表5的不同等級平均人員傷亡和經濟損失比例基本呈倍數關系，人口損失為10：5：3：1，經濟損失為6：3：1：1，取平均為8：3：2：1，同時按照前3等級遞進比例取4：3：2：1為兩組測試權重，調取2012-2018年實測紅色的臺風評分測試結果如表6所示，前3級比例調整紅色取值為4時，分差均不超過2分，分值分布影響很小，考慮方法的等級協調性，選用4：3：2：1的權重取值。

式中：

S 單份—— 單份警報單的警報級別得分；

n 紅—— 達到紅色預警級別的驗潮站數；

S 紅—— 警報單中紅色警報驗潮站的警報級別得分；

n 橙—— 達到橙色預警級別的驗潮站數；

S 橙—— 警報單中橙色警報驗潮站的警報級別得分；

n 黃—— 達到黃色預警級別的驗潮站數；

S 黃—— 警報單中黃色警報驗潮站的警報級別得分；

n 藍—— 達到藍色預警級別的驗潮站數；

S 藍—— 警報單中藍色警報驗潮站的警報級別得分；

n 未達—— 未達到藍色警戒潮位的驗潮站數；

S 未達—— 警報單中未達到藍色警報驗潮站的警報級別得分。

以1209“蘇拉”過程2012年8月1日22時發布的風暴潮橙色警報為例對更改前后的等級評估規則進行對比如下。

該過程共涉及驗潮站15個，其中等級預報準確站點7個，最高預報等級和實測等級均為橙色，按照原評估規則整體等級發布準確，得分為100分，該評分過于籠統，未能體現該預報單中單站預報情況；按照更改后評估規則取單站等級預報加權平均，如表7所示得分為89.6分，更改后規則得分更能體現單站預警實際情況。

若單站出現超警戒而未發布預報潮時，視為漏報，此時按照S 潮時= 0處理，單份風暴潮警報潮時得分為所有預報海域潮時得分的累加平均。

4.3 綜合得分

本方法試用過程中發現，原公式（10）中等級、潮位和潮時占比為8∶1∶1的評分硬性規定有很大的局限性，該綜合評分設定不適用于所有區域，沒有足夠的警報和災損資料支撐這一評估取值方式，目前關于預警級別和潮位、潮時預報的重要性仍存在一定爭議。如：浙江乍浦驗潮站，該站點對應了兩個警戒潮位核定岸段，平湖岸段的四色警戒潮位分別為445cm、475cm、510cm和540cm（基面：85高程，下同），乍浦港岸段的四色警戒潮位分別為440cm、455cm、475cm和490cm（基面：85高程，下同），乍浦站475cm的潮位預報，平湖岸段為黃色預警級別，乍浦港岸段就達到了橙色預警級別，此種情況下潮位預報的準確度就不能以占比10%來評判了。具體比例應根據地區特征分段取值比較穩妥，不宜做統一規定。同時綜合評分除了技術評定的因素外也有行程處置需求等因素，本研究最終取消了綜合得分規定，改為僅提供每一個警報要素的檢驗評估方法，各地區和各單位可以根據區域特征對各要素評估結果進行組合，或者就單要素的檢驗評估結果進行橫向比對。

5 結 語

本方法將風暴潮警報分為預警等級、高潮位和高潮時3個要素進行檢驗評估。其中檢驗是準確率、空報率和漏報率的比率統計，僅針對預警等級；評估對3個要素均有統計，在規則研究初期，研究樣本主要為東海區的警報單，潮位和潮時的評估閾值過于狹窄，在全國試用和征求意見過程中北海部分區域出現了天文潮導致的潮時潮位誤差偏離過大情況，考慮到本方法的適用性，幾經研討和調整，最終確定了潮位10～50cm，潮時1～4h的評估閾值，以方便地方應用時根據本地特征收窄取值范圍；最終撤消了過程整體評分的固定比例，改為僅提供警報等級、潮時和潮位的量化檢驗評估算法。

目前，如何客觀、公正和科學地評估風暴潮警報是一個綜合性的問題，現有研究制定的評估方法存在一定的不足之處：本方法為解決風暴潮檢驗評估全國性規則從無到有的問題，評估閾值過于寬泛，部分區域需要更嚴格的地方標準配合執行；在最終制定過程中取消了綜合評分，僅提供了每個警報要素的檢驗評估規則，綜合評分還需要進一步制定區域性規則；本規則的配套的自動評分系統對警報制作系統的聯動需求較高。以上問題我們將在實踐中深化研究，并在修訂過程中逐步完善。

參考文獻

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