杜鈞康志明

（1 美國國家海洋大氣局國家環(huán)境預(yù)報中心，華盛頓，美國；2 中國氣象局國家氣象中心，北京 100081）

天氣預(yù)報中不確定性問題的調(diào)查分析

杜鈞1康志明2

（1 美國國家海洋大氣局國家環(huán)境預(yù)報中心，華盛頓，美國；2 中國氣象局國家氣象中心，北京 100081）

圍繞天氣預(yù)報中的不確定性問題，對中國18個省（市、區(qū)）229名代表了國家、省和地市3級以及不同崗齡的預(yù)報員進行了問卷調(diào)查。具體調(diào)查內(nèi)容包括了以下3個方面：（1）應(yīng)用數(shù)值預(yù)報的情況；（2）對天氣預(yù)報準確率的看法；（3）對天氣預(yù)報（數(shù)值預(yù)報）中不確定性、集合預(yù)報產(chǎn)品以及預(yù)報發(fā)布形式等問題的看法。結(jié)果表明，數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品目前已經(jīng)成為預(yù)報員們制作日常天氣預(yù)報的主要工具。因此，數(shù)值預(yù)報所固有的可預(yù)報性（不確定性）問題已是預(yù)報員不得不面對的一個科學(xué)問題。最后，介紹了一項新近關(guān)于美國預(yù)報員在日常天氣預(yù)報中應(yīng)用集合預(yù)報信息所遇到的一些挑戰(zhàn)，這包括“資料不全面、分析工具不足、培訓(xùn)教育不夠、缺乏檢驗、工作負荷重、模式分辨率低以及預(yù)報規(guī)范格式的限制”7方面。這些可供氣象學(xué)科帶頭人和業(yè)務(wù)管理決策者思考和計劃。

集合數(shù)值預(yù)報和產(chǎn)品，天氣預(yù)報準確率和不確定性，完全預(yù)報和不完全預(yù)報，預(yù)報員和問卷調(diào)查

1 引言

正確地處理預(yù)報中的不確定性，對于更大地實現(xiàn)天氣、氣候預(yù)報的應(yīng)用價值具有實際意義[1]。作者認為要真正地讓這一理念成為現(xiàn)實，必須要經(jīng)過以下3大步。第一步，是科學(xué)上的認可。自從Lorenz發(fā)現(xiàn)大氣運動的混沌性[2]以及Epstein提出動力隨機預(yù)報[3]、Leith提出集合預(yù)報[4]以來，大氣可預(yù)報性問題的存在和重要性已被逐漸認可。雖然集合預(yù)報系統(tǒng)目前還處于發(fā)展階段、結(jié)果也不完全理想，但目前它們已在世界上的主要數(shù)值預(yù)報中心成為日常業(yè)務(wù)系統(tǒng)的一部分[5]。所以，第一步目前已經(jīng)基本成熟。第二步，是讓預(yù)報員認可并成為日常預(yù)報中不可或缺的一部分。這一步在美國和歐洲正在逐步實現(xiàn)的過程中，特別是預(yù)報員的認可在那里已不再是問題。在中國，這一步可能才開始不久。譬如，2008年奧運會期間曾有中尺度集合預(yù)報產(chǎn)品的嘗試[6-7]。本文進行的調(diào)查研究正是為了加速這第二步的實現(xiàn)。這一方面需要預(yù)報員通過實踐和時間來逐步體驗預(yù)報不確定性信息的價值，以致使其成為制作預(yù)報過程中必不可少的一部分（這需要時間）；另一方面需要氣象業(yè)務(wù)管理者根據(jù)實際情況來修改預(yù)報規(guī)范和改變預(yù)報的發(fā)布形式，來適應(yīng)新科技的進步和用戶的需要（這需要遠見和膽識）。當(dāng)然，針對不同的用戶，預(yù)報發(fā)布的形式可能也不一樣。第三步，是讓公眾和社會接受并應(yīng)用到具體的決策過程中。有些需要風(fēng)險估計的用戶，如保險公司，正開始應(yīng)用氣象預(yù)報的不確定性信息。但對于大多數(shù)用戶和公眾而言，他們可能還不理解、不能接受或不會應(yīng)用這種常常包含有幾種可能性的帶有不確定性的定量預(yù)報。所以，要實現(xiàn)這第三步顯然是任重而道遠。

2011年5—6月，我們通過電子郵件的方式對中國18個省市的省氣象臺和地市氣象臺以及中央氣象臺部分預(yù)報員進行了關(guān)于對天氣預(yù)報中預(yù)報不確定性問題看法的調(diào)查（問卷及統(tǒng)計數(shù)字見附錄）。調(diào)查內(nèi)容包括對數(shù)值預(yù)報的應(yīng)用情況、天氣預(yù)報準確率、數(shù)值預(yù)報的不確定性、集合預(yù)報產(chǎn)品以及預(yù)報發(fā)布形式等問題的看法。希望調(diào)查結(jié)果能幫助科研人員和業(yè)務(wù)管理者了解業(yè)務(wù)預(yù)報員們對這一預(yù)報不確定性問題的基本看法，以便在今后行動中能有的放矢。具體來說，希望對如下3方面有所幫助：（1）如何更好地提高和改進現(xiàn)有天氣預(yù)報信息發(fā)布和服務(wù)，這包括預(yù)報規(guī)范和發(fā)布形式的改革；（2）如何更有針對性地設(shè)計集合預(yù)報產(chǎn)品，使它們既能合理表達預(yù)報的可信度又能使預(yù)報員喜愛并易用；（3）如何讓公眾和用戶更準確全面地理解和吸取天氣預(yù)報的有用信息并按自身的特點有選擇地來應(yīng)用預(yù)報信息，更好地為經(jīng)濟和社會活動服務(wù)。

2 基本情況

2.1 樣本

229位業(yè)務(wù)預(yù)報員參加了調(diào)查（回答了問卷），他（她）們來自18個?。ㄊ?、區(qū)）（上海、天津、重慶、江西、江蘇、浙江、山東、安徽、湖北、湖南、四川、河北、廣西、吉林、黑龍江、甘肅、青海和新疆）和中央臺。代表了3級氣象業(yè)務(wù)部門（圖1a：國家（9.6%），省（46.3%），地市（44.1%））以及不同崗齡（即從事預(yù)報工作的年數(shù)）的預(yù)報員（圖1b：1～3年（23.1%），4～6年（21.8%），7～10年（17.5%），10年以上（37.6%））。所以，樣本應(yīng)該具有代表性，因為它包括了各級和不同資歷業(yè)務(wù)預(yù)報員的群體。

2.2 使用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的情況

圖2a是預(yù)報員在他們?nèi)粘Ｖ谱魈鞖忸A(yù)報過程中應(yīng)用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的情況?？梢钥闯?，數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品已經(jīng)成為日常預(yù)報的主要工具：有88.8%的人既在形勢預(yù)報上也在要素預(yù)報上應(yīng)用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，另有9.9%的人只在形勢預(yù)報上參考數(shù)值預(yù)報，1.3%的人只在要素預(yù)報上參考數(shù)值預(yù)報，而已經(jīng)沒有人不在日常預(yù)報中運用數(shù)值預(yù)報。所以，數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品中所固有的可預(yù)報性（不確定性）問題[8-9]已是當(dāng)前預(yù)報員不得不面對的一個科學(xué)問題。關(guān)于這些預(yù)報不確定性問題，杜鈞等[10-13]已作過一系列詳細而通俗的介紹。

2.3 對預(yù)報不確定性問題的了解

問卷對預(yù)報員是否了解預(yù)報不確定性問題進行了調(diào)查（圖2b）。大部分（66.9%）接受調(diào)查的預(yù)報員對此問題或多或少有一些了解：47.2%的預(yù)報

員或者參加過集合預(yù)報的培訓(xùn)或者閱讀過集合預(yù)報和預(yù)報不確定性的文章，有19.7%的預(yù)報員兩者都有。當(dāng)然，也有相當(dāng)數(shù)量的預(yù)報員（33.1%）對此問題了解不多，既沒有參加過任何培訓(xùn)也沒有讀過有關(guān)文章。如果，再按“崗齡”和“工作單位”兩組來統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)資歷深的預(yù)報員（≥7年）比資歷淺的預(yù)報員（＜7年），對此問題了解的比例要高（～76%比～57%），中央氣象臺的預(yù)報員比地市氣象臺的預(yù)報員的比例要高（96.4%比55.4%），而省臺預(yù)報員介于二者之間（73.6%）。原因是資歷深的預(yù)報員（尤其是7～10年的業(yè)務(wù)骨干）比資歷淺的預(yù)報員參加培訓(xùn)機會多（～32%比～16%，圖3a）和閱讀多（～71%比～54%，圖3a）；中央臺的預(yù)報員比地市臺的預(yù)報員參加培訓(xùn)機會多（50%比9.9%，圖3b）和閱讀多（86.4%比54.5%，圖3b）。從了解這一問題的來源來說，大多數(shù)人員是通過閱讀文章（63.3%），而只有少部分人是參加了集合預(yù)報等培訓(xùn)（23.1%）。

圖1 調(diào)查樣本分布（a）工作單位；（b）崗齡（預(yù)報服務(wù)年限）

圖2 數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品使用情況（a）和對“預(yù)報不確定性問題”的接觸（b）

3 調(diào)查結(jié)果

在下面的分析中，除了總體樣本的統(tǒng)計外，還按照“工作單位”（圖1a）、“崗齡”（圖1b）以及“對預(yù)報不確定性問題的了解程度”（圖2b）3個子樣本集進行了統(tǒng)計。如果子樣本集的結(jié)果沒有明顯不同于總體樣本的結(jié)果，我們僅給了總體的結(jié)果；否則，我們會指出子樣本集的差異。為了更好地理解調(diào)查結(jié)果，建議讀者在閱讀本節(jié)前先閱讀附在文后的問卷和總體統(tǒng)計數(shù)字而先有個大致的了解。

圖3 了解“預(yù)報不確定性問題”的來源（斜線柱代表“閱讀”、實黑柱代表“培訓(xùn)”）（a）按崗齡；（b）按工作單位

圖4 預(yù)報員對當(dāng)前天氣預(yù)報準確性的看法

3.1 對天氣預(yù)報水平和服務(wù)的看法

圖4是預(yù)報員對現(xiàn)有天氣預(yù)報準確性的看法。63.8%的人認為“基本準確”，34.9%的人認為“有時對有時錯”，只有極個別的人認為“完全準確”（0.4%）或“完全不準確”（0.4%）。這說明了在承認預(yù)報不完全準確的前提下，大部分預(yù)報員對現(xiàn)有天氣預(yù)報水平有一個比較正面和客觀的看法。當(dāng)然，這應(yīng)當(dāng)歸功于目前的氣象科技已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)乃胶蛯嵱脙r值。值得注意的是，地市臺的預(yù)報員對預(yù)報準確率比較樂觀（72.3%認為“基本準確”，只有27.7%認為“有時對，有時錯”），而中央臺和省市臺的預(yù)報員則比較不樂觀（約55%認為“基本準確”，而認為“有時對，有時錯”的比例增加到41%）。這原因可能是國家和省臺負責(zé)的地域較大，情況較全面也比較復(fù)雜。另外，從崗齡來看，發(fā)現(xiàn)骨干預(yù)報員（7～10年）對此有更負面的看法（47.5%認為基本準確，50%認為“有時對，有時錯”，甚至有2.5%的人認為“基本不準確”）?？赡茉蛴? 一是骨干預(yù)報員遇到的疑難過程多，報錯的經(jīng)歷也多，而對錯誤的印象要更深刻；二是骨干預(yù)報員對報對報錯會有更全面的認識，新預(yù)報員則僅考慮結(jié)果，對其中的技巧和內(nèi)涵則認識不足；三是近年來數(shù)值預(yù)報的水平在提高，且雷達、衛(wèi)星、自動站等技術(shù)手段也在提升，新預(yù)報員對數(shù)值預(yù)報和新技術(shù)的依賴性更大一些，骨干預(yù)報員則還需要有轉(zhuǎn)變過程。但不解的是老預(yù)報員（＞10年） 則很樂觀（74.4%認為“基本準確”，25.6%認為“有時對，有時錯”），不知這是否是因樣本局限而出現(xiàn)的偶然結(jié)果，還是有什么特殊的相關(guān)因素（如水平較高和比較自信）而造成的，筆者不知如何解釋。

當(dāng)被問及是否對自己所發(fā)布的預(yù)報有十足的把握時，絕大多數(shù)（95.2%）都承認“沒有” （圖5a）。雖然如此，但他們中的大部分人（86%）在心中卻對所發(fā)布的預(yù)報的可信度如何有一個估計（圖5b）。這一結(jié)果其實正好反映了氣象預(yù)報混沌性的實質(zhì)——預(yù)報存在不確定性，但并不是隨機的。至于天氣為何不能被完全報準（圖6），絕大部分人（93.2%）認為這是由于大氣運動的復(fù)雜性和混沌性，并且認為天氣是永遠不可能被100%報準的。只有極少數(shù)的人（7%）認為這是因為目前的氣象科技還不夠發(fā)達，但隨著科學(xué)的進步，總有一天天氣是可以被完全報準的。中央臺預(yù)報員沒有人持這種“總有一天會完全準確”的觀點，而省臺的比較多（12.3%），地市臺的也有一些（3%）。預(yù)報骨干（7～10年）有很多人（15%）也持這種觀點。不解的是“對預(yù)報不確定性”有些了解的人群持這種觀點的比例反而偏高（15.6%），這似乎剛好同培訓(xùn)和教育的目的背道而馳。雖然，培訓(xùn)等對于預(yù)報員接受新的技術(shù)是一種很重要的途徑[14]，但似乎僅僅靠這種一兩次短暫的培訓(xùn)和教育是遠遠不夠的。要使人們能接受一種同傳統(tǒng)的做法完全不同的新

觀點和新思想，如集合預(yù)報[11]，培訓(xùn)和教育是一項長期而經(jīng)常性的任務(wù)。這一結(jié)果同北京奧運會的中尺度集合預(yù)報研究示范項目報告中的結(jié)論是一致的[6]。

圖5 預(yù)報員對自己制作發(fā)布的單值確定預(yù)報的評價（a）準確性的把握；（b）可信度的估計

圖6 預(yù)報員對將來終極天氣預(yù)報準確性的看法

當(dāng)被問及為何公眾覺得氣象部門的天氣預(yù)報不太準確（如文獻[10]）的原因時（圖7），大多數(shù)預(yù)報員（69.4%）認為一部分原因在公眾身上——即只記得少數(shù)報得不好的（但往往是影響大的復(fù)雜的天氣）而忘了多數(shù)報得好的(往往是影響小的簡單的晴好天氣）；而另一部分原因在氣象部門自身的片面宣傳上（給人印象是天氣是可以被精確地預(yù)報出來的）。但也有相當(dāng)比例的預(yù)報員（24%）只怪公眾，而僅僅只有6.6%的人只怪氣象部門自己。在地市臺中這一點特別明顯，怪公眾的有35.6%，怪自己的僅有3%。而在國家和省一級的預(yù)報員中，怪自己的明顯增加（8.5%～13.6%），而怪公眾的明顯減少（14.2%～18.2%）。

在預(yù)報不完全準確，“有時對，有時錯”的情況下，如何來提高氣象服務(wù)的質(zhì)量呢？超過半數(shù)以上的預(yù)報員（56.3%）認為“要加強專業(yè)預(yù)報”和“增加預(yù)報發(fā)布頻次”雙管齊下。也有相當(dāng)多的預(yù)報員（36.7%）認為只要加強專業(yè)預(yù)報就可以提高服務(wù)質(zhì)量；而僅有7%的人認為只要增加預(yù)報發(fā)布頻次、不斷更新預(yù)報信息就可以提高服務(wù)質(zhì)量。注意，這里所說的專業(yè)預(yù)報並不是泛指一般的有償專業(yè)服務(wù)，而是指對特定行業(yè)和特別活動的特殊需求“量身定制”的專門化預(yù)報。關(guān)于針對不同用戶的不同需要，應(yīng)該用不同預(yù)報信息來決策以最大程度來實現(xiàn)預(yù)報的經(jīng)濟價值，這在文獻[12]中有過專門的討論。

圖7 預(yù)報員關(guān)于“公眾對天氣預(yù)報準確性有負面看法”這一現(xiàn)象的認識

圖8 預(yù)報員對集合預(yù)報產(chǎn)品的選擇

3.2 對預(yù)報不確定性產(chǎn)品的看法

首先，廣大預(yù)報員（93.9%）對于國家氣象中心能提供數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的可信度信息[15-17]表示歡迎，只有6.1%的預(yù)報員表示不需要。但中央臺的預(yù)報員有9.1%表示不要氣象中心提供的預(yù)報可信度產(chǎn)品，這一比例要高于省臺和地市臺的預(yù)報員。這可能同中央臺能接觸到更多的其他模式預(yù)報資訊以及目前的集合預(yù)報產(chǎn)品質(zhì)量還不夠滿意有關(guān)。至于具體要什么樣的預(yù)報可信度產(chǎn)品（圖8），超過半數(shù)以上的預(yù)報員（57.2%）想要得到全面的預(yù)報不確定性信息，這包括“所有可能事件發(fā)生的概率分布”、“某一特定事件發(fā)生的概率大小”、“最有可能出現(xiàn)的預(yù)報”，以及“預(yù)報的可能性區(qū)間（從最小值到最大值）”。值得注意的是，在剩下的42.8%的預(yù)報員中，“某一特定事件發(fā)生的概率大小”和“最有可能出現(xiàn)的預(yù)報”是兩類很受歡迎的產(chǎn)品，分別為15.7%和13.5%。而全面反映預(yù)報不確定的“分布”式產(chǎn)品，即“所有可能事件發(fā)生的概率分布”和“預(yù)報的可能性區(qū)間（從最大值到最小值）”，其受歡迎程度明顯偏低（分別為6.6%和7.0%），這可能同預(yù)報信息是否好用、怎樣用，以及是否有足夠時間消化等有關(guān)，當(dāng)然也有一些

人可能是受習(xí)慣性的確定論思維的影響。

圖9 預(yù)報員對國家氣象中心向他們提供“預(yù)報不確定性”信息和產(chǎn)品的意見

對于預(yù)報員自己來說（圖9），有了預(yù)報可信度信息以后，大部分預(yù)報員（86.4%）認為他們會用來調(diào)整和修改其所做的預(yù)報，但同時也認識到在目前所要求的“單一值確定論”形式的預(yù)報實踐中，并不能充分利用不確定性信息的所有價值，所以認為現(xiàn)行預(yù)報規(guī)范需要進行合理科學(xué)的修改，以包括不確定性信息作為預(yù)報的一部分，即所謂的“完全預(yù)報”[1,13]。當(dāng)然也有相當(dāng)一部分預(yù)報員（13.6%）認為預(yù)報不確定性信息沒有用處，反而造成混亂。持這一反對觀點的在老預(yù)報員（＞10年）和地市、省級預(yù)報員中的比例要高一些（分別為18.6%和14.5%），而中央臺較低（4.5%)。

從前述中，我們已經(jīng)看到預(yù)報員們雖然對自己所做的預(yù)報沒有十足的把握，但對于預(yù)報的可信度如何卻有一個估計。所以，對于氣象用戶來說，當(dāng)問到是否應(yīng)該把這可信度或預(yù)報不確定度作為預(yù)報內(nèi)容的一部分（即“完全預(yù)報”），并如實地告訴公眾和用戶時（圖10），絕大多數(shù)預(yù)報員（74.7%）認為“應(yīng)該”。認為“應(yīng)該”的比例在國家級預(yù)報員中比省、地市級的預(yù)報員中要高（86.4%比73%），資深預(yù)報員（≥7年）比新預(yù)報員（＜7年）要高（80%比70%）。比較上面的結(jié)果，這里可以隱約地體會到老預(yù)報員（＞10年）對于預(yù)報不確定性產(chǎn)品有一種微妙的矛盾心態(tài)：對于用戶，他們持比較開放的心態(tài)（傾向把預(yù)報可信度信息告訴用戶），而對于自己，他們有不少人持比較保守的態(tài)度（認為不確定性信息沒有用處，反而造成混亂）。當(dāng)然，絕大多數(shù)資深預(yù)報員不管對于用戶（80%）還是對于自己（86%）都持開放的態(tài)度。另外，對于“預(yù)報不確定性”有些了解的預(yù)報員認為“應(yīng)該”的比例明顯地高于對此問題不了解的預(yù)報員群體（84.4%比69.7%）。在這一點上，培訓(xùn)與教育似乎起到了一定的作用。值得注意的是，持反對意見的預(yù)報員其主要理由（19.7%）是擔(dān)心用戶不會應(yīng)用預(yù)報不確定性信息因而造成混亂，而只有5.7%的人是因為“面子”問題（“報不準卻把責(zé)任推給用戶”）。所以那些預(yù)報員的動機是為用戶著想。這與前面看到的預(yù)報員強調(diào)“加強專業(yè)預(yù)報”來提高氣象服務(wù)水平的看法是一致的。這充分說明了氣象界同用戶之間建立關(guān)系的重要性，并且這一點已經(jīng)得到了廣大預(yù)報員的認可。關(guān)于用戶如何應(yīng)用預(yù)報不確定性的信息，以提高預(yù)報的經(jīng)濟價值和加強科學(xué)的決策，杜鈞等[12]對此進行了專門討論。上面兩項的調(diào)查結(jié)果，表明絕大多數(shù)預(yù)報員都表示愿意應(yīng)用預(yù)報不確定性的產(chǎn)品（～86%），并且認為應(yīng)該把預(yù)報可信度告訴用戶（～75%）。這說明，用“包含了不確定性”的“完全預(yù)報”來取代現(xiàn)行 “確定性單一值”的“不完全預(yù)報”是一個已能被廣大預(yù)報員接受的概念，它在目前預(yù)報員中已有相當(dāng)?shù)乃枷牖A(chǔ)。尤其是，他們對自己較對用戶更加開放（～86%比～75%）。當(dāng)然，針對不同的用戶（如一般公眾和專業(yè)用戶），預(yù)報發(fā)布的形式也可有所不一樣，這需要做進一步的探討。其實，在下面的調(diào)查結(jié)果中也有一定反映。

圖10 預(yù)報員關(guān)于“是否應(yīng)該把預(yù)報可信度信息告知公眾和用戶”這一問題的看法

圖11 預(yù)報員關(guān)于“不確定性產(chǎn)品的表達形式”（a）和“如何讓公眾和用戶了解預(yù)報的不確定性”（b）問題的看法

那么如何向大眾來表達預(yù)報中的不確定性呢（圖11a）？結(jié)果發(fā)現(xiàn)，概率是很多預(yù)報員所推崇的

（24.9%），用不同的語言和顏色也受到一定程度的歡迎（分別為15.7%和14.8%）?？上驳氖怯屑s一半的預(yù)報員（44.5%）較開放，愿意接受以上各種方式，認為在不同的場合應(yīng)用不同的方式來表達。這種開放態(tài)度在中央臺預(yù)報員中尤其普遍（達72.7%）。為了更好地做好氣象服務(wù)，如何讓廣大公眾和用戶了解氣象預(yù)報有不可避免的不確定性本質(zhì)以避免他們有不切實際的期望呢（圖11b）？有相當(dāng)數(shù)量的預(yù)報員（32.3%）認為科普是一種首選的工具。其次依次是同用戶合作（5.2%），培訓(xùn)（4.8%）和學(xué)?？茖W(xué)常識類教科書（3.9%）。而超過半數(shù)的預(yù)報員（53.7%）認為以上這些都很重要，應(yīng)該多管齊下。

3.3 推廣應(yīng)用集合預(yù)報所遇到的一些障礙

在美國，由于集合預(yù)報開展得比較早（1992年，全球中期集合預(yù)報系統(tǒng)上業(yè)務(wù)[18]；2001年，區(qū)域短期集合預(yù)報系統(tǒng)上業(yè)務(wù)[19]），預(yù)報員已經(jīng)很習(xí)慣于應(yīng)用集合預(yù)報資料，集合預(yù)報已經(jīng)成為他們?nèi)粘Ｖ谱黝A(yù)報不可或缺的一部分。在這種情況下，美國預(yù)報員關(guān)于推廣應(yīng)用集合預(yù)報和預(yù)報不確定信息所面臨的一些問題也許會對中國預(yù)報員（還處于熟悉集合預(yù)報的開始探索階段）有一些借鑒作用。關(guān)于這個問題，美國紐約州立大學(xué)石溪分校不久前進行了一項調(diào)查（http:// dentrite.somas.stonybrook.edu/CSTAR/Sureys.html）。該調(diào)查發(fā)現(xiàn)預(yù)報員還不能完全把預(yù)報不確定性信息應(yīng)用在日常的天氣預(yù)報實踐中的主要原因有以下這一些（按得分從高到低排列）：

（1）資料。由于數(shù)據(jù)傳輸能力的限制，許多原始集合預(yù)報資料，如所有集合成員的預(yù)報，還不能及時傳給基層氣象臺站，所以預(yù)報員無法得到完整的信息或根據(jù)需要自行加工成特殊的產(chǎn)品。

（2）工具。缺少靈活、方便、功能齊全的資料處理和顯示軟件。所以，預(yù)報員無法方便快速地處理（計算）和顯示集合預(yù)報資料以提取有效的預(yù)報不確定性信息。

（3）培訓(xùn)。預(yù)報員在如何應(yīng)用集合預(yù)報、正確解釋集合產(chǎn)品等方面的知識還需要進一步培訓(xùn)。

（4）檢驗。對集合預(yù)報特別是其不確定性的度量等缺乏系統(tǒng)性的檢驗。所以，預(yù)報員們對集合預(yù)報的“好”與“壞”心中無數(shù)而缺乏信心，影響他們的有效使用。

（5）工作負荷。對現(xiàn)有的常規(guī)預(yù)報資料的處理與分析已使預(yù)報員們的日常工作忙于應(yīng)付，因此沒有時間再去消化新增加的集合預(yù)報資料。

（6）模式分辨率。由于集合預(yù)報要計算許多模式成員，受計算機資源的限制，集合預(yù)報模式的空間分辨率一般總是要比高精度的單一預(yù)報模式的空間分辨率低很多。所以，許多預(yù)報員更愿意去參考高分辨率的模式結(jié)果，而忽視低分辨率的集合預(yù)報結(jié)果。

（7）預(yù)報發(fā)布規(guī)范。因為現(xiàn)有的預(yù)報發(fā)布規(guī)范和內(nèi)容格式仍是確定論式的（如全美數(shù)碼化預(yù)報數(shù)據(jù)庫，NDFD），沒有給預(yù)報不確定性信息留有位置。所以，預(yù)報員雖有定量地預(yù)報不確定度或預(yù)報可信度信息但卻無法表達，因為最后還是要填一個確定的預(yù)報值。這一問題在本調(diào)查結(jié)果中也有同樣的反映。所以，修改預(yù)報發(fā)布規(guī)范和格式勢在必行。關(guān)于這一點，美國目前正在改革中，如在預(yù)報數(shù)據(jù)庫中增加預(yù)報不確定性的內(nèi)容和在下一代航空預(yù)報系統(tǒng)中增加一維“預(yù)報不確定性”。

以上這7方面的問題，作者認為中國的預(yù)報員在這預(yù)報形式轉(zhuǎn)型的過程中或早或遲都會面臨。所以在這寫出來供學(xué)科帶頭人和業(yè)務(wù)管理決策者參考應(yīng)是有價值的。

4 結(jié)論與討論

為了了解目前預(yù)報員對天氣預(yù)報中不確定性的看法，我們對中國18個省（市、區(qū)）的代表國家、省和地市3級的229位業(yè)務(wù)預(yù)報員就有關(guān)問題進行了調(diào)查。具體調(diào)查內(nèi)容包括對數(shù)值預(yù)報的應(yīng)用情況、天氣預(yù)報準確率、數(shù)值預(yù)報的不確定性、集合預(yù)報產(chǎn)品以及預(yù)報發(fā)布形式等問題的看法。調(diào)查結(jié)果分類總結(jié)討論如下。

4.1 數(shù)值預(yù)報及其可預(yù)報性

首先，調(diào)查表明目前數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品已經(jīng)成為預(yù)報員們在制作天氣預(yù)報中不可缺少的重要工具。因此，數(shù)值預(yù)報中所固有的可預(yù)報性本質(zhì)是預(yù)報員們必須認真面對的一個實際問題。超過半數(shù)以上的預(yù)報員對預(yù)報不確定性問題有一些了解。了解的途徑主要是通過閱讀文章和培訓(xùn)，其中閱讀文章要比培訓(xùn)更普遍。這說明通過寫文章來傳播新的思想比培訓(xùn)可以達到更多的人。所以，在此建議前沿的科學(xué)家們應(yīng)該多寫一些通俗的文章來傳播新的科學(xué)思想以促進新科技盡早實現(xiàn)其應(yīng)用價值。然而，也有相當(dāng)大比例（三分之一）的預(yù)報員對此問題并沒有接觸過，特別是地市級的和新的預(yù)報員更是如此。因此，關(guān)于數(shù)值預(yù)報中的不確定性或可預(yù)報性問題，教育（如寫文章）和培訓(xùn)在目前還是一個急需加強的任務(wù)，并且還是一種長期的任務(wù)，這樣才能真正達到預(yù)期的效果。特別要指出的

是，培訓(xùn)的對象不要忽略了如調(diào)查所顯現(xiàn)的地市臺和新的預(yù)報員們。

4.2 預(yù)報準確率和氣象服務(wù)

對于現(xiàn)有天氣預(yù)報的水平，幾乎所有預(yù)報員都承認它是不完全準確的。并且大部分人也認為即使在將來氣象科學(xué)不斷地完善，天氣預(yù)報也是不可能完全準確的，因為這是由大氣運動的復(fù)雜性和混沌性所決定的。可見預(yù)報員們在他們的頭腦里對天氣預(yù)報科學(xué)的概貌還是有一個很客觀清醒的認識。在關(guān)于為何公眾總是責(zé)怪氣象部門預(yù)報不準確的問題時，大部分預(yù)報員認為原因有二：一部分在公眾身上，公眾往往記住少數(shù)報得不好的（但也往往是影響大的復(fù)雜天氣），而忘了大多數(shù)預(yù)報得好的（往往是那些影響小的單一的晴好天氣）；另一部分在氣象部門自己身上，氣象部門往往片面地宣傳和過度強調(diào)成功積極的一面，而忽略了失敗的報道和分析，以致于留給公眾“天氣是應(yīng)該可以被準確地預(yù)報出來”的錯誤印象，在不知不覺中提高了公眾對天氣預(yù)報準確率的期望值。以上兩點很值得我們氣象工作者認真思考。一方面，雖然總體來說，天氣預(yù)報已有一定的準確率，但在復(fù)雜的重大天氣事件中它往往有很大的不確定性。那么我們?nèi)绾我钥茖W(xué)的態(tài)度來正確地面對這一不確定性（在這里也許“少數(shù)”比“多數(shù)”更重要）？另一方面是我們應(yīng)該如何報道宣傳天氣事件？筆者認為對預(yù)報事件的報道要全面客觀反映真實的預(yù)報水平，而要多利用報錯的重大天氣事件向公眾解釋氣象預(yù)報的難處和不確定性等。這樣，長期下來也許會使公眾理解氣象預(yù)報的不準確性源自何處，從而降低人們對天氣預(yù)報的期望值。在目前預(yù)報不太準確的情況下，大部分預(yù)報員認為通過針對性的專業(yè)預(yù)報和增加預(yù)報發(fā)布頻次是提高氣象服務(wù)的途徑（特別是前者）。這里可以間接地看到，氣象部門走出去同氣象用戶建立關(guān)系是更大地發(fā)揮天氣預(yù)報作用很關(guān)鍵的一步。

4.3 預(yù)報可信度信息的處理和集合預(yù)報產(chǎn)品

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然幾乎沒有人對自己所做的預(yù)報有十分的把握，但大部分人對自己所發(fā)布的預(yù)報的可信度如何，卻有一個大致的估計，即有些預(yù)報把握比較大，而有些沒什么把握。并且大部分預(yù)報員同意我們應(yīng)該把這個可信度作為預(yù)報的一部分，實事求是地告訴公眾和用戶。他們也歡迎國家氣象中心(數(shù)值預(yù)報中心)能向他們提供各種預(yù)報不確定性的產(chǎn)品。其中，“單一解”類的集合預(yù)報產(chǎn)品似乎比“多解”類的集合預(yù)報產(chǎn)品至少在現(xiàn)階段更受預(yù)報員們的歡迎。所有這些產(chǎn)品都能在一定程度上幫助預(yù)報員們來修正預(yù)報結(jié)果，但是他們也認識到在不改變現(xiàn)行“確定論形式”的預(yù)報規(guī)范的情況下，這些預(yù)報不確定性信息的用處受到很大的限制。當(dāng)然，也有一些人因為擔(dān)心用戶不會應(yīng)用預(yù)報不確定性信息，所以覺得不應(yīng)該把預(yù)報中的不確定性信息告訴用戶?？梢娮層脩羰煜ず蛻?yīng)用預(yù)報不確定性信息的專業(yè)“氣象行業(yè)服務(wù)模式”是多么的重要?？偟恼f來，用“包含了不確定性”的“完全預(yù)報”來取代現(xiàn)行“確定性單一值”的“不完全預(yù)報”是一個已經(jīng)能被大多數(shù)預(yù)報員接受的概念，它在目前的預(yù)報員中已有相當(dāng)?shù)乃枷牖A(chǔ)。當(dāng)然，從思想到行動，它還有很長的路要走。

4.4 向公眾、用戶表達和宣傳預(yù)報的不確定性

在如何向公眾和用戶表達預(yù)報中的不確定性方面，概率是很多預(yù)報員所推崇的，用不同的語言和不同的顏色也受到一定程度的歡迎，更多的人認為要在不同的場合應(yīng)用不同的方式來表達（這一點可作進一步的探討）。在如何讓公眾和用戶了解氣象預(yù)報存在不確定性的科學(xué)事實方面，有相當(dāng)數(shù)量的預(yù)報員認為科普是一種首選的工具，其次依次是同用戶合作、培訓(xùn)和各類學(xué)校的教科書。超半數(shù)以上預(yù)報員認為以上這些都很重要，要多管齊下。筆者認為，目前預(yù)報員們對于大眾教科書的教育重要性認識可能還不足。其實，從長遠來看，在科學(xué)常識類教科書中把氣象科學(xué)的不確定性本質(zhì)寫進去，這會使下一代人對氣象預(yù)報有一個正確的看法，而不至于對預(yù)報準確性有不切實際的期望。從短期看，科普應(yīng)該是一個不錯的補救方法?？上У氖?，現(xiàn)在的氣象科普基本上都是“知識型”的，以介紹大氣現(xiàn)象為目的。這種“知識型”的科普只授人以知識而不能改變?nèi)说乃枷牒涂捶?，所以其社會價值非常有限。因此，我們也應(yīng)該寫一些“觀念型”的氣象科普文章以幫助大眾了解和正確應(yīng)用氣象信息。

4.5 美國預(yù)報員應(yīng)用集合預(yù)報資料所遇到的障礙

最后，文章利用不久前紐約州立大學(xué)石溪分校所進行的一項調(diào)查介紹了美國預(yù)報員在日常業(yè)務(wù)中應(yīng)用集合預(yù)報資料所遭遇到的一些障礙。這包括以下7個方面：資料不全面、分析工具缺乏、培訓(xùn)不夠、系統(tǒng)性檢驗缺乏、工作負荷重、模式分辨率不夠、預(yù)報規(guī)范格式限制。這7方面的實際問題作為氣象學(xué)科帶頭人和業(yè)務(wù)管理決策者應(yīng)該認真思考并提前合理安排和計劃。

A Survey on Forecasters’ View about Uncertainty in Weather Forecasts

Du Jun1, Kang Zhiming2
(1 National Centers for Environmental Prediction/NOAA, Washington, D.C., USA 2 National Meteorological Centre/CMA, Beijing 100081)

A nation-wide survey was conducted to 229 forecasters who came from 18 provinces representing both senior and junior forecasters at all three levels (national, provincial and regional) in China. Three issues are surveyed: (1) usage of numerical weather prediction (NWP) in daily operational weather forecasting; (2) opinion about weather forecast accuracy; and (3) view about uncertainty in forecasts including ensemble products and methods to convey forecast conf i dence. The result shows that NWP has been applied by all forecasters to their daily preparations of weather forecasting. Therefore, forecast uncertainty or predictability issue associated with highly nonlinear NWP models is a reality which forecasters have to face day by day. Longterm education is needed to train forecasters in effectively using and correctly interpreting forecast uncertainty information. Regarding weather forecast accuracy, all forecasters admit that any forecast has errors and believe that it will never be perfect no matter how advanced meteorological sciences are, given chaotic nature of the atmospheric system. With imperfect forecasts, most forecasters believe that specialized forecast products particularly tailored to a certain type of customer as well as frequent updates of forecast information are important to maximize the economical and societal values of weather forecasts. In spite of the variation in forecast accuracy, most forecasters have, however, an idea about their conf i dence or diff i culty level of a forecast he or she is issuing beforehand. Being asked if such forecast conf i dence information should be released to the public and users, most forecasters responded with a positive “yes” answer although a few of them worried that the pubic and users might be confused and do not know how to use these information correctly. To fully accomplish this, forecasters acknowledge that forecast-issuing format/context must also need to be reformed accordingly. Furthermore, the majority of forecasters welcome the National NWP Center to provide ensemble-based quantitative forecast uncertainty products for them to use although the “single-solution” type of ensemble products is currently more preferred to “multi-solution” type. Therefore, the “complete forecast” concept of including quantitative uncertainty information as part of a forecast instead of the current single-valued deterministic “incomplete forecast” is generally an acceptable one to forecasters. Various formats are also voted to better convey forecast uncertainty information to the public. To let the public and users be aware of the fact that a forecast always has a certain degree of uncertainty and it is necessary and valuable to take such uncertainty into account in their decision-making process, forecasters agreed that a combination of popular scientif i c education, training and collaboration is a way forward to achieve the goal.

ensemble numerical weather prediction and product, weather forecast accuracy and uncertainty, complete and incomplete forecasts, forecaster and questionnaire

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.01.008

2013年9月30日；

2014年1月10日

杜鈞（1962—），Email：Jun.Du@noaa.gov

資助信息：公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201006018） ；中國氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項目（CMAGJ2013Z05）

Finally, a survey recently done by Stony Brook University about the challenges faced by U.S. forecasters in utilizing ensemble information in their daily forecasting activity is introduced. The seven main obstacles identif i ed by the survey

are summarized, which could be a useful reference for Chinese forecasters, scientists and managers in making their long-term plans. The seven challenges are “unavailability of full ensemble data, lack of ensemble data mining/interpretation/display tool, lack of relevant training and education, lack of ensemble product verif i cation, forecasters’ overload of their daily routine work, coarse spatial resolution of ensemble model, and limitation/restriction of forecast-issuing format/context”.