數(shù)值天氣預(yù)報時效統(tǒng)計檢驗方法的研究與應(yīng)用

李德明，張隱君

(黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150000)

1 引言

數(shù)值預(yù)報模式，可以算出未來若干天的天氣情況。其中包括：最高氣溫、最低氣溫、降水量、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等。但是算出的天氣情況不一定就是有效預(yù)報。目前預(yù)報時效在7.0 d以內(nèi)的預(yù)報結(jié)果是有意義的，可以參考使用；超過預(yù)報時效7.0 d以外的預(yù)報結(jié)果是無效的，不可使用。

對于基層氣象臺站 （包括縣級氣象臺站和國營農(nóng)場氣象臺站），必須選一種適于基層氣象臺站預(yù)報人員用來判別各類數(shù)值天氣預(yù)報時效的方法，以便選擇預(yù)報時效長、準(zhǔn)確率高的預(yù)報產(chǎn)品使用。

2 數(shù)值天氣預(yù)報時效的X2統(tǒng)計檢驗法

判斷數(shù)值預(yù)報準(zhǔn)確率是否顯著地高于盲目預(yù)報準(zhǔn)確率（僅以降雨預(yù)報為例，且不分雨量大?。玫綌?shù)理統(tǒng)計學(xué)中的差異顯著性檢驗-X2統(tǒng)計檢驗。其計算公式為：

式（1）中，F(xiàn)i是預(yù)報正確與錯誤的實際次數(shù)，fi為盲目預(yù)報的正確與錯誤的理論次數(shù)；k為項數(shù)，對不分大小的降雨預(yù)報來說，k=2，即只分預(yù)報正確和錯誤兩種情況。式中求出的X2就是差異顯著性檢驗值。

例如，在某地82 d的數(shù)值天氣預(yù)報中，24-36 h（即明天白天）的預(yù)報，共報25次有雨，報對19次，報錯6次，準(zhǔn)確率為76.0%（19/25）。在這82 d中，實際有降雨的天數(shù)為24 d，盲目預(yù)報降雨的理論準(zhǔn)確率為24/82≈29.3%，盲目預(yù)報報對的理論次數(shù)為25*24/82≈7.3171次。盲目預(yù)報報錯的理論次數(shù)為25*(82-24)/82≈17.6829次。

這樣，X2值求算如下：

查X2值表可知，計算出的X2值26.3722，大于自由度為1，信度為0.01時的標(biāo)準(zhǔn)X2值6.64。因此證明了，預(yù)報準(zhǔn)確率（76.0%）極顯著地高于盲目預(yù)報準(zhǔn)確率（29.3%）。這說明，對該地24-36 h（即明天白天）的降雨預(yù)報是有效的。

如果某一時段的X2值，小于自由度為1，信度為0.05時的標(biāo)準(zhǔn)X2值3.84，則預(yù)報準(zhǔn)確率與盲目預(yù)報準(zhǔn)確率差異不顯著，這時可斷定該時段降雨預(yù)報是無效的。

如果某一時段的X2值，介于6.64和3.84之間，則差異有些顯著，預(yù)報基本有效，該預(yù)報也可參考。

3 數(shù)值天氣預(yù)報時效X2統(tǒng)計檢驗法應(yīng)用舉例

用X2統(tǒng)計檢驗法，對地處中緯度的黑龍江墾區(qū)，2019年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵季節(jié)的3000多組降水預(yù)報和實況數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出如下兩點結(jié)論：

(1)我國正規(guī)數(shù)值天氣預(yù)報部門所做的降水預(yù)報（這里指中國氣象局在氣象網(wǎng)上發(fā)布的30 d降水預(yù)報），時效已穩(wěn)定達(dá)到7.0 d（表 1），與國際數(shù)值天氣預(yù)報先進(jìn)水平同步。這一檢驗結(jié)果的正確性已得到權(quán)威部門證實。

表1 氣象網(wǎng)發(fā)布的降水預(yù)報時效統(tǒng)計檢驗結(jié)果

（2）非正規(guī)數(shù)值天氣預(yù)報部門所做的降水預(yù)報（這里指XX公司為黑龍江墾區(qū)部分氣象臺站制作的16 d 降水預(yù)報），時效僅為 2.0－4.5 d（表 2）。 2.5 d（即后天白天）及5.0 d以后（包括5.0 d）的預(yù)報與盲目預(yù)報沒有區(qū)別，其技術(shù)水平落后于我國正規(guī)氣象預(yù)報部門12－17 a。即使在其有效預(yù)報時段內(nèi)，其預(yù)報準(zhǔn)確率也低于我國正規(guī)氣象預(yù)報部門同時段預(yù)報準(zhǔn)確率10—20%。

4 中、短期天氣預(yù)報的建議

我國基層氣象臺站的主要服務(wù)對象是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門，做好氣象服務(wù)對保護(hù)“中國的大糧倉”、“中國人的飯碗”有重大意義。

建議基層氣象臺站的預(yù)報員應(yīng)做到以下幾步：

首先，要應(yīng)用本文提供的方法分別對來自各個部門的數(shù)值預(yù)報時效進(jìn)行測定 （最好每年測定一次），選擇預(yù)報時效最長，準(zhǔn)確率最高的數(shù)值預(yù)報，去掉無效預(yù)報時段，保留有效預(yù)報時段作為預(yù)報樣板。

根據(jù)2019年測定結(jié)果，應(yīng)當(dāng)選擇中國氣象局在氣象網(wǎng)上發(fā)布的數(shù)值天氣預(yù)報，去掉7.5 d以后（包括7.5 d）的預(yù)報時段，保留0.0－7.0 d各時段的預(yù)報，作為預(yù)報樣板。

然后，分析天氣形勢圖，根據(jù)天氣學(xué)原理，補(bǔ)充訂正0.0－2.0 d的短期預(yù)報。

最后，分析衛(wèi)星云圖和測雨雷達(dá)回波圖，對0.0－6.0 h的短時預(yù)報進(jìn)行補(bǔ)充訂正。

經(jīng)過這三步，就可發(fā)布本地0.0－7.0 d的天氣預(yù)報了。

這樣基層氣象臺站的0.0－7.0 d的天氣預(yù)報的預(yù)報準(zhǔn)確率可得到明顯的改善（表 3）。

由表3可以看出，基層氣象臺站在選用由中國氣象局制作的預(yù)報時效長（7.0 d）的數(shù)值天氣預(yù)報為樣板，經(jīng)過預(yù)報員對短時預(yù)報和短期預(yù)報進(jìn)行補(bǔ)充訂正后的預(yù)報準(zhǔn)確率有明顯改善。0.0－7.0 d共14個時段的降水預(yù)報平均準(zhǔn)確率可期望達(dá)到68.6%，比XX公司同一時段預(yù)報平均準(zhǔn)確率50.4%，高出18.2%。若在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵季節(jié)，對生產(chǎn)作業(yè)（包括：播種、噴藥、中耕、除草、追肥、收獲所增加的經(jīng)濟(jì)效益將不可估量。

表2 XX公司為黑龍江墾區(qū)部分氣象臺站制作的降水預(yù)報時效統(tǒng)計檢驗結(jié)果

表3 0.0-7.0 d降水預(yù)報準(zhǔn)確率對比表

如果中國氣象局在氣象網(wǎng)上發(fā)布的數(shù)值天氣預(yù)報沒有該農(nóng)場等戰(zhàn)點預(yù)報，可選用所在市縣的預(yù)報為樣板，因為現(xiàn)在數(shù)值預(yù)報的水平分辨能力僅在60 km左右（不包括用衛(wèi)星云圖和測雨雷達(dá)制作的短時預(yù)報）。相鄰兩個單位之間距離，如果小于60 km，當(dāng)前的數(shù)值預(yù)報模式，是分辨不出兩地天氣有什么不同的。

另外，表3中的預(yù)報準(zhǔn)確率都是在當(dāng)年、當(dāng)?shù)財?shù)據(jù)統(tǒng)計期間降水概率為30%左右時的計算結(jié)果；如果當(dāng)年、當(dāng)時、當(dāng)?shù)亟邓怕氏鄬Ρ容^高（如40%左右），那么預(yù)報準(zhǔn)確率的值也會明顯偏高。表3的數(shù)據(jù)主要用于三個預(yù)報部門間的相對比較。

5 問題討論

目前，被世界各國接受的數(shù)值天氣預(yù)報可用時效的定義是世界氣象組織給出的，即：某預(yù)報時段500 hPa高度預(yù)報與實況髙度場的相關(guān)系數(shù)≥0.6，則認(rèn)為該時段預(yù)報是可用的。但這種求算預(yù)報高度場與實況高度場相關(guān)系數(shù)的方法，對基層氣象臺站來說難以做到。而本文提出的X2統(tǒng)計檢驗法更容易被基層氣象臺站接受，而且與世界氣象組織的方法得出的結(jié)果完全一致。

因為降雨預(yù)報是天氣預(yù)報中最重要的一個項目，所以本文僅以降雨預(yù)報為例（且不分雨量大?。?，判斷了不同預(yù)報部門所發(fā)布的數(shù)值天氣預(yù)報時效。若將降水分成等級（如小雨、中雨、大雨、暴雨）也可，但計算時就需要更多的預(yù)報和實況對比數(shù)據(jù)，工作量將明顯加大。當(dāng)然，也可用最高氣溫、最低氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等預(yù)報與實況對比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，其具體統(tǒng)計計算方法可進(jìn)一步探討。