預報準確率

提高天氣預報準確率是氣象業務的一項基礎性、系統性的工作。

談到提高預報準確率的問題，首先要明確提高預報準確率的相對基礎和侷限性。由於地球大氣是一個非線性系統，以及我們難以對大氣系統的初始狀態和影響大氣運動的因素作出精確的觀測，決定了我們不可能對大氣的未來狀態作出準確的預測，進而就不可能有絕對完全精確的預報。因此，相對天氣系統的可預報性而言，預報準確率是一個相對的概念，要在認識預報不確定性的基礎上，來思考預報準確率提高的可能空間。同時，我們也有責任讓政府和社會公眾瞭解到天氣預報準確率提高的侷限性。 ^[1] 

氣象預報包括航空、氣候 、空氣質量、水資源、火險天氣、海洋、數字服務、觀測等方面的內容。

2003年美國國家天氣局（NWS）在制定新世紀戰略規劃時，提出了一系列預報準確率的指標（見右表）作為衡量執行情況的標準。

天氣預報業務在不同的發展階段，其預報技術路線和技術手段也是不同的。

氣象業務建立初期，天氣預報尚處於經驗性階段，預報技術以天氣學方法為主，預報員憑藉對天氣學知識的掌握和預報經驗的積累來做預報。

進入到1990年代，隨着數值預報技術的發展成熟，天氣預報業務逐漸走上以數值預報為基礎的發展道路。

今天，在強調提高預報準確率、促進預報精細化發展的階段，也需要有明確的預報技術路線。

目前，數值預報已發展到了相當成熟的階段。一個重要的標誌是，數值預報對天氣形勢的預報水平已經超過了有經驗的預報員。但是，即使是國際上最先進的數值預報模式，其預報的可用性也仍然有限。

現階段，數值預報模式對氣象要素的預報能力還十分薄弱；對暴雨、強對流等強天氣，尚不能提供可用的預報。這體現了數值預報模式在表徵天氣系統發生和演變的物理過程方面存有侷限性，而在彌補這些預報業務侷限的過程中，恰恰是有經驗的預報員在發揮着重要作用。

因此，要開展精細化預報，特別是災害性天氣的精細化預報，就需要以數值預報為基礎，將動力統計分析與天氣學方法緊密結合起來，即建立“數值預報—天氣學方法—統計釋用方法—動力診斷分析—短時臨近預警”相結合的預報技術路線。為此，需要建立以下預報技術體系。

（1）數值預報基礎業務體系

面對世界上發達的氣象業務中心數值預報模式快速發展的形勢（歐洲中心2010年的全球譜模式將是T1024，其水平分辨率將達到10km），我國數值預報的發展要突出重點，講求實效。首先要明確發展戰略，即數值預報發展要有可持續性，建立起具有持續改進完善能力的數值預報模式體系。鑑於目前模式的發展已經取得階段性進展，我國未來的數值預報模式系統應該明確基礎的業務體系，實現持續性發展，逐漸轉變目前多系統並存、技術體系散亂的局面。其次，要明確現階段應以資料同化應用作為重點發展任務，加快解決多傳感器衞星資料的同化，提升我國數值預報模式對衞星資料的應用能力；加強多種類觀測資料融合技術的研究，建立基於區域高分辨率模式的變分同化系統上的資料快速同化預報業務系統，儘快實現大量非常規資料在業務數值預報中的應用，為災害性天氣的短時臨近預報提供技術支持。

（2）動力診斷和統計釋用預報技術體系

高時空分辨率的氣象要素精細化預報的技術路線，即發展基於模式統計輸出（MOS）、神經元網絡等統計釋用技術。在數值預報業務體系中建立數值預報模式的釋用訂正技術系統，提高數值預報模式輸出的氣象要素預報水平，實現氣象要素預報的客觀化。

對於提高台風、暴雨、強對流等災害性天氣的預報能力，必須要有天氣系統發生發展機制及熱動力條件的深入分析和認識，動力診斷技術應該成為預報這類天氣的基本技術手段之一。近年來，國內外預報專家都在強調發展基於熱動力學分析的動力診斷預報技術方法，美國學者提出的名為“配料法（INTEGREDIATE）”的預報方法，就是這種預報思路的具體表現。法國的預報業務專家也已將動力氣象學的特徵量“位渦”應用到了中高緯度低渦系統的預報中，結果證明“位渦”是一個十分有效的預報參量。為此，法國每年都組織關於“位渦”應用的國際培訓班。這些實例説明，天氣動力學方法已越來越多地應用於災害性天氣的預報當中。所以，在我們的預報技術體系中，也需要通過科學研究，分析總結出針對不同類型的災害性天氣的熱動力條件基本特徵，發展建立具有地域特徵的颱風、暴雨、強對流等天氣的動力診斷分析系統，這應該成為預報員科研總結的目標之一。

（3）天氣學分析預報體系

天氣學的分析研究表明，災害性天氣的發生和發展都具有多種尺度天氣系統相互作用的特徵。在數值預報能夠較好地預報出未來天氣形勢和天氣系統的基礎上，分析出在不同尺度、不同類型天氣系統背景條件下，災害性天氣發生發展的有利條件和區域則是預報員預報能力的真實體現。這並非易事，不僅需要預報經驗的積累，更需要應用天氣動力學的基本原理進行提煉和總結，將積累的經驗上升為預報方法。例如陶詩言先生近年來總結出的江淮暴雨洪澇天氣學模型，就被預報員廣泛接受和應用。因此，通過天氣學分析和預報經驗的積累，凝練出災害性天氣的預報方法，應該成為天氣學預報技術發展的任務之一。

（4）中尺度災害性天氣的短時和臨近預警技術體系

中小尺度災害性天氣的可預報性僅有幾個小時、甚至十幾分鍾，發展基於雷達、衞星和地面觀測系統的、以監測識別技術和外推預報技術為主的短時臨近預警業務系統，是預報技術體系中的重要組成部分。目前，我國的短時臨近預報尚未建立起比較成熟的技術體系。美國等發達國家的發展經驗表明，解決稠密資料同化中的諸如資料質量控制、雲微物理過程初始化等核心技術問題，儘快建立以1～3小時為同化週期的資料快速同化系統、多普勒雷達網資料的全國定量降水估測系統、靜止衞星雲圖對中尺度強對流雲系的識別追蹤系統、基於天氣系統外推預報技術的臨近預警系統等，應該成為短時臨近預警技術體系建設的重點任務。

發展精細化預報，從根本上是對預報技術和預報能力不斷提高的必然要求，需要我們強化對諸如颱風、暴雨、強對流、海洋天氣等預報的專業化程度，形成有效的專業化技術手段和預報方法，重視能夠“把脈老天爺不同秉性特徵”的專家經驗的積累，即，要建立起真正專業化的預報業務體系。

針對我國的國情和氣象服務需求，專業化預報業務體系的建設要突出三個重點。一是建立國家級的專業化預報業務，並以此帶動全國精細化預報業務體系的建設。圍繞氣象服務需求，專業化的預報業務應針對暴雨等強降水的定量預報、颱風預警、強對流天氣預報、海洋預報等重點領域，建立有專門的崗位設置、明確的業務流程和相對完善的業務系統。目前，中央氣象台在集約化業務流程改革中，已建立了颱風與海洋氣象的專業化氣象業務以及災害性天氣、應用氣象等的業務崗位體系。應在逐步增加預報員數量的基礎上，不斷完善專業化的業務體系結構。二是突出以國家和省級為重點的指導預報業務流程。我國的天氣預報業務體系建設，既要考慮有限的人力資源條件，又要適應人才隊伍佈局的特點，應重點建立國家、省兩級指導預報業務，在省級氣象台建立與國家級專業預報業務相呼應的、更加精細化的預報業務體系，突出精細化的氣象要素預報、短時臨近預警等。三是加強專業化的研發體系建設並切實開展工作。充分發揮區域氣象中心專業研究所的技術優勢，加強颱風、暴雨、強對流、海洋氣象等專業預報的應用研究和技術開發，重點加強專業數值預報模式和預報技術方法的研究，為專業化的預報業務提供強有力的科研支撐和技術保障。針對我國強對流天氣預警業務的發展需求，應考慮建立中小尺度天氣研究的專業科研單位。

大氣科學理論和預報業務實踐都已表明，天氣預報不可能完全客觀化，預報的不確定性將永遠存在。這就決定了預報員將成為提高預報準確率的關鍵因素。

然而，現代天氣預報的發展，對預報員提出了多方面的能力要求，主要體現為：一是要有天氣分析的實踐能力，積累預報經驗，熟悉責任區內天氣氣候及氣象災害特點；二是要有數值預報產品的訂正和解釋應用能力，使預報員的預報能夠達到或高於數值預報水平；三是要有衞星、雷達等資料的分析應用能力，以開展中小尺度災害性天氣的實時監測預警；四是要有天氣診斷分析和模擬能力，從熱動力學的角度分析、認識災害性天氣的形成機理，以此做好強天氣的預報。

專家型預報員的培養，需要有良好的激勵促進政策環境。首先，預報員崗位的實踐性特徵決定了預報員的成長要確保一定的實踐經驗積累，因此，要通過良好的待遇和行政約束來穩定預報員隊伍；其次，要建立完整的質量考核體系，明確“以預報質量論英雄”的評價標準；第三，要將預報員的預報技術總結與科研實踐制度化，保證預報員有必需的時間對預報失敗個例和預報實踐經驗及時進行總結提煉。要特別強調創造良好環境，培養預報員發表科研技術論文的積極性。對預報員所發表的論文，既不能過高要求其文章水平，也不能簡單地予以否定。 ^[1] 

近年來，隨着氣象科技的進步和社會經濟發展對氣象服務需求的增加，“天氣預報準確率”這一概念具有了更加豐富的內涵。

一方面，為了表徵天氣預報科技水平，氣象部門提出了一系列相對標準的預報準確率指標體系，如表徵數值預報模式水平的距平相關係數，表徵定量降水預報水平的24、48 小時等不同時效的降水預報Ts評分等，這些指標體系可以歷史地或橫向地比較預報技術和能力的狀況。

另一方面，氣象服務用户對天氣預報準確率提出了更高的要求。應該説，隨着科技的發展，天氣預報準確率是在不斷上升的，但用户對我們的評價卻並不如此，這充分反映出當前的預報準確率與預報服務需求不相適應的狀況。例如，為國家防災減災抗災做好服務，需要我們對暴雨發生的地點、時間和量級以及降水可能產生的山洪和地質災害等做出準確的預報；為人口稠密地區或大城市的居民做好服務，需要我們的氣象要素預報在時間和空間上更加細緻等。

因此，從面向氣象服務需求的角度來看，提高預報準確率已不僅僅是氣象部門內部評價預報水平的問題，實質上是提高預報精細化程度，充分考慮氣象要素與地質、地理和環境的相互作用，從而提升服務能力和效益的問題。

空氣質量預報工作的開展, 是環境管理的一大變革, 把對歷史資料診斷性管理轉變成實時定量超前管理, 可以使環境管理和決策部門有針對性地加大污染源控制、及時發出警報並採取措施, 以預防嚴重污染事件發生。

用預測濃度值和趨勢曲線擬合程度作為檢驗標準，定義濃度值預測準確率精度如下：濃度預測準確率=（1 - |預測值-實測值|）/實測值

圖2為部分重點城市目前環境空氣質量預報所統計的首要污染物濃度預報準確率情況。 ^[2] 

對風電場風速和風電功率進行相對客觀、準確的預報，可以有效減緩風電併網對電網的影響，提高風能資源的利用率。許多單位、部門或個人研發了各自的風電功率預報系統，同時對風電場風速和風電功率預報誤差或準確率進行分析。

根據預報誤差或側重點不同，準確率評判方法可分為常用數學預報準確率評判法、相對於風電場額定值的預報準確率評判法、等級預報準確率評判法和與風力發電特徵緊密結合的風電場風速預報準確率評判方法4 類。

在風電場風速或風電功率預報早期，為了評判風電場風速或風電功率預報系統的預報準確性，將工程測量或氣象預報的準確率評判方法直接引入，即常用數學預報準確率評判方法。該評判方法是風電場風速預報研究早期的一種相當普遍的方法。隨着風電開發的快速發展，常用數學預報準確率評判方法在預報誤差相同情況下，不能區分風電場容量大小對風電併網造成的不同影響的問題日益顯現。為了解決這一問題，許多學者採用預報誤差相對於風電場額定值的比率作為預報準確率的評判指標，即相對於額定值的預報準確率評判方法。該方法可以在一定程度上解決預報誤差相同情況下風電場容量大小對風電併網影響不同的問題。但是，該方法的預報誤差或準確率與常用數學預報準確率評判方法的誤差是簡單的倍數關係，由於風機存在不同風速下發電特性不同的特性，因此常用數學預報準確率評判方法和相對於額定值的預報準確率評判方法都不能充分建立預報誤差或準確率大小與風機發電功率實際值與預估值之間的簡單對應關係。為了反映不同風速段或不同風電功率段的預報效果，部分學者將風速或風電功率分為若干個等級，預報未來時刻風速或風電功率所在等級或範圍，也就是等級預報準確率評判方法，用該方法評判風電場風速或風電功率預報的準確性較為客觀、準確，但是評判指標繁多，不易於推廣。近幾年，為了更精細化評估風電場風速或風電功率預報效果，同時充分考慮風機發電功率與風速變化的關係，一些學者採用分段法或變換法進行風速預報準確率評判，即與風力發電特徵緊密結合的風電場風速預報準確率評判方法。 ^[3] 

氣温作為常規氣象預報的主要內容之一，其預報方法的研究與檢驗長期以來為廣大氣象工作者所關注，氣温預報得到了快速的發展。氣温變化與電力負荷、冬季採暖能耗、交通運輸等均有着密切的關係。

眾所周知，在實際業務中達到時間間隔為逐3h或逐時、空間間隔< 10 km 的氣温預報精度，是非常具有挑戰性的。目前，在逐時氣温預報方面已有一些研究，但同時也存在着一些問題。崔新強等利用MM5 中尺度數值預報模式對湖北省7 個代表站的逐小時氣温預報進行試驗研究，發現模式的氣温逐小時預報能力較弱。羅聰等利用最新的氣象要素對Grapes 數值模式預報結果進行訂正，改進了數值預報的短時預報能力，但是17 h 後的改進相對差些。佟華、徐枝芳等研究證明，以數值預報為主要方法的氣温預報系統由於模式中的地形高度與實際地形高度的差異存在一定的系統誤差，使氣温的預報能力受到限制。張德山等利用統計方法建立的日較差分級的北京地面逐時氣温預報模型，具有一定的推廣應用價值，但該預報方法沒有考慮晴天、多雲、陰雨等天氣條件對氣温日變化的影響。

預報準確率是衡量預報方法是否可行的判斷標準之一。為提高預報準確率而建立一種基於日最高氣温和最低氣温預報及臨近氣温實際觀測值的逐時氣温預報模型。該方法的建立是以氣温日變化規律為基礎，預報能力和穩定性與日最高( 低) 氣温出現時間的集中程度密切相關。

該方法的預報質量依賴於日最高、最低氣温的預報準確性，在實際業務中的預報準確率要比本文的檢驗結果偏低。但是，該方法在專業專項預報氣象服務中具有較好的實用性，它可以將24 h 日最高( 低) 氣温預報細化到逐時氣温預報，同時考慮了氣温日變化的地域差異、季節特徵、以及晴天、多雲和陰雨天氣的不同情況，具有一定的業務應用價值。另外，針對陰雨天氣温日變化的特殊性，下一步在增加分析樣本的基礎上，擬按照降水強度對陰雨天進行等級劃分，並考慮引入冷空氣或者降水開始和結束時間等影響因子，以進一步提高陰雨天的氣温預報水平。 ^[4]