气候预测PS评分对业务影响

第２１－卷３期　２０１０年６月　应用气象学报　

ＪＯＵＲＮＡＩ　ＯＦ　ＡＰＰＬＩＥＤ　ＭＥＴＥＯＲＯＩ　ＯＧＩＣＡＩ　ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｖｏ１．２１，ＮＯ．３　

Ｊｕｎｅ　２０１０　

气候预测ＰＳ评分对业务影响　田武文　吴素良　王　娜　（陕西省气候中心，西安７１００１５）　

摘　要　通过对中国气象局现行ＰＳ评分办法与理论ＰＳ评分的对比，发现现行评分办法对理论ＰＳ评分进行了两处修　改。一处修改是扩大了预报正确的评定范围，但在ＰＳ评分办法实施后，在气候预测业务中，却出现了只预报２个　等级的普遍现象，即在能获得高分的同时却降低了预报能力。另一处修改是按统一的要素距平划分等级，结果出　现了预报对象的等级分布随着测站、月份变化而变化的现象。预报对象的等级分布是无技巧预报评分的决定因　素，而预报技巧是由ＰＳ评分与无技巧预报评分之差决定的。在无技巧预报评分有差异的情况下，不同月份、不同　区域之间的ＰＳ评分便失去了对比的基础。该文针对上述问题，对现行ＰＳ评分办法提出了修改建议。　关键词：月气候预测；ＰＳ评分；无技巧预报；预报正确评定范围；等级分布　

引　言　在气候预测业务中，最常用的评分方法是ＰＳ，　ＳＳ，ＡＣＣ　３个评分指标＿ｌ　］。在我国，ＰＳ评分的位置　相对重要。每年都由中国气象局对各省的短期气候　预测结果进行ＰＳ评分，并公布月降水量、月平均气　温的年度排名及综合预测能力排名。　预报评分的目的是将不同区域（测站）或不同月　份的预报结果放在同一个平台上，对比预报技巧。　在上述３个评分指标中，ＳＳ，ＡＣＣ是技巧评分。技　巧评分是指在评分时，与某种无技巧预报做了比较，　或者无技巧预报的期望值为０时，预报与实况的相　似程度。技巧评分为来自于不同总体的预报结果的　评估，提供了一个公平比较的基础。ＰＳ评分是一种　预报级别一致率评分，由于在评分中没有与无技巧　评分比较，所以ＰＳ评分不是技巧评分。　ｌ理论ＰＳ评分　在对气候预测结果的评估中，ＰＳ评分可以简单　地描述为…：　Ｐｓ一　ｘ　ｌ００。　（１）　式（１）中，Ｎ为预测总次数，Ｐ为预测正确次数，Ｐ　２００９　０７　１　７收到，２０１０　Ｏ４　０１收到再改稿。　为预报评分。在气候预测中，往往将预报对象划分　为若干个等级，预报正确次数，是指预报与实况级别　完全一致的次数。　ＰＳ评分不是技巧评分。要利用ＰＳ评分判断预　报技巧的高低，就需要和某种无技巧预报进行比较。　无技巧预报通常采用随机预报方法。随机预报是假　设在做无技巧预报时，预报各等级的概率与实况各　等级的概率分布相同，这时的评分称为随机预报评　分ＰＳＮ。通过对比，如果ＰＳ评分高于随机预报的　ＰＳＮ评分，才可以得出预报是有技巧的结论。　根据上述分析，技巧评分ＰＳＳ可以表述如下：　ｐ　厂１　Ｐｓｓ－二（　一　）×１００。　（２）　

』　』　

式（２）中，Ｎ为预测总次数，Ｐ为预测正确次数，Ｃ为　随机（无技巧）预报正确次数，Ｐ　为技巧ＰＳ评分。　ＰＳＳ评分由两项组成，第１项为预报ＰＳ评分，第２　项为无技巧预报评分ＰＳＮ。式（２）说明，只有在无技　巧预报评分相同时，测站（区域）之间的ＰＳ评分才可　以用于比较，评分之差这时才代表了其预报技巧的　差别。直接利用ＰＳ评分结果进行预报能力排名，就　是假定参与对比的预报对象之间，无技巧预报评分　相同而做的简化处理。　以三级ＰＳ评分制为例，将预报对象分为偏少　（低）、偏多（高）和正常３个等级。假设各等级的概率分　布分别为０．３，０．３，０．４。其随机预报准确率列于表１。　３８０　应用气象学报　表１　三级评分制下随机预报准确率　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｎｄｏｍ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｉｎ　３－ｄｅｇｒｅｅ　ＰＳ　ｓｃｈｅｍｅ　

注：括号内为相应等级的概率分布，下同。　由于随机预报与实况观测是相互独立的，所以　各等级的随机预报准确率，等于预报该等级的概率　与实况该等级出现的概率之积。将表１中对角线上　各等级的概率相加，得出随机预报评分为３４。也就　是说，在１００次预报中，正确的次数在３４次之上，才　被认为有预报技巧。　由表１不难看出，随机预报的ＰＳ评分随着等　级分布的变化而变化。例如在表１中，如果三级的　概率分布为Ｏ．１，０．８和ｏ．１，则随机预报的Ｐｓ评分　就等于６６。换句话说，随机预报的ＰＳ评分依赖于　各等级的概率分布。为了方便对来自不同总体的预　报对象进行比较，通常要求其等级分布遵循相同的　概率分布。只有这样，不同地区、不同月份之间，ＰＳ　评分之差才代表了其预报技巧的差别。　通过上述分析可知：理论ＰＳ评分是在只有预　报正确级别的情况下才算正确，它表明其评分的性　质是等级一致率评分；Ｐｓ评分相互比较的基础，是　等级分布遵从相同的概率分布。　２我国现行的ＰＳ评分标准　我国现行的ＰＳ评分，是在理论ＰＳ评分的基础　上，做了某些修正的ＰＳ评分。评分主要针对降水　量和气温，规定月降水量按距平百分率划分等级，月　平均气温按距平划分等级。距平是指预报对象与　３０年气候均值的偏差。气候平均值每隔１０年更换　一次。　月平均气温分为六级。月降水量的分级为：当　月平均降水量Ｒ≥５０￣ＴＩＩＴＬ时，分为六级；当月平均　降水量为１０．０～４９．９　ＩＴＬＩＴＩ时，分为四级，当月平均　降水量小于１０　ｍｌＴＬ时，不评定。本文以六级评分制　为例来说明。在六级评分制中，趋势预报用语和分　级标准见表２。　表２六级评分制趋势预报用语和分级标准　Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｈｅ　ｄｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｒａｄｅ　ｏｆ　ｔｒｅｎｄ　ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　６一ｄｅｇｒｅｅ　ＰＳ　ｓｃｈｅｍｅ　从表２可以看出，现行的ＰＳ评分标准对预报　对象的分级设置做了修改。在理论ＰＳ评分中，预　报对象的分级设置是按照相同的概率分布设置，而　在现行ＰＳ评分标准中，分级设置则按照预报对象　与３０年气候均值距平大小设置。　六级评分制单站得分见表３。从理论ＰＳ评分　与表３的比较不难看出，现行ＰＳ评分对预报正确　性的判定标准做了修改。在理论ＰＳ评分中，只有　预报级别与实况级别完全一致时，才算预报正确。　而在现行ＰＳ评分中，评分正确的等级延伸了。其　中１级、２级、５级、６级延伸为３个等级；３级和４级　延伸为４个等级。对异常等级的预报，还增加了预　报成功的权重系数。　对于多个测站的预报，ＰＳ评分的计算公式为：　Ｐ　一　鲁　０。㈤　～　Ｎ＋Ｐ　×Ｊ）ｖ］十Ｐ２×Ｎ２…～。　一　

式（３）中，Ｐ　为预报评分，Ｎ为总站数，Ｎ。为预报与　实况距平符号相同的站数或符号不同但相差只有１　

表３六级评分制单站得分表　Ｔａｂｌｅ　３　Ｔｈｅ　ｓｃｏｒｅ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　６－ｄｅｇｒｅｅ　ＰＳ　ｓｃｈｅｍｅ　实况　预报　１级　１００＋１００×Ｐ，　１Ｏ０　１ＯＯ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　２级　５级　Ｏ　Ｏ　０　ｌＯ０　１００＋１００×Ｐ　１００　６级　Ｏ　Ｏ　０　１ＯＯ　１ＯＯ　１００＋１ＯＯ×Ｐ２　

１级　２级　３级　４级　５级　６级　

１００　１００＋１００×Ｐ　１ＯＯ　０　０　Ｏ　３期　田武文等：气候预测ＰＳ评分对业务影响　３８１　级的站数之和。Ｎ　为预报与实况同为２级、５级的　站数，Ｎ　为预报与实况同为１级、６级的站数，Ｐ　一　０．５为２级、５级预报成功加权系数，Ｐ　＝＝＝１．０为１　级、６级预报成功加权系数。　对上述两种ＰＳ评分进行对比，可以看出，现行　ＰＳ评分在两个方面对理论ＰＳ评分做了修改，一是　扩大了预报正确性的判定范围；二是在全国范围内，　使用统一的距平标准划分等级。在现行ＰＳ评分　中，对异常级别的预报还给予了一定的加分（即更大　的权重）。经过上述修改，现行ＰＳ评分实际上成为　

一种加权的距平符号一致率。如果不考虑异常级的　加分，它就退化为距平符号一致率。　

３现行ＰＳ评分可能出现的问题　针对上述两个方面的修改，下面结合预报业务　中一种普遍现象的出现以及全国１６０个测站的统计　数据，分别分析在现行ＰＳ评分中可能出现的问题，　并进行相应的讨论。　３．１　扩大正确性判定范围　近年来，在气候预测会商中，出现了一种普遍现　象，就是各区域、省级的预报结论中，只出现偏多或　者偏少两个等级的预报，其他级别则很少出现。下　面通过对现行ＰＳ评分中，两种预测策略引起的随　机预报准确率的差异，分析出现这种现象的原因。　为了比较在我国现行的ＰＳ评分中，六级随机　预报与六级分布下只做３级和４级预报时这两种预　报策略的随机预报准确率的差异，下面给定一个等　级分布概率，用于两种预测策略的比较。假设１～６　级的分布概率分别为０．１，０．２，０．２，０．２，０．２，０．１。参　考六级评分制中单站得分表（表３），在不考虑权重情　况下，将六级评分制随机预报的准确率列于表４。　

表４六级评分制下的随机预报准确率　Ｔａｂｌｅ　４　Ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｎｄｏｍ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｉｎ　６－ｄｅｇｒｅｅ　ｓｃｈｅｍｅ　

实况　预报　１级　２级　３级４级　５级　６级　（０．１）　（０．２）　（０．２）　（０．２）　（０．２）　（０．１）　

由表３可知，表４中所列的概率，均为预报判定　为正确的概率（表中省略了预报判定为错误的概　率）。将表４中的全部概率相加，可以得出其随机预　报评分为５８　。　在实况等级分布与表４相同的情况下，只预报　３级、４级两个等级（概率均为０．５），则随机预报准　确率变化如表５所示。　

表５只做３级和４级预报时六级评分制下　的随机预报准确率　Ｔａｂｌｅ　５　Ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｎｄｏｍ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　３ｒｄ　ｄｅｇｒｅｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　４ｔｈ　ｄｅｇｒｅｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　６－ｄｅｇｒｅｅ　ＰＳ　ｓｃｈｅｍｅ　实况　预报　１级　２级　３级　４级　５级　６级　（０．１）　（０．２）（０．２）　（０．２）　（０．２）　（０．１）　

３级（０．５）０．０５　０．１０　０．１０　０．１０　０　０　４级（０．５）０　０　０．１０　０．１０　０．１０　０．０５　

由表５可以算出，在只预报３级和４级的情况　下，随机预报的ＰＳ评分为７Ｏ，它比六级随机预报　ＰＳ评分高出１２。也就是说，仅仅利用评分规则，无　技巧预报评分就能高于目前全国气候预测的平均水　平（２００７年全国降水ＰＳ评分平均为６７．８，２００８年　为６６．Ｏ）。　在气候预测业务中，是按六级预报还是按二级　预报，反映了预报员是侧重预报准确率还是侧重决　策服务期望之间的矛盾心态。预报员所持的心态，　受ＰＳ评分的影响。下面以陕西省实际业务中的例　子，说明ＰＳ评分对预报员心态的影响。　２００３年８月陕西省降水异常偏多，结果导致了　渭河流域大洪水的发生。降水实况是：在陕西省的　１０个气候区中，１个区降水偏少３　，属于略少级；２　个区偏多２Ｏ　～５０　，属于偏多级；其余７个区偏　多９Ｏ　以上，属于特多级。对于上述实况，如果给　出两种预报策略：第１种是陕西全省降水特多（侧重　决策服务期望），第２种是陕西全省降水正常略多　（侧重预报准确率），要求评估两种预报结论的优劣。　如果分级仍以现行ＰＳ评分分级，用理论ＰＳ评　分（只有报对级别才算正确）评估预报技巧，则第１　种预报得分为７０；第２种预报得分为Ｏ。显然第１　种预报优于第２种预报。　利用现行ＰＳ评分的过程如下：对于第１种预　报，榆林站预报错误，因此在式（３）中，Ｎ。＝＝＝９；７站　异常偏多，加权系数为７×１．Ｏ。因此，Ｐ　一（９＋７×