氣候預測檢驗 厄爾尼諾-拉尼娜-編制說明

一、工作簡況

1.任務來源

本標準由中國氣象局提出，全國氣候與氣候變化標準化技術委員會（SAC/TC540）歸口，國

家氣候中心負責起草。項目計劃號為20211182-T-416，立項名稱為《氣候預測檢驗厄爾尼諾/拉

尼娜》。

2.協作單位

國家氣候中心、中國氣象局氣象干部培訓學院等。

3.標準主要起草人及其所做的工作

本標準的主要起草人：陸波、石文靜、紀翠玲、張百超、萬江華、姜明波、范海燕、柳艷艷，

其分工如下：

1陸波，項目負責人，負責制定技術方案，組織標準編寫，標準主要內容結構設計和把關，

執筆編制說明等；

2石文靜，主要參加人，負責完成標準的試驗驗證、標準宣貫和傳播等；

3紀翠玲，主要參加人，負責標準編寫指導、標準材料規范性把關等；

4張百超，主要參加人，負責完成標準的試驗驗證，協助完成標準編制說明的編寫和修改等；

5萬江華，主要參加人，協助完成標準文本的編寫和修改等；

6姜明波，主要參加人，負責需求調研分析和標準征求意見等；

7范海燕，主要參加人，負責標準的需求分析等；

8柳艷艷，主要參加人，負責標準文本的校對和修改、征求意見及意見整理等。

4.主要編制過程

（1）前期氣象行業標準《氣候預測檢驗厄爾尼諾/拉尼娜》QX/T507-2019自2019年9月30

日發布以來，在氣候預測業務中得到了實際應用，效果良好。為推廣該氣象行業標準的使用范圍，

2020年10月，在中國氣象局和全國氣候與氣候變化標準化技術委員會（SAC/TC540）組織下，

國家氣候中心、中國氣象局氣象干部培訓學院等單位提交了《氣候預測檢驗厄爾尼諾/拉尼娜》

國家標準項目申請表和國家標準文本草案。

（2）2021年5月，國標標準編制任務正式下達，正式成立標準起草組。

（3）2021年6月，起草組進行了任務分工，并分別從相關方兩個方面進行需求調研和搜集

工作。

（4）2021年7月-8月，基于前期發布實施的氣象行業標準《氣候預測檢驗厄爾尼諾/拉尼

娜》QX/T507-2019，相關方分別對標準中的檢驗技術進行了適用性試驗，依據試驗結果進行總

結，進一步完善了標準的技術內容和文本規范。

（5）2021年9月標準起草組通過內部研討會、相關方專家咨詢會，對征求意見稿草稿進行

1

了討論和修改，形成征求稿。

二、編制原則和確定標準主要內容的論據

1.編制原則

本標準的編制遵循以下原則：

（1）科學性

關于厄爾尼諾預測的實時預測檢驗評估，學術界還沒有成熟的定量指標來表征每一次厄爾尼

諾事件的預測技巧，因此需要科學地制定相應的技術方案。考慮到科學上厄爾尼諾事件的持續時

間長，一般用月資料來刻畫其變化規律。如果采用相關系數類型的指標，考慮到樣本量自由度很

小，則不能科學則描述過去一段時間（例如過去6個月）的預測水平。因此，考慮到科學性的原

則，本標準擬采用修正的均方根誤差指標來表征厄爾尼諾預測的實時預測技巧，并通過變換轉化

為實時預測評分。

（2）協調性

厄爾尼諾/拉尼娜是指赤道中、東太平洋海表面溫度大范圍持續異常偏暖和偏冷變化的大尺度

振蕩性現象。目前，學術界對于厄爾尼諾/拉尼娜事件監測有多種方案，例如NINO1+2、NINO3指

數、NINO4指數、NINO3.4指數、NINOZ指數等。2017年，“厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法”的

國家標準（GB/T33666-2017）和行業標準（QX/T370-2017）已發布實施，因此在制定本標準時，

檢驗的對象推薦的是國家標準（GB/T33666-2017）和行業標準（QX/T370-2017）所推薦的NINO3.4

指數。

（3）適用性

關于厄爾尼諾預測的綜合檢驗評估，學術界有多種檢驗方法和指標。針對確定性預測，有時

間距平相關系數（TCC）和均方根誤差（RMSE）等；針對概率預測，有常見的Brier（BSS）評分

等度量方案。上述常用的研究都能夠在不同層面反映當前模式在ENSO預測中的統計表現。本標準

擬采用時間距平相關系數（TCC）來定量檢驗厄爾尼諾的綜合預測技巧，一方面是因為該指標易用

易懂，便于推廣；另一方面，是因為現行的一些業務要求，例如ENSO預測的氣象現代化要求等，

都是基于TCC指標來制定，為了使標準與現行業務使用保持一致，擬采納TCC指標。

（4）可操作性

本標準需要進行業務應用，要求意義明確，計算方便，操作相對簡單。因而，項目組在制定

本標準的時候充分考慮了可操作性，例如排除了Brier（BSS）概率預測評分等相對復雜的指標。

（5）通用性

氣候變化背景下，氣候異常以及由此引發的極端天氣頻發問題，對諸多方面帶來現實威脅和

潛在影響。相關方在厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的基礎理論、技術路線等方面基本相同，該標準的

檢驗變量、檢驗指標、檢驗評價等具有普遍通用性，可客觀有效評估厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的

準確性，為氣候預測系統研制、試驗、應用等提供技術指導。

2

2.標準主要內容及依據

（1）歷史預測檢驗

1）檢驗變量

宜采用NINO3.4指數來表征觀測的以及歷史回報的厄爾尼諾/拉尼娜狀態，并對歷史回報試驗

結果或者長時間預測結果的總體預測技巧進行綜合檢驗。

2）時間距平相關系數指標

利用時間距平相關系數（TemporalCorrelationCoefficient；TCC）指標對厄爾尼諾/

ITCC

拉尼娜指數預測技巧進行歷史預測檢驗，大于等于0.6則認為總體預測技巧較好。的計

ITCCITCC

算見式（1）：

n

Yi,lGi

Ii1………………（1）

TCC,lnn

22

Yi,lGi

i1i1

式中：

——歷史上提前個月厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的時間距平相關系數指標；

ITCC,ll

l——厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的超前月數；

n——歷史回報的總樣本數；

——提前個月的對應的預報值；

Yi,llGi

——厄爾尼諾/拉尼娜指數的第個觀測樣本的值。

Gii

采用指數的優點：

ITCC

a.簡單易用、方便推廣；

b.與現行的業務慣例（例如氣象現代化要求指標）吻合；

c.與國際上的一些研究所使用的指標一致。

（2）實時預測檢驗

1）檢驗變量

宜采用NINO3.4指數作為檢驗變量，并根據近期厄爾尼諾/拉尼娜狀態，對最近3至12個月預測

結果的技巧進行實時預測檢驗。

2）相對預測誤差指標

利用相對預測誤差（）指標來進行厄爾尼諾/拉尼娜指數預

RelativePredictionError;RPEIRPE

測的實時預測檢驗,計算見式（2）：

m

2

(Yi,lGi)/m

Ii1……（2）

RPE,lS

3

式中：

——提前個月厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的相對預測誤差指標；

IRPE,ll

l——厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的超前月數；

m——實時預測檢驗所針對的樣本數；

——提前個月的對應的預報值；

Yi,llGi

——厄爾尼諾/拉尼娜指數的第個觀測樣本的值；

Gii

S——觀測的近期厄爾尼諾/拉尼娜指數均方根值，且需避免取值過小的情況，計

算見式（3）:

0.5(S0.5C)

Sm……（3）

2≥

Gi/m(S0.5C)

i1

3）相對預測評分指標

利用相對預測誤差指標來計算厄爾尼諾/拉尼娜指數實時預測的相對預測評分（Relative

IRPE

PredictionScore;RPS）指標，見式（4）：

IRPS

0(IRPE,l2)

I………………（4）

RPS,l≤≤

50(2IRPE,l)(0IRPE,l2)

式中：

——提前個月厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的相對預測評分指標；

IRPS,ll

l——厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的超前月數；

——提前個月厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的相對預測誤差指標，計算方法參見

IRPE,ll

式（2）。

4）實時預測檢驗判定規定

相對預測評分指標在分～分之間變動，分值越大代表對近期厄爾尼諾拉尼娜指數的

IRPS0100/

實時預測技巧越高，如果超過分，則認為有預測技巧。

IRPS60

利用預測評分指標的優點：

IRPS

a.簡單易用，方便推廣；

b.在實時預測樣本量較小的情況下，科學可行；

c.鼓勵對強事件的合理預測，從而滿足業務上需求；

d.通用性強，可滿足各相關方需求。

4

三、主要驗證的分析及預期效果

1.測試一

厄爾尼諾/拉尼娜是指赤道中、東太平洋海表溫度大范圍持續異常偏暖/冷的現象，是氣候系統

年際氣候變化中的最強外強迫信號。厄爾尼諾/拉尼娜事件的發生，不僅會直接造成熱帶太平洋及

其附近地區的干旱、暴雨等災害性極端天氣氣候事件，還會以遙相關的形式間接地影響到全球其

余地區天氣氣候并引發氣象災害。因此，厄爾尼諾/拉尼娜事件深受學術界和政府的關注和重視。

目前國際上對厄爾尼諾/拉尼娜事件有很多種預測方法和預測模式，如何定量地檢驗不同的預

測方法對厄爾尼諾/拉尼娜事件的總體技巧水平、如何定量地檢驗某一次厄爾尼諾/拉尼娜事件的實

時預測技巧，這兩個問題亟待建立相應的氣象行業標準來解決。對于厄爾尼諾/拉尼娜事件的總體

技巧水平，目前國際上有一些技術方案，例如時間距平相關系數（TCC）、均方根誤差（RMSE）

等，需要編制組明確一個易用的檢驗技術；而針對某一次厄爾尼諾/拉尼娜事件的實時預測，目前

還沒有成熟的定量檢驗方案，需要編制組設計一個合理的檢驗技術。

在制定本標準時，我們利用了國家氣候中心ENSO預測系統對該標準進行了驗證分析。國家

氣候中心ENSO預測系統包含了三種預測方法：即BCC-CSM1.1m耦合模式的集合預測、基于物

理過程的ENSO統計預測模型、以及模式預測的相似誤差訂正預測。基于1996-2016年的歷史回

報和實時預測，利用本標準中的綜合預測指標，圖1對這三種預測方法的綜合技巧進行了評估。

可以發現，隨著預測時長的增加，所有預測方法的技巧都下降，相比而言，三種預測方法的集合

平均預測技巧最高，提前6個月TCC指標仍可達到0.8，這與目前學術界關于集合預測能提高厄

爾尼諾預測水平的認識一致。

圖1國家氣候中心不同預測方法在1996-2016年針對厄爾尼諾事件的總體綜合預測技巧（縱

坐標）隨預測時長（橫坐標：月份）的變化。其中紅線為BCC-CSM1.1m耦合模式的集合預測、

5

綠線為基于物理過程的ENSO統計預測模型、藍線為模式預測的相似誤差訂正預測、黑線代表了

三種預測方案的集合平均。

在厄爾尼諾事件的實時預測檢驗方面，本標準制定了實時預測的相對誤差評分（Relative

PredictionScore;RPS）指標，該指標值越大代表預測準確性越高，具體計算方法見公式（）。

IRPS4

為了更好地說明該指標的指示意義，我們在-3℃～3℃之間每隔0.1℃生成一個觀測值和預測值，

簡單起見只針對一個觀測和預測來生成評分（實際業務中一般取3～12個月），計算得到的評分分

布圖如圖2所示。

圖2人為于-3℃~3℃之間每隔0.1℃生成一個觀測值（橫坐標）和預測值（縱坐標），并基于

此數據計算相對誤差評分的分布值。

進一步地，我們應用相對誤差評分指標來檢驗國家氣候中的ENSO業務預測數據。如圖3所

示，該指標能很好地反映對過去6個月厄爾尼諾事件的實時預測水平。我們可以發現，國家氣候

中心三種預測方法能夠很好地預測出1997/1998、以及2015/2016這樣的超強厄爾尼諾事件，但也

存在誤報（falsealarm）的情況（2005/2006等），這與學術界的認識一致。另外可以發現，一般而

言，三種預測方法的集合平均往往能在大多數厄爾尼諾事件的預測中起到更好的預測效果。

6

圖超前個月預測的滾動個月范圍內的指標，其中紅線為耦合模式

366IRPSBCC-CSM1.1m

的集合預測、綠線為基于物理過程的ENSO統計預測模型、藍線為模式預測的相似誤差訂正預測、

黑線代表了三種預測方案的集合平均。

上述驗證結果顯示，該標準既能對厄爾尼諾/拉尼娜的歷史預測進行檢驗，又能對厄爾尼諾/

拉尼娜的實時預測進行檢驗，從而滿足氣象業務需求。

2.測試二

在制定本標準時，我們利采用集合卡爾曼濾波方法同化大氣（海面風應力）、海洋（海表面溫

度和衛星高度計）多種觀測資料，在預測過程中嵌入主導變量的模式誤差統計模型，精確估計模

式誤差，通過建立100個樣本數的集合初始場，構建大樣本ENSO集合預測系統。我們利用業務

系統生成的2017年3月至2018年3月的實時滾動預測結果，針對2017年10月-2018年3月的

ENSO實況演變進行了預測檢驗分析，結果如下：

7

圖針對年月年月的指數實況演變，超前個月預測的指

3201710-20183NINO3.41-8IRPS

標

從上圖中的結果我們可以看到，利用該標準我們可以定量刻畫該ENSO預測系統的實時預測

技巧，針對2017/2018的拉尼娜事件，能提前3個月進行較為準確的預測，而隨著預報時長的進

一步拉長，預測評分指標則會有所降低。

IRPS

3.預期經濟社會效益

本標準適應我國氣象業務保障和信息化發展趨勢，是為滿足氣象防災減災和有關部門氣象水

文保障需求而提出的。本標準的應用和實施將為氣候預測系統研制、試驗、應用等提供技術指導，

為保證和提升氣候預測系統性能提供支撐，具有可預見的重要效益，推廣應用前景廣闊。

四、采用國際標準和國外先進標準的程度（包括與國際、國外同類標準水平的對比情況，或者與

測試的國外樣品、樣機的有關數據對比情況）

經過文獻調研，針對厄爾尼諾/拉尼娜事件的預測歷史綜合檢驗，國際上有TCC、RMSE等技

術方法，但尚無統一標準，因此需要確立適合我國業務的歷史預測檢驗方法。對于厄爾尼諾/拉尼

娜事件的實時預測檢驗，國際上還沒有成熟的定量化技術方案，需要項目編制組來自主研制相關

技術方法和指標。

五、與現行有關法律、法規和強制性標準的關系

本標準與現行有關法律、法規和強制性標準沒有矛盾沖突。

六、重大分歧意見的處理經過和依據

無。

七、作為強制性標準或者推薦性標準的建議

建議本標準為推薦性標準。

8

八、貫徹本標準的措施建議（包括組織措施、技術措施、過度辦法等）

本標準實施后，建議相關主管部門組織加強該標準的宣傳力度，推動該標準在厄爾尼諾/拉尼

娜事件的預測檢驗工作中的應用。

為強化本標準的應用實施，多途徑、多渠道發揮好本標準的作用和效益，在該標準發布實施

后，擬選取主要應用單位作為推廣宣貫的責任單位。在組織層面上，通過發布本標準應用和實施

的通知、公告，向使用本標準的潛在單位和部門廣泛宣傳；在信息傳播手段上，通過在線平臺開

設本標準相關的網課，以及納入定期開展的氣象標準應用培訓課程，進行專業培訓和介紹，擴大

標準宣貫和傳播的力度。同時建立本標準實施應用和反饋機制，開通反饋渠道，通過電話、通用

氣象標準信息服務平臺網站等多種途徑廣泛收集應用意見，指定固定人員收集信息和歸檔，組織

開展本標準應用調查評估活動。

九、廢止現行有關標準的建議

本標準是新起草的標準，無其他標準被代替或廢止。

十、其他應當予說明的事項

無。

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一、工作簡況

1.任務來源

本標準由中國氣象局提出，全國氣候與氣候變化標準化技術委員會（SAC/TC540）歸口，國

家氣候中心負責起草。項目計劃號為20211182-T-416，立項名稱為《氣候預測檢驗厄爾尼諾/拉

尼娜》。

2.協作單位

國家氣候中心、中國氣象局氣象干部培訓學院等。

3.標準主要起草人及其所做的工作

本標準的主要起草人：陸波、石文靜、紀翠玲、張百超、萬江華、姜明波、范海燕、柳艷艷，

其分工如下：

1陸波，項目負責人，負責制定技術方案，組織標準編寫，標準主要內容結構設計和把關，

執筆編制說明等；

2石文靜，主要參加人，負責完成標準的試驗驗證、標準宣貫和傳播等；

3紀翠玲，主要參加人，負責標準編寫指導、標準材料規范性把關等；

4張百超，主要參加人，負責完成標準的試驗驗證，協助完成標準編制說明的編寫和修改等；

5萬江華，主要參加人，協助完成標準文本的編寫和修改等；

6姜明波，主要參加人，負責需求調研分析和標準征求意見等；

7范海燕，主要參加人，負責標準的需求分析等；

8柳艷艷，主要參加人，負責標準文本的校對和修改、征求意見及意見整理等。

4.主要編制過程

（1）前期氣象行業標準《氣候預測檢驗厄爾尼諾/拉尼娜》QX/T507-2019自2019年9月30

日發布以來，在氣候預測業務中得到了實際應用，效果良好。為推廣該氣象行業標準的使用范圍，

2020年10月，在中國氣象局和全國氣候與氣候變化標準化技術委員會（SAC/TC540）組織下，

國家氣候中心、中國氣象局氣象干部培訓學院等單位提交了《氣候預測檢驗厄爾尼諾/拉尼娜》

國家標準項目申請表和國家標準文本草案。

（2）2021年5月，國標標準編制任務正式下達，正式成立標準起草組。

（3）2021年6月，起草組進行了任務分工，并分別從相關方兩個方面進行需求調研和搜集

工作。

（4）2021年7月-8月，基于前期發布實施的氣象行業標準《氣候預測檢驗厄爾尼諾/拉尼

娜》QX/T507-2019，相關方分別對標準中的檢驗技術進行了適用性試驗，依據試驗結果進行總

結，進一步完善了標準的技術內容和文本規范。

（5）2021年9月標準起草組通過內部研討會、相關方專家咨詢會，對征求意見稿草稿進行

1

了討論和修改，形成征求稿。

二、編制原則和確定標準主要內容的論據

1.編制原則

本標準的編制遵循以下原則：

（1）科學性

關于厄爾尼諾預測的實時預測檢驗評估，學術界還沒有成熟的定量指標來表征每一次厄爾尼

諾事件的預測技巧，因此需要科學地制定相應的技術方案。考慮到科學上厄爾尼諾事件的持續時

間長，一般用月資料來刻畫其變化規律。如果采用相關系數類型的指標，考慮到樣本量自由度很

小，則不能科學則描述過去一段時間（例如過去6個月）的預測水平。因此，考慮到科學性的原

則，本標準擬采用修正的均方根誤差指標來表征厄爾尼諾預測的實時預測技巧，并通過變換轉化

為實時預測評分。

（2）協調性

厄爾尼諾/拉尼娜是指赤道中、東太平洋海表面溫度大范圍持續異常偏暖和偏冷變化的大尺度

振蕩性現象。目前，學術界對于厄爾尼諾/拉尼娜事件監測有多種方案，例如NINO1+2、NINO3指

數、NINO4指數、NINO3.4指數、NINOZ指數等。2017年，“厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法”的

國家標準（GB/T33666-2017）和行業標準（QX/T370-2017）已發布實施，因此在制定本標準時，

檢驗的對象推薦的是國家標準（GB/T33666-2017）和行業標準（QX/T370-2017）所推薦的NINO3.4

指數。

（3）適用性

關于厄爾尼諾預測的綜合檢驗評估，學術界有多種檢驗方法和指標。針對確定性預測，有時

間距平相關系數（TCC）和均方根誤差（RMSE）等；針對概率預測，有常見的Brier（BSS）評分

等度量方案。上述常用的研究都能夠在不同層面反映當前模式在ENSO預測中的統計表現。本標準

擬采用時間距平相關系數（TCC）來定量檢驗厄爾尼諾的綜合預測技巧，一方面是因為該指標易用

易懂，便于推廣；另一方面，是因為現行的一些業務要求，例如ENSO預測的氣象現代化要求等，

都是基于TCC指標來制定，為了使標準與現行業務使用保持一致，擬采納TCC指標。

（4）可操作性

本標準需要進行業務應用，要求意義明確，計算方便，操作相對簡單。因而，項目組在制定

本標準的時候充分考慮了可操作性，例如排除了Brier（BSS）概率預測評分等相對復雜的指標。

（5）通用性

氣候變化背景下，氣候異常以及由此引發的極端天氣頻發問題，對諸多方面帶來現實威脅和

潛在影響。相關方在厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的基礎理論、技術路線等方面基本相同，該標準的

檢驗變量、檢驗指標、檢驗評價等具有普遍通用性，可客觀有效評估厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的

準確性，為氣候預測系統研制、試驗、應用等提供技術指導。

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2.標準主要內容及依據

（1）歷史預測檢驗

1）檢驗變量

宜采用NINO3.4指數來表征觀測的以及歷史回報的厄爾尼諾/拉尼娜狀態，并對歷史回報試驗

結果或者長時間預測結果的總體預測技巧進行綜合檢驗。

2）時間距平相關系數指標

利用時間距平相關系數（TemporalCorrelationCoefficient；TCC）指標對厄爾尼諾/

ITCC

拉尼娜指數預測技巧進行歷史預測檢驗，大于等于0.6則認為總體預測技巧較好。的計

ITCCITCC

算見式（1）：

n

Yi,lGi

Ii1………………（1）

TCC,lnn

22

Yi,lGi

i1i1

式中：

——歷史上提前個月厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的時間距平相關系數指標；

ITCC,ll

l——厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的超前月數；

n——歷史回報的總樣本數；

——提前個月的對應的預報值；

Yi,llGi

——厄爾尼諾/拉尼娜指數的第個觀測樣本的值。

Gii

采用指數的優點：

ITCC

a.簡單易用、方便推廣；

b.與現行的業務慣例（例如氣象現代化要求指標）吻合；

c.與國際上的一些研究所使用的指標一致。

（2）實時預測檢驗

1）檢驗變量

宜采用NINO3.4指數作為檢驗變量，并根據近期厄爾尼諾/拉尼娜狀態，對最近3至12個月預測

結果的技巧進行實時預測檢驗。

2）相對預測誤差指標

利用相對預測誤差（）指標來進行厄爾尼諾/拉尼娜指數預

RelativePredictionError;RPEIRPE

測的實時預測檢驗,計算見式（2）：

m

2

(Yi,lGi)/m

Ii1……（2）

RPE,lS

3

式中：

——提前個月厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的相對預測誤差指標；

IRPE,ll

l——厄爾尼諾/拉尼娜指數預測的超前月數；

m——實時預測檢驗所針對的樣本數；

——提前個月的對應的預報值；

Yi,llGi

——厄爾尼諾/拉尼娜指數的第個觀測樣本的值；

Gii

S——觀測的近期厄爾尼諾/拉尼娜指數均方根值，且需避免取值過小的情況，計

算見式（3）:

0.5(S0.5C)

Sm……（3）

2≥

Gi/m(S0.5C)

i1

3）相對預測評分指標

利用相對預測誤差指標來計算厄爾尼諾/拉尼娜指數實時預測的相對預測評分（Relative

IRPE

PredictionScore;RPS）指標，見式（4）：

IRPS

0(IRPE,l2)

I………………（4）

RPS,l≤≤

50(2IRPE,l)