气候预测检验 厄尔尼诺-拉尼娜-编制说明

一、工作简况

1.任务来源

本标准由中国气象局提出，全国气候与气候变化标准化技术委员会（SAC/TC540）归口，国

家气候中心负责起草。项目计划号为20211182-T-416，立项名称为《气候预测检验厄尔尼诺/拉

尼娜》。

2.协作单位

国家气候中心、中国气象局气象干部培训学院等。

3.标准主要起草人及其所做的工作

本标准的主要起草人：陆波、石文静、纪翠玲、张百超、万江华、姜明波、范海燕、柳艳艳，

其分工如下：

1陆波，项目负责人，负责制定技术方案，组织标准编写，标准主要内容结构设计和把关，

执笔编制说明等；

2石文静，主要参加人，负责完成标准的试验验证、标准宣贯和传播等；

3纪翠玲，主要参加人，负责标准编写指导、标准材料规范性把关等；

4张百超，主要参加人，负责完成标准的试验验证，协助完成标准编制说明的编写和修改等；

5万江华，主要参加人，协助完成标准文本的编写和修改等；

6姜明波，主要参加人，负责需求调研分析和标准征求意见等；

7范海燕，主要参加人，负责标准的需求分析等；

8柳艳艳，主要参加人，负责标准文本的校对和修改、征求意见及意见整理等。

4.主要编制过程

（1）前期气象行业标准《气候预测检验厄尔尼诺/拉尼娜》QX/T507-2019自2019年9月30

日发布以来，在气候预测业务中得到了实际应用，效果良好。为推广该气象行业标准的使用范围，

2020年10月，在中国气象局和全国气候与气候变化标准化技术委员会（SAC/TC540）组织下，

国家气候中心、中国气象局气象干部培训学院等单位提交了《气候预测检验厄尔尼诺/拉尼娜》

国家标准项目申请表和国家标准文本草案。

（2）2021年5月，国标标准编制任务正式下达，正式成立标准起草组。

（3）2021年6月，起草组进行了任务分工，并分别从相关方两个方面进行需求调研和搜集

工作。

（4）2021年7月-8月，基于前期发布实施的气象行业标准《气候预测检验厄尔尼诺/拉尼

娜》QX/T507-2019，相关方分别对标准中的检验技术进行了适用性试验，依据试验结果进行总

结，进一步完善了标准的技术内容和文本规范。

（5）2021年9月标准起草组通过内部研讨会、相关方专家咨询会，对征求意见稿草稿进行

1

了讨论和修改，形成征求稿。

二、编制原则和确定标准主要内容的论据

1.编制原则

本标准的编制遵循以下原则：

（1）科学性

关于厄尔尼诺预测的实时预测检验评估，学术界还没有成熟的定量指标来表征每一次厄尔尼

诺事件的预测技巧，因此需要科学地制定相应的技术方案。考虑到科学上厄尔尼诺事件的持续时

间长，一般用月资料来刻画其变化规律。如果采用相关系数类型的指标，考虑到样本量自由度很

小，则不能科学则描述过去一段时间（例如过去6个月）的预测水平。因此，考虑到科学性的原

则，本标准拟采用修正的均方根误差指标来表征厄尔尼诺预测的实时预测技巧，并通过变换转化

为实时预测评分。

（2）协调性

厄尔尼诺/拉尼娜是指赤道中、东太平洋海表面温度大范围持续异常偏暖和偏冷变化的大尺度

振荡性现象。目前，学术界对于厄尔尼诺/拉尼娜事件监测有多种方案，例如NINO1+2、NINO3指

数、NINO4指数、NINO3.4指数、NINOZ指数等。2017年，“厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法”的

国家标准（GB/T33666-2017）和行业标准（QX/T370-2017）已发布实施，因此在制定本标准时，

检验的对象推荐的是国家标准（GB/T33666-2017）和行业标准（QX/T370-2017）所推荐的NINO3.4

指数。

（3）适用性

关于厄尔尼诺预测的综合检验评估，学术界有多种检验方法和指标。针对确定性预测，有时

间距平相关系数（TCC）和均方根误差（RMSE）等；针对概率预测，有常见的Brier（BSS）评分

等度量方案。上述常用的研究都能够在不同层面反映当前模式在ENSO预测中的统计表现。本标准

拟采用时间距平相关系数（TCC）来定量检验厄尔尼诺的综合预测技巧，一方面是因为该指标易用

易懂，便于推广；另一方面，是因为现行的一些业务要求，例如ENSO预测的气象现代化要求等，

都是基于TCC指标来制定，为了使标准与现行业务使用保持一致，拟采纳TCC指标。

（4）可操作性

本标准需要进行业务应用，要求意义明确，计算方便，操作相对简单。因而，项目组在制定

本标准的时候充分考虑了可操作性，例如排除了Brier（BSS）概率预测评分等相对复杂的指标。

（5）通用性

气候变化背景下，气候异常以及由此引发的极端天气频发问题，对诸多方面带来现实威胁和

潜在影响。相关方在厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的基础理论、技术路线等方面基本相同，该标准的

检验变量、检验指标、检验评价等具有普遍通用性，可客观有效评估厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的

准确性，为气候预测系统研制、试验、应用等提供技术指导。

2

2.标准主要内容及依据

（1）历史预测检验

1）检验变量

宜采用NINO3.4指数来表征观测的以及历史回报的厄尔尼诺/拉尼娜状态，并对历史回报试验

结果或者长时间预测结果的总体预测技巧进行综合检验。

2）时间距平相关系数指标

利用时间距平相关系数（TemporalCorrelationCoefficient；TCC）指标对厄尔尼诺/

ITCC

拉尼娜指数预测技巧进行历史预测检验，大于等于0.6则认为总体预测技巧较好。的计

ITCCITCC

算见式（1）：

n

Yi,lGi

Ii1………………（1）

TCC,lnn

22

Yi,lGi

i1i1

式中：

——历史上提前个月厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的时间距平相关系数指标；

ITCC,ll

l——厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的超前月数；

n——历史回报的总样本数；

——提前个月的对应的预报值；

Yi,llGi

——厄尔尼诺/拉尼娜指数的第个观测样本的值。

Gii

采用指数的优点：

ITCC

a.简单易用、方便推广；

b.与现行的业务惯例（例如气象现代化要求指标）吻合；

c.与国际上的一些研究所使用的指标一致。

（2）实时预测检验

1）检验变量

宜采用NINO3.4指数作为检验变量，并根据近期厄尔尼诺/拉尼娜状态，对最近3至12个月预测

结果的技巧进行实时预测检验。

2）相对预测误差指标

利用相对预测误差（）指标来进行厄尔尼诺/拉尼娜指数预

RelativePredictionError;RPEIRPE

测的实时预测检验,计算见式（2）：

m

2

(Yi,lGi)/m

Ii1……（2）

RPE,lS

3

式中：

——提前个月厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的相对预测误差指标；

IRPE,ll

l——厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的超前月数；

m——实时预测检验所针对的样本数；

——提前个月的对应的预报值；

Yi,llGi

——厄尔尼诺/拉尼娜指数的第个观测样本的值；

Gii

S——观测的近期厄尔尼诺/拉尼娜指数均方根值，且需避免取值过小的情况，计

算见式（3）:

0.5(S0.5C)

Sm……（3）

2≥

Gi/m(S0.5C)

i1

3）相对预测评分指标

利用相对预测误差指标来计算厄尔尼诺/拉尼娜指数实时预测的相对预测评分（Relative

IRPE

PredictionScore;RPS）指标，见式（4）：

IRPS

0(IRPE,l2)

I………………（4）

RPS,l≤≤

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

式中：

——提前个月厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的相对预测评分指标；

IRPS,ll

l——厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的超前月数；

——提前个月厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的相对预测误差指标，计算方法参见

IRPE,ll

式（2）。

4）实时预测检验判定规定

相对预测评分指标在分～分之间变动，分值越大代表对近期厄尔尼诺拉尼娜指数的

IRPS0100/

实时预测技巧越高，如果超过分，则认为有预测技巧。

IRPS60

利用预测评分指标的优点：

IRPS

a.简单易用，方便推广；

b.在实时预测样本量较小的情况下，科学可行；

c.鼓励对强事件的合理预测，从而满足业务上需求；

d.通用性强，可满足各相关方需求。

4

三、主要验证的分析及预期效果

1.测试一

厄尔尼诺/拉尼娜是指赤道中、东太平洋海表温度大范围持续异常偏暖/冷的现象，是气候系统

年际气候变化中的最强外强迫信号。厄尔尼诺/拉尼娜事件的发生，不仅会直接造成热带太平洋及

其附近地区的干旱、暴雨等灾害性极端天气气候事件，还会以遥相关的形式间接地影响到全球其

余地区天气气候并引发气象灾害。因此，厄尔尼诺/拉尼娜事件深受学术界和政府的关注和重视。

目前国际上对厄尔尼诺/拉尼娜事件有很多种预测方法和预测模式，如何定量地检验不同的预

测方法对厄尔尼诺/拉尼娜事件的总体技巧水平、如何定量地检验某一次厄尔尼诺/拉尼娜事件的实

时预测技巧，这两个问题亟待建立相应的气象行业标准来解决。对于厄尔尼诺/拉尼娜事件的总体

技巧水平，目前国际上有一些技术方案，例如时间距平相关系数（TCC）、均方根误差（RMSE）

等，需要编制组明确一个易用的检验技术；而针对某一次厄尔尼诺/拉尼娜事件的实时预测，目前

还没有成熟的定量检验方案，需要编制组设计一个合理的检验技术。

在制定本标准时，我们利用了国家气候中心ENSO预测系统对该标准进行了验证分析。国家

气候中心ENSO预测系统包含了三种预测方法：即BCC-CSM1.1m耦合模式的集合预测、基于物

理过程的ENSO统计预测模型、以及模式预测的相似误差订正预测。基于1996-2016年的历史回

报和实时预测，利用本标准中的综合预测指标，图1对这三种预测方法的综合技巧进行了评估。

可以发现，随着预测时长的增加，所有预测方法的技巧都下降，相比而言，三种预测方法的集合

平均预测技巧最高，提前6个月TCC指标仍可达到0.8，这与目前学术界关于集合预测能提高厄

尔尼诺预测水平的认识一致。

图1国家气候中心不同预测方法在1996-2016年针对厄尔尼诺事件的总体综合预测技巧（纵

坐标）随预测时长（横坐标：月份）的变化。其中红线为BCC-CSM1.1m耦合模式的集合预测、

5

绿线为基于物理过程的ENSO统计预测模型、蓝线为模式预测的相似误差订正预测、黑线代表了

三种预测方案的集合平均。

在厄尔尼诺事件的实时预测检验方面，本标准制定了实时预测的相对误差评分（Relative

PredictionScore;RPS）指标，该指标值越大代表预测准确性越高，具体计算方法见公式（）。

IRPS4

为了更好地说明该指标的指示意义，我们在-3℃～3℃之间每隔0.1℃生成一个观测值和预测值，

简单起见只针对一个观测和预测来生成评分（实际业务中一般取3～12个月），计算得到的评分分

布图如图2所示。

图2人为于-3℃~3℃之间每隔0.1℃生成一个观测值（横坐标）和预测值（纵坐标），并基于

此数据计算相对误差评分的分布值。

进一步地，我们应用相对误差评分指标来检验国家气候中的ENSO业务预测数据。如图3所

示，该指标能很好地反映对过去6个月厄尔尼诺事件的实时预测水平。我们可以发现，国家气候

中心三种预测方法能够很好地预测出1997/1998、以及2015/2016这样的超强厄尔尼诺事件，但也

存在误报（falsealarm）的情况（2005/2006等），这与学术界的认识一致。另外可以发现，一般而

言，三种预测方法的集合平均往往能在大多数厄尔尼诺事件的预测中起到更好的预测效果。

6

图超前个月预测的滚动个月范围内的指标，其中红线为耦合模式

366IRPSBCC-CSM1.1m

的集合预测、绿线为基于物理过程的ENSO统计预测模型、蓝线为模式预测的相似误差订正预测、

黑线代表了三种预测方案的集合平均。

上述验证结果显示，该标准既能对厄尔尼诺/拉尼娜的历史预测进行检验，又能对厄尔尼诺/

拉尼娜的实时预测进行检验，从而满足气象业务需求。

2.测试二

在制定本标准时，我们利采用集合卡尔曼滤波方法同化大气（海面风应力）、海洋（海表面温

度和卫星高度计）多种观测资料，在预测过程中嵌入主导变量的模式误差统计模型，精确估计模

式误差，通过建立100个样本数的集合初始场，构建大样本ENSO集合预测系统。我们利用业务

系统生成的2017年3月至2018年3月的实时滚动预测结果，针对2017年10月-2018年3月的

ENSO实况演变进行了预测检验分析，结果如下：

7

图针对年月年月的指数实况演变，超前个月预测的指

3201710-20183NINO3.41-8IRPS

标

从上图中的结果我们可以看到，利用该标准我们可以定量刻画该ENSO预测系统的实时预测

技巧，针对2017/2018的拉尼娜事件，能提前3个月进行较为准确的预测，而随着预报时长的进

一步拉长，预测评分指标则会有所降低。

IRPS

3.预期经济社会效益

本标准适应我国气象业务保障和信息化发展趋势，是为满足气象防灾减灾和有关部门气象水

文保障需求而提出的。本标准的应用和实施将为气候预测系统研制、试验、应用等提供技术指导，

为保证和提升气候预测系统性能提供支撑，具有可预见的重要效益，推广应用前景广阔。

四、采用国际标准和国外先进标准的程度（包括与国际、国外同类标准水平的对比情况，或者与

测试的国外样品、样机的有关数据对比情况）

经过文献调研，针对厄尔尼诺/拉尼娜事件的预测历史综合检验，国际上有TCC、RMSE等技

术方法，但尚无统一标准，因此需要确立适合我国业务的历史预测检验方法。对于厄尔尼诺/拉尼

娜事件的实时预测检验，国际上还没有成熟的定量化技术方案，需要项目编制组来自主研制相关

技术方法和指标。

五、与现行有关法律、法规和强制性标准的关系

本标准与现行有关法律、法规和强制性标准没有矛盾冲突。

六、重大分歧意见的处理经过和依据

无。

七、作为强制性标准或者推荐性标准的建议

建议本标准为推荐性标准。

8

八、贯彻本标准的措施建议（包括组织措施、技术措施、过度办法等）

本标准实施后，建议相关主管部门组织加强该标准的宣传力度，推动该标准在厄尔尼诺/拉尼

娜事件的预测检验工作中的应用。

为强化本标准的应用实施，多途径、多渠道发挥好本标准的作用和效益，在该标准发布实施

后，拟选取主要应用单位作为推广宣贯的责任单位。在组织层面上，通过发布本标准应用和实施

的通知、公告，向使用本标准的潜在单位和部门广泛宣传；在信息传播手段上，通过在线平台开

设本标准相关的网课，以及纳入定期开展的气象标准应用培训课程，进行专业培训和介绍，扩大

标准宣贯和传播的力度。同时建立本标准实施应用和反馈机制，开通反馈渠道，通过电话、通用

气象标准信息服务平台网站等多种途径广泛收集应用意见，指定固定人员收集信息和归档，组织

开展本标准应用调查评估活动。

九、废止现行有关标准的建议

本标准是新起草的标准，无其他标准被代替或废止。

十、其他应当予说明的事项

无。

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一、工作简况

1.任务来源

本标准由中国气象局提出，全国气候与气候变化标准化技术委员会（SAC/TC540）归口，国

家气候中心负责起草。项目计划号为20211182-T-416，立项名称为《气候预测检验厄尔尼诺/拉

尼娜》。

2.协作单位

国家气候中心、中国气象局气象干部培训学院等。

3.标准主要起草人及其所做的工作

本标准的主要起草人：陆波、石文静、纪翠玲、张百超、万江华、姜明波、范海燕、柳艳艳，

其分工如下：

1陆波，项目负责人，负责制定技术方案，组织标准编写，标准主要内容结构设计和把关，

执笔编制说明等；

2石文静，主要参加人，负责完成标准的试验验证、标准宣贯和传播等；

3纪翠玲，主要参加人，负责标准编写指导、标准材料规范性把关等；

4张百超，主要参加人，负责完成标准的试验验证，协助完成标准编制说明的编写和修改等；

5万江华，主要参加人，协助完成标准文本的编写和修改等；

6姜明波，主要参加人，负责需求调研分析和标准征求意见等；

7范海燕，主要参加人，负责标准的需求分析等；

8柳艳艳，主要参加人，负责标准文本的校对和修改、征求意见及意见整理等。

4.主要编制过程

（1）前期气象行业标准《气候预测检验厄尔尼诺/拉尼娜》QX/T507-2019自2019年9月30

日发布以来，在气候预测业务中得到了实际应用，效果良好。为推广该气象行业标准的使用范围，

2020年10月，在中国气象局和全国气候与气候变化标准化技术委员会（SAC/TC540）组织下，

国家气候中心、中国气象局气象干部培训学院等单位提交了《气候预测检验厄尔尼诺/拉尼娜》

国家标准项目申请表和国家标准文本草案。

（2）2021年5月，国标标准编制任务正式下达，正式成立标准起草组。

（3）2021年6月，起草组进行了任务分工，并分别从相关方两个方面进行需求调研和搜集

工作。

（4）2021年7月-8月，基于前期发布实施的气象行业标准《气候预测检验厄尔尼诺/拉尼

娜》QX/T507-2019，相关方分别对标准中的检验技术进行了适用性试验，依据试验结果进行总

结，进一步完善了标准的技术内容和文本规范。

（5）2021年9月标准起草组通过内部研讨会、相关方专家咨询会，对征求意见稿草稿进行

1

了讨论和修改，形成征求稿。

二、编制原则和确定标准主要内容的论据

1.编制原则

本标准的编制遵循以下原则：

（1）科学性

关于厄尔尼诺预测的实时预测检验评估，学术界还没有成熟的定量指标来表征每一次厄尔尼

诺事件的预测技巧，因此需要科学地制定相应的技术方案。考虑到科学上厄尔尼诺事件的持续时

间长，一般用月资料来刻画其变化规律。如果采用相关系数类型的指标，考虑到样本量自由度很

小，则不能科学则描述过去一段时间（例如过去6个月）的预测水平。因此，考虑到科学性的原

则，本标准拟采用修正的均方根误差指标来表征厄尔尼诺预测的实时预测技巧，并通过变换转化

为实时预测评分。

（2）协调性

厄尔尼诺/拉尼娜是指赤道中、东太平洋海表面温度大范围持续异常偏暖和偏冷变化的大尺度

振荡性现象。目前，学术界对于厄尔尼诺/拉尼娜事件监测有多种方案，例如NINO1+2、NINO3指

数、NINO4指数、NINO3.4指数、NINOZ指数等。2017年，“厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法”的

国家标准（GB/T33666-2017）和行业标准（QX/T370-2017）已发布实施，因此在制定本标准时，

检验的对象推荐的是国家标准（GB/T33666-2017）和行业标准（QX/T370-2017）所推荐的NINO3.4

指数。

（3）适用性

关于厄尔尼诺预测的综合检验评估，学术界有多种检验方法和指标。针对确定性预测，有时

间距平相关系数（TCC）和均方根误差（RMSE）等；针对概率预测，有常见的Brier（BSS）评分

等度量方案。上述常用的研究都能够在不同层面反映当前模式在ENSO预测中的统计表现。本标准

拟采用时间距平相关系数（TCC）来定量检验厄尔尼诺的综合预测技巧，一方面是因为该指标易用

易懂，便于推广；另一方面，是因为现行的一些业务要求，例如ENSO预测的气象现代化要求等，

都是基于TCC指标来制定，为了使标准与现行业务使用保持一致，拟采纳TCC指标。

（4）可操作性

本标准需要进行业务应用，要求意义明确，计算方便，操作相对简单。因而，项目组在制定

本标准的时候充分考虑了可操作性，例如排除了Brier（BSS）概率预测评分等相对复杂的指标。

（5）通用性

气候变化背景下，气候异常以及由此引发的极端天气频发问题，对诸多方面带来现实威胁和

潜在影响。相关方在厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的基础理论、技术路线等方面基本相同，该标准的

检验变量、检验指标、检验评价等具有普遍通用性，可客观有效评估厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的

准确性，为气候预测系统研制、试验、应用等提供技术指导。

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2.标准主要内容及依据

（1）历史预测检验

1）检验变量

宜采用NINO3.4指数来表征观测的以及历史回报的厄尔尼诺/拉尼娜状态，并对历史回报试验

结果或者长时间预测结果的总体预测技巧进行综合检验。

2）时间距平相关系数指标

利用时间距平相关系数（TemporalCorrelationCoefficient；TCC）指标对厄尔尼诺/

ITCC

拉尼娜指数预测技巧进行历史预测检验，大于等于0.6则认为总体预测技巧较好。的计

ITCCITCC

算见式（1）：

n

Yi,lGi

Ii1………………（1）

TCC,lnn

22

Yi,lGi

i1i1

式中：

——历史上提前个月厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的时间距平相关系数指标；

ITCC,ll

l——厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的超前月数；

n——历史回报的总样本数；

——提前个月的对应的预报值；

Yi,llGi

——厄尔尼诺/拉尼娜指数的第个观测样本的值。

Gii

采用指数的优点：

ITCC

a.简单易用、方便推广；

b.与现行的业务惯例（例如气象现代化要求指标）吻合；

c.与国际上的一些研究所使用的指标一致。

（2）实时预测检验

1）检验变量

宜采用NINO3.4指数作为检验变量，并根据近期厄尔尼诺/拉尼娜状态，对最近3至12个月预测

结果的技巧进行实时预测检验。

2）相对预测误差指标

利用相对预测误差（）指标来进行厄尔尼诺/拉尼娜指数预

RelativePredictionError;RPEIRPE

测的实时预测检验,计算见式（2）：

m

2

(Yi,lGi)/m

Ii1……（2）

RPE,lS

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式中：

——提前个月厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的相对预测误差指标；

IRPE,ll

l——厄尔尼诺/拉尼娜指数预测的超前月数；

m——实时预测检验所针对的样本数；

——提前个月的对应的预报值；

Yi,llGi

——厄尔尼诺/拉尼娜指数的第个观测样本的值；

Gii

S——观测的近期厄尔尼诺/拉尼娜指数均方根值，且需避免取值过小的情况，计

算见式（3）:

0.5(S0.5C)

Sm……（3）

2≥

Gi/m(S0.5C)

i1

3）相对预测评分指标

利用相对预测误差指标来计算厄尔尼诺/拉尼娜指数实时预测的相对预测评分（Relative

IRPE

PredictionScore;RPS）指标，见式（4）：

IRPS

0(IRPE,l2)

I………………（4）

RPS,l≤≤

50(2IRPE,l)