内蒙古主要气象灾害预警信息发布时效性评估模型研究

张立莉，吕明辉，隋剑利，张晓美

（1.内蒙古自治区气象服务中心，呼和浩特 010051；2.中国气象局公共气象服务中心，北京 100081）

近年来，气候变化导致极端灾害性天气、气候事件频发，世界气象组织的统计数据表明，中国是世界上气象灾害最为严重的国家之一，气象灾害损失占所有自然灾害损失的70%以上[1-2]。内蒙古自治区横跨中国东北、华北、西北三大地区，接邻八个省区，气候变化多样，全区除常年干旱外，雨涝、白灾、冰雹、风灾和霜冻等气象灾害也频频发生，在灾害发生前或者发生的第一时间将气象灾害预警信息传递到受灾群众或相关决策部门的手中，是防灾减灾工作的重要环节[3]。气象灾害预警信息是用在气象灾害发生之前警示信息，一般有较长时间的提前量，向相关部门、公众发出紧急信号，报告危险情况，能够为受警者提供足够时间，为即将到来的灾害做出适当的准备，从而最大程度地减轻灾害所造成的损失的行为。如何有效防范和应对灾害性天气事件，加强应急管理，最大限度地降低灾害性天气对人类社会的影响，对于开展气象灾害应急措施、防灾减灾政策制定、预警信息发布的有效性和效果评估等都具有重要意义。本文探索内蒙古自治区气象灾害种类及影响过程，选取2021 年内蒙古气象灾害预警信息发布数据，与气象灾害进行对比分析，通过对预警信息发布初步分析，摸清内蒙古主要气象灾害在2021 年的发展变化及其分布情况、利用天气过程来解析预警信息发布有效性和时效性，评估预警信息发布情况，从而完善预警信息发布策略及规范，以便更加快速将预警信息送达到受灾群众、应急责任人及相关决策部门，提供参考依据。

气象灾害预警信息发布时效性评估研究涉及不同群体和不同渠道，存在多影响因素和不易度量性，是一个较为复杂的研究问题。目前国内对气象预警信息时效性评估的研究尚处于起步阶段，部分研究尝试主要集中在气象灾害预警服务时效性、预警信号质量评估等方面。如邓玲等[4]对暴雨灾害气象防灾减灾服务效益评估指标体系研究中，针对预报时效性（72 h）设计了评分规则；孟茹等[5]对汉中市地质灾害气象风险预警服务效益评估方法研究中，设计预警服务时效阶梯性规则。陆小玉等[6]对近年广西气象灾害预警信号质量评估研究中，通过预警信号准确预警的时间提前量、预警信号预警的时间提前量、预警信号有效预警的时间提前量等因子对预警信号时效性评估。徐静等[7]在基于线索特征的Web信息时效性评价方法，提出时效性所包含的发布及时性和内容新鲜性2 个方面来对Web 信息时效性进行合理的评价。安磊等[8]在信息链时效性评估的马尔科夫模型研究中，采用概率法详细分析给出了信息准确性、时间性的数学表达式。刘银焕等[9]、陆小玉等[6]从TS 评分、空报率等指标检验预警信号质量，利用预警信号准确预警的时间提前量T1、预警的时间提前量T2 和有效预警的时间提前量T3 评估预警信号时效性。

以上几种研究初步分析时效性评估方法主要研究预报时效性评分规则、预警信号时间提前量，针对预警信息发布渠道、手段的时效性评估探索几乎为零。本文研究的重点是研究时效性实际值与期望值之间的对比研究，通过相对尺度计算建模，通过模型中的指标因子算式定量分析各个发布渠道、手段的时效性。

1 内蒙古自治区气象灾害主要类型预警发布标准

近几十年以来，内蒙主要古气象灾害包括干旱灾害、风灾、沙尘暴、冰雹、暴雨洪涝、雪灾和低温冷害，均对全区造成不同程度的影响（见表1）。

2 2021 年内蒙古气象灾害预警信息发布情况

气象灾害预警信息（以下简称预警信息）中的预警级别总体上分为红色、橙色、黄色和蓝色4 个等级，分别映射为特别严重、严重、较重和一般。选取内蒙古2021 年气象灾害预警信息发布数据，采用统计分析法，对内蒙古气象灾害预警的时空分布特征进行了初步分析，结果显示：2021 年全区通过内蒙古自治区突发事件预警信息发布平台发布预警信息为15 641 条，较过去一年（2020 年）发布量（12 555 条）增加24.58%，其中省级发布预警信息307 条，市级发布预警信息2 101 条，县级发布预警信息13 233 条。预警信息发布数量由高到低顺序依次为大风、雷电、道路结冰、寒潮、暴雨、大雾、冰雹、沙尘暴、暴雪、霜冻、高温、山洪灾害、中小河流洪水气象风险。

从时间分布看（图1），全年中7 月为预警信息高峰期，共发布2 705 次，发送数量几乎为其他月份的2 倍。11 月份预警信息发布数量次之。大风、雷电、道路结冰、寒潮预警信息发布占总次数的81.3%，其中大风预警发布次数最多，占总次数的32.33%。大风、大雾预警信息一年四季均有发布；雷电预警信息发布集中在4—9 月；暴雨预警信息发布集中在6—9 月；高温预警信息发布集中在6—8 月；冰雹预警信息发布集中在5—9 月；山洪灾害预警信息集中在6—9 月；中小河流洪水气象风险预警信息集中在7 月；道路结冰预警信息发布集中在1—4 月和11—12 月息；寒潮预警信息发布集中在1—5 月和10—12 月；沙尘暴预警信息发布集中在1—5 月；暴雪预警信息发布集中在1—4 月和10—12 月，其中11 发布最多；霜冻预警信息发布集中在4—5 月和9—10 月。

从预警信息发布级别分布上看（表2），通辽市和阿拉善盟发布红色（特别严重）预警信息数量最多；通辽市和赤峰市橙色（严重）预警信息数量最多；通辽市和赤峰市发布的红色、橙色预警信息占比达到38.12%。

表2 2021 年全区预警信息发布情况

3 天气过程预警检验

分析2021 年内蒙古自治区全区预警信号发布情况得出，受气象原因导致的主要灾害出现在5 个时段：年初的区域性降温过程，多地出现极端低温天气；春季沙尘天气频发；春秋季发生霜冻灾害；汛期暴雨、雷暴、冰雹灾害严重，7 月出现区域性极端高温天气过程；秋末冬初出现强雨雪寒潮天气，东部地区个别地区出现极端降雪、暴雪多灾并发。2021 年气象灾害造成内蒙古全区均有经济损失，其中呼伦贝尔市东部、锡林郭勒盟、兴安盟、通辽中南部、赤峰大部、巴彦淖尔市东南部、鄂尔多斯市西部灾害尤为严重（见表3）。

表3 2021 年重大灾害性天气过程气象灾害预警发布的检验

春季沙尘暴预警集中发布在3—5 月，共发布沙尘暴预警信号356 次，全区所有盟市均有发布。3 月14—15 日的沙尘过程全区所有盟市均受影响，这两天全区发布沙尘暴预警信号高达89 次。影响范围来看，9 个盟市共51 个市、旗县发布了沙尘暴预警信号，其中巴彦淖尔市发布沙尘暴预警信号15 次。此次沙尘暴过程主要影响锡林郭勒盟西南部及以西大部地区，赤峰市松山区岗子和巴彦淖尔市杭锦后旗达到特强沙尘暴等级，巴彦淖尔市乌拉特前旗、五原县、乌拉特中旗等地设施农业受损。

汛期中东部各流域降水量偏多，呈现出极端性。7月17—20 日期间，全区共发布暴雨雷电冰雹预警信号262 次，75 个盟市、旗县气象台发布预警信号，由预警信号影响范围来看，发布影响全区12 个盟市。由预警暴雨过程来看，暴雨预警信号发布61 次，其中红、橙、黄色暴雨预警信号发布46 次，单次过程中最多有29个盟市、旗县台站出现暴雨预警，其中呼伦贝尔市莫力达瓦旗气象台发布1 次橙色暴雨预警信号和6 次黄色暴雨预警信号。此次暴雨过程期间，呼伦贝尔市莫力达瓦旗遭受强降雨袭击，造成部分农作物受灾，11 月出现强寒潮过程，其影响范围大、强度强，伴随寒潮过程产生了大范围的雨雪天气。11 月6—9 日全区共发布暴雪预警信号202 次，红色暴雪预警信号32 次。影响范围来看11 个盟市共74 个市、旗县发布了暴雪预警信号，其中通辽市发布暴雪预警信号76 次、赤峰市发布暴雪预警信号44 次、锡林郭勒盟发布暴雪预警信号20 次、兴安盟发布暴雪预警信号8 次。由实况显示兴安盟、通辽市、赤峰市、锡林郭勒盟、乌兰察布市、呼和浩特市、包头市、鄂尔多斯市、阿拉善盟9 个盟市共计37 站出现极端降雪事件。受灾地区主要为通辽市、赤峰市、锡林郭勒盟和兴安盟，其中通辽市受灾最重。

中小尺度的强对流天气多发重发，尤其短时强降水、局地短时暴雨、暴雪近年来呈不断增加的趋势，降水呈现雨强大、时效短、频次高等特点，冰雹叠加降水过程增多。气象灾害的突发性、极端性、不可预见性随之增大，其中短时效强降水的致灾性，暴雨洪涝灾害造成的死亡人口最多。经过校验分析，本年度全区预警信息发布与气象灾害发生地区的时空分布基本吻合，证明预警信息发布有效性。本文中预警信息发布时效性是衡量气象灾害预警发布能力重要指标因子。

4 气象灾害预警信息发布时效性评估模型研究

预警信息发布通常是以行政区域为单元，因此从方便管理的角度出发，通常会认为若信息发布的范围大于等于气象灾害发生地区则视为有效。某次天气过程中发布了气象灾害预警信息的地区实况也出现了相应的气象灾害，相关政府部门和公众及时收到预警后，采取了相应的避灾救灾措施等，避免了人员和财产损失，此次的预警服务形成一个完整的服务流程。本文以国家突发事件预警发布系统——内蒙古平台为例，选取该流程中一个重要环节就是预警信息发布的时效性，建立评估指标和计算方法，并以内蒙古2021 年7月17—20 日的暴雨天气过程作为实例进行应用，以期实现对单次天气过程的气象灾害预警信息发布的时效性进行定量化评估。

4.1 预警信息发布的时效性

目前内蒙古自治区气象局通过国家突发事件预警发布系统——内蒙古平台第一时间向公众权威发布预警信息，发布手段、渠道在传统的电视、广播等预警信息传播渠道的基础上，增加了12379 气象预警短信、户外电子显示屏、应急广播“村村响”大喇叭、微博、微信、抖音等新媒体多渠道，将灾害预警信息发送到户到人，显著提高气象灾害预警信息发布的时效性[10-11]。鉴于影响预警信息发布时效性的因子众多，如人为因子、发布系统故障、传输链路中断、接收终端故障和数据包丢包等不可抗因子，存在着不定性。因此在评估预警信息发布时效性时，重点考虑发布渠道因素，根据不同的发布渠道研判定量分析，定量评估预警信息发布传播效果，计算预警信息的时效性。

本模型是通过反复演练推敲出的新数学模型评估方法，是通过判断此预警信息的发送时间距离预警时间尺度的时间长度提前、滞后百分比，即某种预警信息发布在某一范围内、某一时间段、某一人群、某一发布手段或渠道下的可达率，来评估预警信息发布的时效性。预警时间尺度为实现预警信息多长时间内发布的时间尺度标准。《内蒙古自治区气象灾害预警信号发布与传播办法》[12]规定不同发布渠道预警时间尺度内向预警区域内的用户传播时效。预警信息发布时效性评价指标为渠道跟踪反馈信息，包含发送时间、接收时间、预警时间尺度等。因此，可以建立以下预警信息发布传播时效性模型关系式

式中：S 为某段时间预警的发布时效性，n 为渠道终端数，T 为预警时间尺度，t0为预警信息的发送时间，ti为预警信息的到达时间。若预警信息发送包因不可抗力丢包则为无效数据可忽略不计。

设所选的发布渠道为手机短信，发布时效性定量分析通过式（1）来评估，随着国家突发事件预警信息发布能力提升工程的建设，对预警信息发布提出更高要求，提出实现常规预警信息3 min 内发布的时间尺度指标，因此T 预警时间尺度在这里为3 min。某一个天气过程在某一范围内面对某一群组评估某次天气过程从预警信息发送时间到手机号码接收时间与预计时间尺度差值，其他发布渠道或手段运算可类同。

4.2 时效性评估分析实例

通过国家突发事件预警信息发布系统——内蒙古平台获取了2021 年7 月17—20 日的暴雨天气过程暴雨预警发布渠道——手机短信用户送达数据集分析时效性。此次过程共发送全区应急责任人手机号码32 250 个，经过对手机号码的初步筛选有18 539 个号码未收到回执信息，因此针对13 711 个用户进行分析。对13 711 个用户的发送时间和回执时间数据清洗、对比分析纠错，发现有5 386 个用户为无效用户（因系统对接原因导致短信回执时间早于发送时间），8 325 个用户为有效数据。将渠道终端有效数据代入式（1）得出S=123.1%，与希望实现常规预警信息平均的3 min 时效性滞后23.1%，即8 325 个用户送达时间与这些用户常规预警信息平均的3 min 时间长短进行比较的结果滞后346 608 s 的时间送达，即通过12379 短信渠道发布预警信息平均3 min41.63 s 发送到达应急责任人手机上，预警信息手机短信发布时效性比预期3 min 滞后41.63 s。从8 325 个用户为有效数据分析有512 个用户3 min 后接收到占有效用户的6.2%，发现用户数虽然少，但是都滞后几个小时，最终导致预警信息手机短信发布时效性比预期滞后，且分析512 个用户播发的时段显示大部分是夜间23 时之后，因此发布预警信息策略预警事件等级、发送时段频次等指标应该进行完善和改进。经上述实例检验式（1）概念较为明确清晰，算法简洁实用，具有较好的理论创新意义和示范推广价值。随着未来预警发布时效的研究发展，预警信息发布的时效性算法会进一步提高，对预警信息发布策略的完善和改进提供指导作用，对提高预警信息发布效率有很大的帮助。

5 结论与讨论

1）通过2021 年的内蒙古预警信息发布情况与内蒙古气象灾情对比分析，得出气象灾害发生地区包含在预警信号发布地区，预警信号发布范围要比气象灾害发生地区范围大。从预警信号发布次数看，发生气象灾害的地区发布预警信号相较次数多，证明其预警信息发布的有效性。

2）预警信息的时效性是气象灾害预警服务中信息发布的重要一环。时效性评估可以成为探寻完善和改进适合播发的信息类型、覆盖范围、播发时段频次等策略的重要依据。

3）通过时效性评估实例分析，可以实现对气象灾害预警信息发布的时效性进行评估，但在实际操作中会受到如回执、数据丢包等问题的限制，未来链路传输技术更新后，自动发送回执就可以实现对所有渠道终端的预警信息发布时效性进行客观评估。

4）通过模型中的指标因子算式定量分析各个发布渠道、手段的时效性，从而完善改进发布策略，如12379短信在发布策略中需考虑凌晨发送的预警信息的时效性问题。未来可应用大分数据分析和人工智能技术对预警信息发布渠道的时效性进行大数据量的快速评估，提高评估的可行性和精确度。