新疆阿克蘇地區(qū)人工防雹作業(yè)效果研究

李 斌，鄭博華，史蓮梅，朱思華

(新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，烏魯木齊 830002)

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新疆阿克蘇地區(qū)人工防雹作業(yè)效果研究

李 斌，鄭博華，史蓮梅，朱思華

(新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，烏魯木齊 830002)

【目的】客觀評(píng)估新疆阿克蘇地區(qū)人工防雹作業(yè)前后年雹災(zāi)面積系統(tǒng)性差異，分析該地區(qū)人工防雹作業(yè)效果。【方法】利用阿克蘇地區(qū)1978～2013年的年雹災(zāi)面積數(shù)據(jù)，以1996年作為人工防雹作業(yè)開始年，運(yùn)用序列檢驗(yàn)、不成對(duì)秩和檢驗(yàn)以及Welch檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)科學(xué)開展人工防雹作業(yè)前后各18 a的年雹災(zāi)面積系統(tǒng)性差異進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】阿克蘇地區(qū)科學(xué)開展人工防雹作業(yè)后冰雹災(zāi)害明顯減少，非參數(shù)性不成對(duì)秩和檢驗(yàn)顯著性水平為0.05，參數(shù)性Welch檢驗(yàn)顯著性水平高達(dá)0.01，平均年雹災(zāi)面積減少15 063 hm2，相對(duì)減少率為43.14%。結(jié)合農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，年平均減少雹災(zāi)損失28 109×104元，年投入產(chǎn)出比為1∶6，統(tǒng)計(jì)顯著性水平達(dá)到0.1。【結(jié)論】阿克蘇地區(qū)人工防雹作業(yè)后，冰雹災(zāi)害損失明顯減小，減災(zāi)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

人工防雹；統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)；效果評(píng)估；阿克蘇

0 引 言

【研究意義】新疆是我國(guó)西北地區(qū)冰雹災(zāi)害多發(fā)地區(qū)之一[1]。阿克蘇地區(qū)地處天山山脈中段南麓、塔里木盆地北緣，氣候暖溫干旱，降雨量少、蒸發(fā)量大、光熱資源豐富。境內(nèi)有山地、平原、沙漠、河流、湖泊等多種地形分布，地貌類型復(fù)雜。主要特點(diǎn)為：北部為山地，南部為沙漠，中間是平原、河流、湖泊等。全地區(qū)地表?xiàng)l件不均，起伏不平，極易形成冰雹天氣。該地區(qū)的渭干河流域和阿克蘇河流域是新疆9個(gè)主要冰雹發(fā)生區(qū)域中的2個(gè)區(qū)域[2]。每年因冰雹、洪水等自然災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬(wàn)元甚至億元之多，對(duì)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。隨著近年全球氣候變暖，阿克蘇地區(qū)的強(qiáng)冰雹天氣呈現(xiàn)增多趨勢(shì)[3]。從1994年開始，利用世界銀行貸款項(xiàng)目，阿克蘇地區(qū)在沙雅縣開始建設(shè)了新疆第一部中頻相參的C波段多普勒天氣雷達(dá)，并于1996年投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。隨后相繼引進(jìn)了新型人工影響天氣作業(yè)火箭發(fā)射系統(tǒng)148套、新一代天氣雷達(dá)1部、X波段雙偏振天氣雷達(dá)1部等裝備，建立了科學(xué)人工防雹作業(yè)體系。【前人研究進(jìn)展】近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)各地冰雹天氣的氣候特征、時(shí)空分布、災(zāi)情分析[4-6]，預(yù)報(bào)預(yù)警方法[7-11]和冰雹形成機(jī)制、防雹催化原理及防雹減災(zāi)效應(yīng)[12-14]等方面開展了許多研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】由于強(qiáng)對(duì)流性天氣系統(tǒng)形成、演變?cè)诳茖W(xué)上的復(fù)雜性，以及對(duì)其開展人工催化作業(yè)在技術(shù)上的復(fù)雜性，尚缺少科學(xué)、實(shí)用的人工防雹效果檢驗(yàn)方法?；诎⒖颂K地區(qū)1996年科學(xué)開展人工防雹作業(yè)前、后各18 a(分別稱為歷史期、作業(yè)期)的雹災(zāi)面積資料，利用非參數(shù)性和參數(shù)性統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法確定年雹災(zāi)面積減少率，進(jìn)一步結(jié)合農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，初步得出人工防雹作業(yè)投入產(chǎn)出比?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為科學(xué)定量評(píng)估人工防雹作業(yè)效果提供一定的技術(shù)方法和科學(xué)依據(jù)，以進(jìn)一步提高促進(jìn)人工防雹科學(xué)作業(yè)水平。

1 材料與方法

1.1 材 料

1978～2013年年雹災(zāi)面積資料由新疆維吾爾自治區(qū)氣象局氣候中心提供，相應(yīng)耕地面積和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)來(lái)源于歷年的《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》。以上數(shù)據(jù)均為阿克蘇地區(qū)八縣一市每年相應(yīng)數(shù)據(jù)的總和，并進(jìn)行嚴(yán)格的審定核實(shí)，其中個(gè)別異常、重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、咨詢、審核后剔除。

面積為耕地面積。未使用播種面積作為基準(zhǔn)的原因是考慮到諸如開春的霜凍、大風(fēng)災(zāi)害等因素，會(huì)使一些已播種的耕地復(fù)播或重播，播種面積因而會(huì)加大。產(chǎn)值采用去除林業(yè)、畜牧業(yè)產(chǎn)值后的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值作為標(biāo)準(zhǔn)，是考慮到冰雹災(zāi)害主要是對(duì)種植業(yè)作物造成損失。

阿克蘇地區(qū)1978～2013年雹災(zāi)面積年際變化為1978～1995年18 a歷史期年均耕地面積約31.5×104hm2，年均雹災(zāi)面積49 397.6 hm2，占每年總耕地面積的15.68%；1996～2013年18 a作業(yè)期，由于人口規(guī)模擴(kuò)張，對(duì)耕地需求不斷增加[15-16]，陸續(xù)開荒增加耕地，地區(qū)年均耕地面積約增加到43.3×104hm2，年均雹災(zāi)面積19 854.3 hm2，占每年總耕地面積的4.59%。科學(xué)開展人工防雹作業(yè)后比之前平均年受災(zāi)率降低了11.09個(gè)百分點(diǎn)。圖1

從經(jīng)濟(jì)損失看，在歷史期18 a年均雹災(zāi)損失4 638.1×104元，而作業(yè)期18 a年均雹災(zāi)損失15 951.9×104元，作業(yè)期比歷史期年均雹災(zāi)損失多11 313.8×104元。其原因是近年來(lái)種植業(yè)作物結(jié)構(gòu)調(diào)整、附加值更高的棉花、瓜果、紅棗等經(jīng)濟(jì)作物種植面積擴(kuò)大，各種農(nóng)資、水電、人力等價(jià)格上漲，投入增加。但是，按照雹災(zāi)損失占年平均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值來(lái)看，歷史期全地區(qū)年平均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值約93 000×104元，年雹災(zāi)損失占4.99%；作業(yè)期年平均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值約808 000×104元，年雹災(zāi)損失占1.97%。相比較，人工防雹作業(yè)后，冰雹災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值造成的損失比例減小了3.02個(gè)百分點(diǎn)。

1.2 方 法

人工防雹作業(yè)效果的檢驗(yàn)主要有統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、物理檢驗(yàn)和數(shù)值模擬檢驗(yàn)三種方法。研究采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其又分為非參數(shù)性檢驗(yàn)和參數(shù)性檢驗(yàn)兩種。非參數(shù)性檢驗(yàn)采用不成對(duì)秩和檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。參數(shù)性檢驗(yàn)根據(jù)檢驗(yàn)條件，采用Welch檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果均為顯著，顯著性水平為0.05以上。在變量分布形式檢驗(yàn)中采用了非參數(shù)檢驗(yàn)法中的柯爾莫哥洛夫配合適度檢驗(yàn)法；對(duì)于作業(yè)期和歷史期兩個(gè)正態(tài)總體的方差相等的檢驗(yàn)，采用參數(shù)性檢驗(yàn)法中的F檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖1 1978～2013年阿克蘇地區(qū)雹災(zāi)面積年際變化
Fig.1 Inter annual of hsil damaged areas during 1978 - 2013 in Akesu

2 結(jié)果與分析

2.1 序列試驗(yàn)法

根據(jù)目標(biāo)區(qū)雹災(zāi)面積的歷史資料，統(tǒng)計(jì)得到該目標(biāo)區(qū)雹災(zāi)面積的歷史平均值作為作業(yè)期自然降雹雹災(zāi)面積的期待值，然后與實(shí)測(cè)值比較，得出人工防雹減災(zāi)面積效果的估計(jì)值[17]。

即防雹作業(yè)期比防雹歷史期平均年減少雹災(zāi)面積29 544 hm2，相對(duì)平均年雹災(zāi)減少率為59.81%。

2.2 非參數(shù)性檢驗(yàn)

不成對(duì)秩和檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)性檢驗(yàn)法。在有些情況下，人工防雹歷史期資料記錄的時(shí)間較短，所選的統(tǒng)計(jì)變量服從何種分布不確定，總體的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差未知，因此采用非參數(shù)檢驗(yàn)，如秩和檢驗(yàn)法等，對(duì)人工防雹歷史期和作業(yè)期統(tǒng)計(jì)指標(biāo)變化的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)[18]。

將阿克蘇地區(qū)人工防雹歷史期18a和作業(yè)期18a的雹災(zāi)面積按從小到大秩序列出。歷史期和作業(yè)期秩和T分別為其相應(yīng)的秩次之和。取T值小的作業(yè)期的秩和T=257。已知人工防雹作業(yè)期和歷史期的樣本容量分別為n1=18，n2=18。表1

表1 阿克蘇地區(qū)以年雹災(zāi)面積為統(tǒng)計(jì)變量的防雹效果秩和檢驗(yàn)
Table 1 The effect of hail suppression by W-M-W test with the annual hail damaged areas as statistical variables in Akesu Prefecture (hm2)

秩次Rank2224567891011121314年份Years19832000200619992007197819962004200320051998197919851997歷史期HistoryPeriod030041297414906作業(yè)期WorkingPeriod0091313363804895210642109501112117976

秩次Rank151617181920212223242526年份Years198120101986198020082011200119821995198920021984歷史期HistoryPeriod19749234452599531622318443838843880作業(yè)期WorkingPeriod2125127541278662830940096

秩次Rank27282930313233343536秩和TSumOfRank年份Years2013201220091992198819941993199119871990歷史期HistoryPeriod57477599176273165069113772127521156862409作業(yè)期WorkingPeriod471164775551750257

當(dāng)n1，n2>10時(shí)，秩和T近似于正態(tài)分布：

對(duì)雙邊檢驗(yàn)，若u值落在(-1.96，+1.96)之內(nèi)，差異不顯著；若u值落在(-1.96，+1.96)之外，差異顯著，顯著性水平為0.05。單邊檢驗(yàn)時(shí)，若u≥1.64(或u≤-1.64)；則差異顯著；否則不顯著，顯著性水平為0.05[8]。

將n1=18，n2=18，秩和T=257代入(1)式計(jì)算得u≈-2.41。因此，對(duì)于單邊檢驗(yàn)u<-1.64，表明阿克蘇地區(qū)人工防雹作業(yè)期，及科學(xué)開展人工防雹作業(yè)后，比歷史期年雹災(zāi)面積明顯減小，說(shuō)明人工防雹作業(yè)取得明顯效果，顯著性水平為0.05[19]。

2.3 參數(shù)性檢驗(yàn)

2.3.1 參數(shù)性檢驗(yàn)條件

在參數(shù)性檢驗(yàn)法中，常用的t-檢驗(yàn)法要求對(duì)于歷史期統(tǒng)計(jì)變量服從正態(tài)分布，并要求作業(yè)期和歷史期兩個(gè)正態(tài)總體的方差相等，以及作業(yè)前后不改變統(tǒng)計(jì)變量的方差。對(duì)于歷史期統(tǒng)計(jì)變量是否服從正態(tài)分布，可用柯爾莫哥洛夫配合適度檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)；對(duì)于作業(yè)期和歷史期兩個(gè)正態(tài)總體的方差相等的檢驗(yàn)用F檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)。

在作業(yè)期和歷史期統(tǒng)計(jì)變量—年雹災(zāi)面積服從正態(tài)分布，但兩個(gè)樣本的方差存在明顯差異的情況下，可以采用Welch檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.3.2 Welch檢驗(yàn)

檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量z值由下式計(jì)算：

(2)

自由度ν′計(jì)算如下：

(3)

由于人工防雹作業(yè)期與歷史期樣本容量相等，方差相差不是很大，因此Welch檢驗(yàn)法與t-檢驗(yàn)法所得結(jié)果基本一致，故可利用下式進(jìn)行區(qū)間估計(jì)[19]：

(4)

根據(jù)阿克蘇地區(qū)作業(yè)期18 a年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和年耕地面積，可估計(jì)產(chǎn)值約為18 661元/hm2。因此，科學(xué)開展人工防雹后，平均年減少雹災(zāi)損失28 109×104元，占年平均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的3.49%。而阿克蘇地區(qū)科學(xué)開展人工防雹后，每年投入人工防雹經(jīng)費(fèi)在4 500×104元左右，因此平均年投入產(chǎn)出比為1∶6。表2

表2 阿克蘇地區(qū)以年雹災(zāi)面積作為統(tǒng)計(jì)變量的樣本差值的顯著性檢驗(yàn)計(jì)算
Table 2 Calculation of the sample difference significance test with the annual hail damaged areas as statistical variables in Akesu Prefecture

年份Yearsx2(hm2)(x2i-x-2)2年份Yearsx1(hm2)(x1i-x-1)2歷史期HistoryPeriod19783004215236199719791297413266753991980259955476796065198119749879036846519823162231597037531983024401184951984438803044341931985149061189667405198623445673535139919871275216103272572198859917110658711419893838812121031351990156862115486068201991113772414406909819925747765277422519936506924559417119946273117778074081995318443081273126n2=18作業(yè)期WorkingPeriod1996380425761320011997179763528136119981112176271111119999133587741084200003941945521200128309714813884200240096409725069420031064284867085420048952118860872120051095079287152120060394194552120071336342928669420082754159084844420095175010173335522010212511950677820112786664186802820124775577844720042013471167431984694n1=18x-2=1n2∑n2j=1x2j=493976s22=1n2-1=∑n2j=1(x2j-x-2)2=1904710932．3x-1=1n1∑n1j=1x2j=19854．3s22=1n2-1=∑n2j=1(x2j-x-2)2=3091722026

3 討 論

由于云、降水自然變差太大，導(dǎo)致降雹時(shí)空分布變化很大，從而使得雹災(zāi)面積變化起伏也很大。人工防雹作業(yè)效果的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)相當(dāng)于從這些高的“噪聲”中提取人工防雹作業(yè)效果的“信號(hào)”，因此，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法的功效往往不高[18，19]。但是，就目前的人工防雹作業(yè)技術(shù)和檢驗(yàn)方法，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法是檢驗(yàn)人工防雹作業(yè)效果的主要方法之一。從統(tǒng)計(jì)學(xué)和人工影響天氣角度考慮，序列試驗(yàn)法方法簡(jiǎn)單，但可信度有限；不成對(duì)秩和檢驗(yàn)法只能對(duì)效果進(jìn)行可信度的定性檢驗(yàn)，無(wú)法進(jìn)行區(qū)間估計(jì)；t-檢驗(yàn)法和Welch檢驗(yàn)法相對(duì)于以上兩種檢驗(yàn)方法對(duì)效果檢驗(yàn)較準(zhǔn)確可信，但對(duì)樣本數(shù)量、質(zhì)量以及計(jì)算過程要求較高。如能找到相應(yīng)的對(duì)比區(qū)，采用區(qū)域回歸試驗(yàn)法，檢驗(yàn)功效、準(zhǔn)確度會(huì)較高[18]。在采用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的同時(shí)，還應(yīng)注重利用天氣雷達(dá)回波變化等信息開展物理檢驗(yàn)，以體現(xiàn)人工防雹作業(yè)效果的物理機(jī)制和效應(yīng)。

4 結(jié) 論

4.1 阿克蘇地區(qū)科學(xué)開展人工防雹作業(yè)后比之前平均年受災(zāi)率降低了11.09個(gè)百分點(diǎn)。年冰雹災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值造成的損失比例減小了3.02個(gè)百分點(diǎn)。

4.2 統(tǒng)計(jì)評(píng)估檢驗(yàn)表明，阿克蘇地區(qū)科學(xué)開展人工防雹作業(yè)減災(zāi)效果顯著，顯著性水平在0.05以上。其中Welch檢驗(yàn)法檢驗(yàn)得到的顯著性水平高達(dá)0.01。

4.3 進(jìn)行區(qū)間估計(jì)的科學(xué)開展人工防雹作業(yè)后的效果為：平均年雹災(zāi)面積減少15 062.9 hm2，相對(duì)減少率為43.14%，平均年減少雹災(zāi)損失28 109×104元，占年平均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的3.49%，平均年投入產(chǎn)出比為1∶6。統(tǒng)計(jì)顯著性水平為α=0.1。

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Fund project:Supported by special fund for science and technology research program in public welfare sector (GYHY201306047) and science and technology support program (TUHA201525)

Statistical Evaluation of Hail Suppression Effect in Akesu, Xinjiang

LI Bin，ZHENG Bo-hua，SHI Lian-mei，ZHU Si-hua

(Weather Modification Office of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830002, China)

【Objective】 To objectively evaluate the systematic differences of annual hailstorm areas before and after the scientifically carrying out artificial hail suppression period in Akesu in the hope of analyzing the effect.【Method】In this project, the sequence test, unpaired rank sum test and Welch test and other statistical methods were applied, the systematic differences of annual hailstorm areas before and after 18 a of the scientifically carrying out artificial hail suppression period in Akesu were analyzed with annual hailstorm areas data from 1978 - 2013 in Akesu with 1996 as the year of artificial hail suppression.【Result】The results showed that it is obvious that the hail disasters decreased after the operation of scientifically artificial hail suppression in Akesu. The non-parameter unpaired rank and inspection significance level was 0.05, and parametric Welch inspection significance level was as high as 0.01. The average annual hail area was reduced 15，063 hm2, and the relative loss rate was 43.14%. Combined with the agricultural economic data, the average annual reduction of hail disaster loss was 281,090,000 RMB, annual input and output ratio was 1∶6. The statistical significant level reachedα=0.1.【Conclusion】Therefore, after scientifically carrying out artificial hail suppression operations, it is obvious that hail disaster losses reduced and the social and economic benefits are great.

artificial hail suppression; statistical test; performance and effect evaluation; Akesu

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.05.021

2015-12-25

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(GYHY201306047)；科技支撐項(xiàng)目(TUHA201525)

李斌(1968-)，男，廣東潮州人，推廣研究員，研究方向?yàn)闅庀髮W(xué)，(E-mail)btlibin@126.com

S16

A

1001-4330(2016)05-0942-07