利用統(tǒng)計檢驗對比法對克拉瑪依市冬季飛機人工增水作業(yè)效果再分析

鄭博華，李圓圓，趙克明，蘭文杰

（1.新疆人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002；3.克拉瑪依市氣象局，新疆 克拉瑪依834000）

人工增雨，是指根據(jù)自然界降水形成的原理，人們?yōu)榱搜a充某些形成降水的必要條件， 促進云滴迅速凝結或碰并增大成雨滴， 降落到地面的過程。 自20 世紀50 年代起美國就著手開展大規(guī)模人工增雨試驗，時至今日仍保持年平均40 多架次飛機人工作業(yè)增雨實施方案， 同時期澳大利亞也相繼開展飛機人工播撒干冰對層積云作業(yè)試驗。目前，世界上已有超過90 個國家和地區(qū)先后加入了人工增雨的科技作業(yè)試驗實施行列中， 隨著高性能飛機的投入使用和播撒技術、裝備不斷升級改造，人工影響天氣作業(yè)裝備水平呈顯著提高趨勢[1-4]。 我國人工增水事業(yè)緊跟世界腳步，近年來，不斷有成熟的現(xiàn)代化科技手段運用于人工增水作業(yè)業(yè)務工作中。孫銳等[5]結合我國人工影響天氣地面作業(yè)空域申報系統(tǒng)， 實現(xiàn)地面作業(yè)空域直達申報，明顯提升空域資源使用率；丁曉東等[6]利用2 a CLOUDSAT 和CALIPSO 衛(wèi)星主動遙感資料分析我國西北3 個典型區(qū)域不同云類型的宏觀及微觀的垂直結構特征， 得到降水云的有效粒子半徑隨高度上升具有明顯的遞減趨勢；王以琳等[7]選取2016 年6 月23 日人工增雨作業(yè)個例， 得出作業(yè)后作業(yè)云的基本反射率觀測像元總數(shù)逐漸增加，催化對強度較小的雷達回波先起作用， 對作業(yè)層內垂直液態(tài)水含量的影響隨高度增加而減小；王勁松等[8]利用1991—2002 年飛機人工增雨作業(yè)資料，得出3種甘肅降水的高空環(huán)流類型，即平直多波動型、西南氣流型和西北氣流型；李宗義等[9]選用甘肅省飛機人工增雨共計116 架次飛機資料樣本， 對有利飛機人工增雨的天氣系統(tǒng)進行了分類；曹玲等[10]利用多普勒雷達資料，分析了2005 年一次人工增雨降水過程的雷達回波特征， 認為在人工增雨作業(yè)共同影響下強度場、速度場具有混合性降水回波特征，并且在增雨催化階段表現(xiàn)顯著。

新疆作為21 世紀戰(zhàn)略資源樞紐和歐亞大陸通道，國家在推進“一帶一路”建設中，將新疆定位為“絲綢之路經(jīng)濟帶上重要的交通樞紐、商貿(mào)物流和文化科教中心，打造絲綢之路經(jīng)濟帶核心區(qū)”。 然而新疆的水資源短缺問題多年來一直受到各級政府的高度關注， 不少學者專家也致力于如何開發(fā)利用新疆空中云水資源，陳春艷等[12]從全疆逐時降水角度對云降水資源特征進行了研究分析， 進而在人工開發(fā)空中云水資源的問題上奠定了基礎；高子毅等[11]得出了白楊河地形云降水效率較低，但最具增水潛力。

李斌等[26]已利用統(tǒng)計學方法對克拉瑪依單站冬季飛機人工增水歷史期31 a 和作業(yè)期29 a 開展了作業(yè)效果評估，得到自開展飛機人工增水作業(yè)以來，克拉瑪依市冬季降水量有了明顯增加， 相對增加率為24.5%。但1961—2010 年新疆面雨量線性趨勢變化率[27]為172.9×108m3/10 a，其中北疆線性趨勢變化率為49.4×108m3/10 a， 總體上北疆地區(qū)降水年際變化呈穩(wěn)定增長趨勢。 因此開展單站作業(yè)效果評估存在未考慮氣候背景變化的因素， 為了去除這一自然變化增長影響， 更加科學準確地開展人工影響作業(yè)效果評估， 本文找到合理的對比區(qū)并進行對比分析與評估，使得檢驗準確度、可信度大幅提升。

1 研究區(qū)概況

克拉瑪依市地處準噶爾盆地西部， 歐亞大陸的中心區(qū)域地貌大部分為戈壁灘，地形呈斜條狀，南北長，東西窄。 克拉瑪依市位于中緯度內陸地區(qū)，四季中，冬夏兩季漫長，且溫差大，春秋兩季為過渡期，換季不明顯，屬典型的溫帶大陸性氣候。 大風、冰雹等災害天氣頻發(fā)。由于水資源對國民經(jīng)濟的重要性，自1988 年至今，每年冬季（11 月中旬至次年1 月中旬）租用一架飛機在北疆地區(qū)指定的作業(yè)區(qū)域進行飛機播撒液氮、干冰、碘化銀等催化劑，以緩解日益加劇的水資源短缺問題。

2 資料與研究方法

2.1 資料

圖1 對比區(qū)與目標區(qū)選擇示意圖

圖1 是對比區(qū)與目標區(qū)選擇示意圖。 采用的區(qū)域回歸分析方法中， 目標區(qū)和對比區(qū)的選定要求有3 點：（1）受人工催化影響的目標區(qū)應位于作業(yè)點的下風方向； 對比區(qū)位于目標區(qū)的上風方向或垂直于風向的側面， 且不受催化影響；（2） 目標區(qū)地形、地貌、面積應與對比區(qū)大體相當；（3）二區(qū)樣本的相關系數(shù)顯著性應達到0.05 以上。通過計算，從對比區(qū)、目標區(qū)歷史期12 月的降水量來看，歷史相關系數(shù)為0.19，其擬合度值不高，因此本文并未采用區(qū)域回歸分析方法。經(jīng)分析，相關系數(shù)低的原因為塔城地區(qū)與克拉瑪依地區(qū)所處的地理環(huán)境存在一定差異， 所以兩地本身氣候是有差異性的， 塔城地區(qū)位于山區(qū)西部的迎風坡，而克拉瑪依屬于山區(qū)東部的背風坡、準格爾盆地邊緣， 迎風坡與背風坡的不同造成了降水量的差異。但是，本文之所以選取塔城作為對比區(qū)站點，一是因為塔城地區(qū)西部與哈薩克斯坦接壤，緊挨邊境線，飛行作業(yè)區(qū)域無法覆蓋，故塔城站未受到人工影響作業(yè)的“污染”，其二是兩地屬于同一天氣系統(tǒng)， 由哈薩克斯坦東移的天氣系統(tǒng)進入我國塔城地區(qū)，進一步東移過程中影響克拉瑪依，塔城站可以作為這一區(qū)域氣候背景變化的指標站。

克拉瑪依區(qū)氣象站（海拔高度456.6 m）和塔城氣象站（海拔高度536.1 m） 分別建于1957 年和1953年，均屬于國家基本站。 克拉瑪依冬季飛機人工增水時段為每年11 月中旬至次年1 月中旬， 故選用經(jīng)過新疆氣象局信息中心校驗后的塔城市、 克拉瑪依市1961—2017 年12 月份降水量資料作統(tǒng)計。之所以沒有選取11 月或1 月降水量資料， 是因為克拉瑪依冬季實施飛機增水作業(yè)時間是每年的11 月中下旬左右至來年1 月中下旬左右，而這2 個月的飛機到達開始工作時間和飛機離開結束工作時間具有不確定性，只有每年12 月份在實施飛機人工增水作業(yè)。因此，本文只選取12 月份的降水量數(shù)據(jù)來做分析對比。

2.2 方法

統(tǒng)計檢驗、物理檢驗和數(shù)值模擬檢驗[28]為目前為止普遍使用的人工影響天氣作業(yè)效果檢驗方法。本文采用的檢驗方法為對比統(tǒng)計檢驗。 利用非參數(shù)性不成對秩和檢驗法、序列試驗法和t 檢驗法，以數(shù)理統(tǒng)計為基礎進行顯著性檢驗， 引入對比區(qū)分別對不同區(qū)域不同時期的平均降水量差值進行顯著性對比檢驗。

利用1961—2017 年新疆塔城地區(qū)塔城站（對比區(qū)）、 克拉瑪依市克拉瑪依區(qū)氣象站（目標區(qū)）57 a 12 月降水量資料，利用統(tǒng)計檢驗對比法，試圖找尋作業(yè)前歷史期27 a 和作業(yè)期30 a 的12 月降水量變化率的差異， 得出可能的自然天氣過程增水量以及人工影響天氣增水量。

農(nóng)村基層動物防疫工作無論是疫苗、防疫設備、工作人員的培養(yǎng)、防疫技術的研發(fā)都需要大量的經(jīng)費支持，若經(jīng)費不足，則農(nóng)村基層動物防疫工作效率和效果無法得到有效提升，因此基層動物防疫部門必須做好經(jīng)費投入的準備，加強防疫部門的建設，從技術研發(fā)、技術引入、人員培養(yǎng)、疫苗運儲等多個方面全面提高農(nóng)村基層防疫工作效率和效果。

3 結果及分析

3.1 不成對秩和檢驗法

秩和檢驗在文獻上又稱為W-M-W 檢驗法，由Wilcoxon 于1945 年提出，秩和檢驗法屬于非參數(shù)性檢驗法并在人工影響天氣試驗的效果檢驗中廣為應用[29]。 不成對秩和檢驗即比較2 個總體A（x）和B（x）， 分別從中獨立選取2 個容量為n1和n2的隨機樣本（n1≠n2）：a1，a2，…an1；b1，b2，…bn2。 即原假設H0：兩個總體相等，則A（x）=B（x）；否則接受假設H1，即人工降水有顯著效果。

本文分別對對比區(qū)和目標區(qū)的歷史期27 a 與作業(yè)期30 a 的12 月降水量按從小到大順序進行排列計算。 采取歷史期27 a（容量小于作業(yè)期30 a）的秩和進行比較[29]。由此得到自1988 年起開展飛機人工增水作業(yè)后樣本容量為n2=30，n1=27。

當n1>10，n2>10 時，利用正態(tài)分布檢驗計算數(shù)值u：

若采用雙邊檢驗，u ∈（-1.96，+1.96），差異性不顯著； 反之， 差異性顯著，α=0.05。 單邊檢驗時，若u∈[1.64， +∞）∪（-∞，-1.64]；差異性顯著，α=0.05；反之則不顯著[19]。

在飛機人工作業(yè)增水中， 無論是人工增量還是自然增量，只考慮降水的增加與否，而不考慮減少的情況，因此使用單邊檢驗即可；且若樣本B 比樣本A顯著地增加，則u 為負值區(qū)間。通過計算得T對=694，T目=657，一并將n1=27，n2=30 代入上式，得出：u對≈-1.422，u目≈-2.014。 不難看出u對>-1.64，而u目<-1.64，即開展人工增水作業(yè)后，目標區(qū)降水增量明顯，顯著性高于0.05。 通過查表得，α目≈0.025。

3.2 序列試驗法

該方法主要依托對比區(qū)、 目標區(qū)降水量歷史資料，分別統(tǒng)計不同時期的逐月降水量，計算對比區(qū)、目標區(qū)的歷史期與作業(yè)期平均降水量差異。 然后根據(jù)對比區(qū)和目標區(qū)降水量變化情況， 得出不同區(qū)域增水量的效果評估值。

塔城站（對比區(qū)）12 月份降水量有27 a 的歷史期資料， 即對比區(qū)歷史期12 月平均降水量為=21.64 mm； 作業(yè)期（30 a）12 月平均降水量為=29.01 mm。 即可認為自然降水的絕對增加值為：； 相對增加率為100%≈34.06%。

克拉瑪依站（目標區(qū)）12 月份降水量有27 a 的歷史期資料，即目標區(qū)歷史期12 月平均降水量為=4.58 mm；作業(yè)期（30 a）12 月平均降水量為=6.67 mm。 則開展飛機人工增水作業(yè)后的絕對增加值為：相對增加率為100%≈45.63%。

雖然在絕對增加值上目標區(qū)遠不及對比區(qū)，但從相對增加率可以明顯看出， 開展人工增水作業(yè)后目標區(qū)大于對比區(qū)，增水率高出11.57%。

3.3 t 檢驗法

t 檢驗法是一種參數(shù)性檢驗法。 在總體是正態(tài)分布的前提下，小樣本（n 不超過30）的檢驗可用t檢驗法，并要求作業(yè)前后不改變統(tǒng)計變量的方差[29]。在目標區(qū)開展飛機增水作業(yè)以來， t 檢驗法即采用歷史期樣本和作業(yè)期樣本兩者平均數(shù)的變化值作為條件來判定差值相關顯著性。 由于在人工作業(yè)增水中只關注降水量的增加與否（不考慮減少），因此一般選擇單邊t 檢驗。

3.3.1 統(tǒng)計變量與Jarque-Bera 方法

分別選取1961—2017 年塔城站、 克拉瑪依站12 月降水量分別作為統(tǒng)計變量。在進行參數(shù)估計和假設檢驗時，通?？偸羌俣傮w服從正態(tài)分布，在大多數(shù)情況下這個假定是合理的， 但確有必要對這個假設進行檢驗，Jarque-Bera 方法利用正態(tài)分布構造一個包含g1，g2的分布統(tǒng)計量（自由度n=2），對于顯著性水平，當分布統(tǒng)計量小于分布的分位數(shù)時，接受H0：總體服從正態(tài)分布；否則拒絕H0，即總體不服從正態(tài)分布。 經(jīng)過計算檢驗4 組數(shù)據(jù)源服從正態(tài)分布（圖2）。

3.3.2 方差檢驗

圖2 目標區(qū)（a、b）、對比區(qū)（c、d）歷史期與作業(yè)期正態(tài)分布

利用F檢驗法，分別對不同區(qū)域（對比區(qū)、目標區(qū)）的不同時期（1961—1987、1988—2017）逐年12月降水量數(shù)值的方差變化進行顯著性檢驗。 通過計算得出對比區(qū)歷史期方差自由度為v1=27-1=26；對比區(qū)作業(yè)期方差自由度為v2=30-1=29；目標區(qū)歷史期方差自由度為v1=27-1=26；目標區(qū)作業(yè)期方差自由度為v2=30-1=29。 具有參數(shù)v1、v2的F-變量滿足通過計算得F對≈1.814 5，F(xiàn)目≈1.097 9， 均小于給定值F0.01=1.87（α=0.01），F(xiàn)對、F目表明無論是對比區(qū)還是目標區(qū)均未改變總體方差。

3.3.3 t 檢驗法

在通過Jarque-Bera 正態(tài)分布檢驗和F 方差檢驗之后， 可使用t檢驗法對二者不同區(qū)域進行人工作業(yè)增水量進行檢驗。分別使用對比區(qū)、目標區(qū)歷史期12 月降水量的平均值作為作業(yè)期12 月降水量平均值的期待值，計算結果見表1。

通過計算得出：t對=1.646 8，t目=1.968 6， 單邊檢驗，t對顯著性小于t0.05=1.672 5， 顯著性＜0.05， 接近0.055，可認為符合自然氣候降水增長變化；而t目顯著性遠大于t0.05=1.672 5，顯著性＞0.05，故開展人工作業(yè)增水量效果顯著，顯著性水平接近0.025。

取置信水平α=90%，利用如下公式可推算出區(qū)間：

表1 對比區(qū)、目標區(qū)年12 月降水量作為統(tǒng)計變量的樣本差值的顯著性檢驗結果

4 討論與結論

在全球氣候變暖等復雜氣候背景因素影響下，導致自然降水變化差異， 引起時空分布變化缺少規(guī)律性，從而加強了人工催化效果的虛假“信號”，就目前來說， 對統(tǒng)一區(qū)域較長時序的增水量增量進行效果評估時， 統(tǒng)計檢驗方法依然是效果檢驗中最為可行的方法。 本文以塔城站（對比區(qū)）、克拉瑪依站（目標區(qū)）歷年12 月降水量為統(tǒng)計變量，對開展冬季飛機人工增水30 a 來增水效果進行了對比分析與評估，結論如下：

（1）運用非參數(shù)性不成對秩和檢驗方法，在開展冬季飛機人工增水后，對比區(qū)顯著性水平低于0.05，而目標區(qū)顯著性水平卻接近0.025； 使用序列試驗法， 分別計算出對比區(qū)絕對增加量與相對增加率為7.37 mm 和34.06%， 目標區(qū)為2.09 mm 和45.63%。雖然在絕對增加值上目標區(qū)遠不及對比區(qū)， 但從相對增加率可以明顯看出， 開展飛機人工增水后目標區(qū)降水量增加率大于對比區(qū)，相差11.57%。 由于對比站點塔城站未受催化作業(yè)影響， 它的變化可暫認為是由于氣候變化所引起的。因此，可得目標區(qū)增水作業(yè)效果為11.57%。

（2）使用t 檢驗法，計算對比區(qū)t 顯著性＜0.05，而目標區(qū)t 顯著性遠＞0.05， 接近0.025。可認為克拉瑪依市降水量增量效果顯著。設定統(tǒng)計α=90%的置信區(qū)間，在開展冬季飛機增水后，對比區(qū)平均年12月降水量絕對增加值為3.57 mm， 相對增加率為16.5%，反觀目標區(qū)絕對增加值為1.19 mm，而相對增加率為26.0%，高出對比區(qū)9.5%。

（3）本文使用3 種統(tǒng)計分析方法（非參數(shù)性不成對秩和檢驗方法、序列試驗法、t 檢驗法），通過找到合理的對比區(qū)， 對克拉瑪依冬季開展飛機人工增水作業(yè)效果進行了一定程度上科學分析和客觀定量地評估， 為一些開展增水工作的地區(qū)效果評估工作提供了一些技術方案借鑒。

（4）人工影響天氣作業(yè)效果檢驗是世界性難題，關鍵在于沒有一種方法能給出完全確定的效果。 但作業(yè)效果檢驗又是人工影響天氣工作中必不可少的、難以回避的、最終的重要環(huán)節(jié)。 本文利用近60 a的降水資料綜合多種統(tǒng)計方法分析了克拉瑪依人工影響天氣作業(yè)30 a 的增雨效果，并與塔城站進行對比分析和差異評估。 結果發(fā)現(xiàn)克拉瑪依人工增雨作業(yè)取得可信的正效果， 結果對人工影響天氣作業(yè)的開展具有支持作用， 但氣候變化背景下不同區(qū)域降水量的變化規(guī)律存在差異是客觀存在的事實， 這種差異是否為開展人影作業(yè)， 人影作業(yè)多大程度上產(chǎn)生增水效果，是需要進一步研究的問題。未來還應結合衛(wèi)星云圖、云雷達、多普勒雷達以及雙偏振雷達等相關參數(shù)信息開展物理參數(shù)檢驗方法， 進一步論證統(tǒng)計分析方法在人工增水作業(yè)中效果的評估， 進一步科學定量識別人影作業(yè)效果。