周口市人工增雨作業效果評估方法

孔慶偉++申曉晴

摘要 周口市作為河南省產糧大市，近年來干旱頻發，因此以抗旱為目的的人工增雨作業量不斷加大。為更好地對增雨效果進行評估，對比分析物理檢驗、數值模擬檢驗和統計檢驗3種人工增雨作業效果評估基本方法，綜合分析3種方法利弊。結果表明，周口市目前采用的效果評估方法是第3種，即統計檢驗，具體檢驗評估方法是隨機化過程中的區域隨機交叉對比試驗方法。詳細闡述了該方法的具體實施及計算，并對周口市2016年4月5日一次作業過程進行了科學評估，計算結果表明，此次作業共為周口市增加雨量701萬t，增雨效果較為顯著。

關鍵詞 人工增雨；效果評估；隨機化；非隨機化；區域對比；河南周口

中圖分類號 P481 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）24-0195-03

Evaluation Method of Artificial Precipitation Operation Effect in Zhoukou City

KONG Qing-wei SHEN Xiao-qing

（Zhoukou Meteorological Bureau in Henan Province，Zhoukou Henan 466000）

Abstract Zhoukou City is the a big grain-producing city in Henan Province，and drought occurred frequently in recent years，so the amount of artificial rainfall for the purpose of drought resistance has been increasing. In order to evaluate the effect of rainfall enhancement，this paper compared the three basic methods of physical assessment，numerical simulation test and statistical test，and analyzed the advantages and disadvantages of the three methods.Results showed that the effect evaluation method adopted at present was statistical test，which was a regional random cross-comparison experimental method in randomized process. In this paper，the concrete implementation and calculation of this method were described in detail. With this method，the operation process of Zhoukou City on April 5th，2016 was evaluated scientifically. The results showed that this operation increased the rainfall by 7.01 million tons，the rainfall effect was significant.

Key words artificial precipitation；effect evaluation；randomization；non-randomized；regional comparison；Zhoukou Henan

周口市位于河南省東南部，屬黃淮平原，海拔高度為35.5～64.3 m，總面積1.07萬km2（以下均不含省管縣鹿邑），人口逾1 100萬人，耕地面積100萬hm2左右，是河南省第一產糧大市、全國糧食生產先進市、國家重要的商品糧生產基地。但由于周口市地處南北氣候過渡帶，氣象條件復雜多變，旱、澇、風、雹、霜凍等自然災害頻繁，尤以干旱為重，對農業生產造成了非常不利的影響。特別是在全球變暖的背景下，旱澇災害往往是交替出現，防汛抗旱、防災減災形勢異常嚴峻，已成為制約周口市農業生產、經濟發展和社會安定的重要因素之一。

人工影響天氣地面作業以增雨、增雪為主，作業器具主要采用高炮和火箭。隨著近年來作業量不斷加大，人工增雨作業效果的科學評估日漸成為一個重要研究課題。

1 人工增雨作業效果檢驗與評估方法

人工影響天氣作業效果檢驗與評估是云和降水科學研究的重要組成部分，也是本學科領域一項亟待解決的研究性和業務性難題。目前，國內外主要采用物理檢驗、數值模擬檢驗和統計檢驗3種基本方法，并且科學的效果檢驗也已從以往單純的一種檢驗方法向物理檢驗、數值模擬檢驗和統計檢驗相結合的綜合性檢驗方法發展[1]。

1.1 物理檢驗與評估

物理檢驗可以提供驗證人工影響天氣科學概念和作業技術方法的直觀信息，為評估人工影響天氣的作業效果提供物理學證據。物理檢驗的作用主要包括2個方面：一方面是借助觀測手段驗證對云施加影響后所期望發生的一系列物理過程是否發生；另一方面是為統計檢驗提供物理學證據。只有通過周密的設計和全方位的監測才能使物理檢驗所提供的信息具有更高的價值。為此，在進行物理檢驗時，需對自然云物理本地特征及自然變率加強監測和研究。

物理檢驗具體檢驗內容主要包括云的宏觀特征變化、云微物理參數變化、示蹤物與降水化學響應等，主要借助氣象衛星、氣象雷達、飛機、探空氣球以及照相或錄像等技術手段，觀測采集資料進行分析對比。該方法可以為人工增雨作業效果定性分析提供物理證據，但無法給出定量的結果，加之目前各種觀測指標容易受到多種因素制約，精準度存在較大自然變差，所以周口市目前沒有采用該檢驗方法。

1.2 數值模擬方法與評估

數值模擬方法評估人工增雨作業的效果，首先是根據云和降水的宏觀動力學和微物理學過程，建立一套能夠較真實地模擬自然云和降水在各種條件下發展過程的數值模式，然后根據人工影響天氣播云理論與假說在模式中合理地描述人工催化的作用[2]。

數值模擬在人工增雨作業效果評估中主要起2個作用：一是優化試驗方案設計，預測目標云的可播性，選擇合適的作業器具及技術方法，提高播云催化試驗的預見性、科學性，從而避免盲目性；二是定量預測催化與不催化情況下云和降水的發展與演變，并與實際觀測結果對比，從而判斷出人工影響天氣作業的效果。

現階段，由于對云和降水自然規律以及人工催化影響機制了解的還不夠深入，當下的數值模式產品對實際云和降水過程做了相當大的簡化，還不夠完善，用于直接定量地預報云和降水結構、發展與演變過程仍然較為困難，所以數值模式目前還不能作為一種十分可靠的效果檢驗手段來應用。

1.3 統計檢驗與評估

增雨效果的統計檢驗以地面降水量為統計變量，由于降水量在時空分布上存在巨大差異，使得運用統計方法時試圖在降水自然起伏背景上對影響區或作業云的自然降水量作出客觀和定量的估計[3]。

對于統計檢驗，目前國際科學界普遍接受的是隨機化對比試驗，這種方案是經過嚴格科學設計來實施的效果檢驗，原則上可以做到符合隨機抽樣規則，定量地檢驗出效果并指明其可靠程度。但由于這類試驗需要放棄1/2左右的作業機會，人們在抗旱增雨的業務實踐中難以接受，因此國內人工增雨作業大多為非隨機化試驗[4]。現有的非隨機化試驗方案有序列試驗、區域對比試驗、區域歷史回歸試驗、區域控制模擬試驗、基于聚類的浮動對比區回歸統計檢驗方案、復隨機化試驗、區域趨勢雙比分析方案等，但上述幾種非隨機化試驗進行效果檢驗也面臨著若干問題：一是自然降水預報的精度不能滿足效果檢驗的要求。人工增雨催化效果△R=R催-R自，其中R催為催化后催化云或影響區實測降雨量，它包括人工影響的效果和自然降水R自的部分，可以通過地面雨量站實測得到，但R自無法通過實測獲得。由于目前還無法對自然降水做出準確的定量預報，因此該方法開展實施仍較困難。二是非隨機化試驗的功效、準確度、靈敏度低，影響效果統計檢驗的客觀性和科學性。

2 周口市常用的人工增雨效果評估方法

2.1 人工增雨效果評估方法的選取

周口上空處于雙十字線航道交叉口，據不完全統計，每天經過周口上空的飛機約1 200架次，并且距離新鄭機場較近，飛機飛行高度相對較低。這些不利因素很大程度上限制了周口市人工增雨作業空域申請及批復，同時由于所轄縣（市）較多，很多時候周口市人工增雨作業采用分批次、多時段模式進行。由于所轄縣（市）作業區域存在時間差，目標區域選取在一定程度上比較接近隨機過程。結合近年來實際作業情況，對比分析3種不同的效果評估方法的利弊，周口市目前常用的仍是隨機化過程中的區域隨機交叉對比試驗方法。

區域隨機交叉對比試驗方法[5]要求不考慮地形的影響，雨量分布均勻且雨強小、云內上升氣流小、云層較為穩定。由于周口地處平原地帶，地形起伏較小，基本可以忽略地形對降水的影響。同時，考慮到作業時的天氣過程大多為相對穩定的層狀云降水，因此在對比區域的選取上周口相對較為自由靈活。除了人工催化這一因素外，其他因子對降水貢獻沒有系統性的誤差。通過催化區域和未催化區域比較，如果這2組區域觀測到雨量有明顯的差異，就可以歸因于人工增雨作業帶來的效果。

2.2 區域隨機交叉對比試驗計算方法

2.2.1 對比區和影響區的選取。影響區是指受到人工催化作業影響的地區，一般位于人工催化作業的作業點下風方向。影響區的大小取決于很多因素，如火箭發射的仰角與方位角、高空引導風的風向與風速、催化劑的影響時間等[6]。

對比區是指不受人工催化作業影響的地區，通常對比區的選擇要滿足以下要求：不受人工催化作業影響，與影響區地形相似，作業期2個區所受影響的天氣系統以及降水類型相似，兩區均應有較稠密的自動雨量站。

2.2.2 對比區和影響區平均雨量R對和R影。目前，周口市自動雨量站分布較廣，采用區域內雨量站雨量算數平均更具有說服力，具體計算公式如下：

R對=■■ri

R影=■■ri

一般催化劑有效作用時間定為3 h，因此ri為作業3 h后所選區域內各雨量站點雨量值。

2.2.3 計算增雨量。計算出對比區和影響區平均雨量R對和R影，令影響區面積為S，W為影響區增加的雨水量，那么W計算公式如下：

W=（R影-R對）×S

2.3 周口市人工增雨作業效果評估實例分析

2016年4月5日8：00起周口市有冷鋒云系自西南向東南移動，移速約為30 km/h，逐步開始影響周口市。15：00，云中局部具有豐富的液水含量，光學厚度最大可達40，云頂溫度局部最低約為-40 ℃。根據以上分析預測5日18：00至6日8：00，云系將主要影響周口市南部、西南部地區，并逐漸向東南方向移動。云頂溫度較低，云光學厚度較大，云垂直發展密實，云中可能有過冷水，都有一定的地面增雨條件。4月5日，周口市人影辦組織全市積極做好人工增雨作業準備，預設作業點地理分布見圖1。

結合有利天氣形勢及空域批復情況，周口市項城、淮陽、西華、沈丘4個縣（市）成功開展了人工增雨作業，對比天氣發展過程，取上游商水和鄲城分別為對比區，項城和沈丘為有效影響區，具體見圖2。

按照上述計算方法，在A區域和B區域內分別取6個自動站雨量值算術平均得平均雨量R對A和R影A，R對B和R影B，計算結果見表1。

對比分析可知，4月5日夜間周口市人工增雨作業2個區域共增加雨量701萬t，增雨效果較為顯著。

3 結語

本文采取的區域隨機交叉對比試驗計算方法的前提是假定作業期間自然雨量的空間分布統計上是均勻的，這與實際發生的自然降雨有區別，存在一定的局限性[7]，但計算結果在很大程度上能反映高炮、火箭作業效果，仍不失為目前評估人工增雨作業效果的一種簡單可行的方法。

4 參考文獻

[1] 鄧北勝.人工影響天氣技術與管理[M].北京：氣象出版社，2011：138-152.

[2] 張薔，郭恩銘.人工影響天氣實驗研究和應用[M].北京：氣象出版社，2011：78-82.

[3] 于麗娟.人工增雨效果物理檢驗適用方法研究和個例分析[D].北京：中國氣象科學研究院，2009：32-35.

[4] 王婉，姚展予.2006年北京市人工增雨作業效果統計分析[J].高原氣象，2009，28（1）：101-105.

[5] 柳岳清，周國華，鄧霞君，等.單次火箭人工增雨作業效果評估方法探析[J].北京：中國學術期刊電子出版社，2010：29-33.

[6] 馮正勇，安慧文.寶坻區人工增雨作業效果評估方法[J].農業與技術，2012，32（6）：41-45.

[7] 江帆，肖秀珠，張薇，等.2014年棉花灘水庫流域人工增雨作業效果評估[J].水利科技，2015（1）：36-39.