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(tái)，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(bǔ)充某些形成降水的必要條件， 促進(jìn)云滴迅速凝結(jié)或碰并增大成雨滴， 降落到地面的過程。 自20 世紀(jì)50 年代起美國就著手開展大規(guī)模人工增雨試驗(yàn)，時(shí)至今日仍保持年平均40 多架次飛機(jī)人工作業(yè)增雨實(shí)施方案， 同時(shí)期澳大利亞也相繼開展飛機(jī)人工播撒干冰對(duì)層積云作業(yè)試驗(yàn)。目前，世界上已有超過90 個(gè)國家和地區(qū)先后加入了人工增雨的科技作業(yè)試驗(yàn)實(shí)施行列中， 隨著高性能飛機(jī)的投入使用和播撒技術(shù)、裝備不斷升級(jí)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(yùn)用于人工增水作業(yè)業(yè)務(wù)工作中。孫銳等[5]結(jié)合我國人工影響天氣地面作業(yè)空域申報(bào)系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)地面作業(yè)空域直達(dá)申報(bào)，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(dòng)遙感資料分析我國西北3 個(gè)典型區(qū)域不同云類型的宏觀及微觀的垂直結(jié)構(gòu)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(gè)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(duì)強(qiáng)度較小的雷達(dá)回波先起作用， 對(duì)作業(yè)層內(nèi)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(jī)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(dòng)型、西南氣流型和西北氣流型；李宗義等[9]選用甘肅省飛機(jī)人工增雨共計(jì)116 架次飛機(jī)資料樣本， 對(duì)有利飛機(jī)人工增雨的天氣系統(tǒng)進(jìn)行了分類；曹玲等[10]利用多普勒雷達(dá)資料，分析了2005 年一次人工增雨降水過程的雷達(dá)回波特征， 認(rèn)為在人工增雨作業(yè)共同影響下強(qiáng)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(jì)戰(zhàn)略資源樞紐和歐亞大陸通道，國家在推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)中，將新疆定位為“絲綢之路經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jí)政府的高度關(guān)注， 不少學(xué)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(shí)降水角度對(duì)云降水資源特征進(jìn)行了研究分析， 進(jìn)而在人工開發(fā)空中云水資源的問題上奠定了基礎(chǔ)；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(jì)學(xué)方法對(duì)克拉瑪依單站冬季飛機(jī)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(píng)估，得到自開展飛機(jī)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(duì)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(píng)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(xué)準(zhǔn)確地開展人工影響作業(yè)效果評(píng)估， 本文找到合理的對(duì)比區(qū)并進(jìn)行對(duì)比分析與評(píng)估，使得檢驗(yàn)準(zhǔn)確度、可信度大幅提升。

1 研究區(qū)概況

克拉瑪依市地處準(zhǔn)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(nèi)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(fēng)、冰雹等災(zāi)害天氣頻發(fā)。由于水資源對(duì)國民經(jīng)濟(jì)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(jī)在北疆地區(qū)指定的作業(yè)區(qū)域進(jìn)行飛機(jī)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(duì)比區(qū)與目標(biāo)區(qū)選擇示意圖

圖1 是對(duì)比區(qū)與目標(biāo)區(qū)選擇示意圖。 采用的區(qū)域回歸分析方法中， 目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)的選定要求有3 點(diǎn)：（1）受人工催化影響的目標(biāo)區(qū)應(yīng)位于作業(yè)點(diǎn)的下風(fēng)方向； 對(duì)比區(qū)位于目標(biāo)區(qū)的上風(fēng)方向或垂直于風(fēng)向的側(cè)面， 且不受催化影響；（2） 目標(biāo)區(qū)地形、地貌、面積應(yīng)與對(duì)比區(qū)大體相當(dāng)；（3）二區(qū)樣本的相關(guān)系數(shù)顯著性應(yīng)達(dá)到0.05 以上。通過計(jì)算，從對(duì)比區(qū)、目標(biāo)區(qū)歷史期12 月的降水量來看，歷史相關(guān)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(guān)系數(shù)低的原因?yàn)樗堑貐^(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(fēng)坡，而克拉瑪依屬于山區(qū)東部的背風(fēng)坡、準(zhǔn)格爾盆地邊緣， 迎風(fēng)坡與背風(fēng)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(duì)比區(qū)站點(diǎn)，一是因?yàn)樗堑貐^(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(jìn)入我國塔城地區(qū)，進(jìn)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(biāo)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(jī)人工增水時(shí)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(yàn)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(jì)。之所以沒有選取11 月或1 月降水量資料， 是因?yàn)榭死斠蓝緦?shí)施飛機(jī)增水作業(yè)時(shí)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(gè)月的飛機(jī)到達(dá)開始工作時(shí)間和飛機(jī)離開結(jié)束工作時(shí)間具有不確定性，只有每年12 月份在實(shí)施飛機(jī)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(duì)比。

2.2 方法

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

利用1961—2017 年新疆塔城地區(qū)塔城站（對(duì)比區(qū)）、 克拉瑪依市克拉瑪依區(qū)氣象站（目標(biāo)區(qū)）57 a 12 月降水量資料，利用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)對(duì)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(dòng)物防疫工作無論是疫苗、防疫設(shè)備、工作人員的培養(yǎng)、防疫技術(shù)的研發(fā)都需要大量的經(jīng)費(fèi)支持，若經(jīng)費(fèi)不足，則農(nóng)村基層動(dòng)物防疫工作效率和效果無法得到有效提升，因此基層動(dòng)物防疫部門必須做好經(jīng)費(fèi)投入的準(zhǔn)備，加強(qiáng)防疫部門的建設(shè)，從技術(shù)研發(fā)、技術(shù)引入、人員培養(yǎng)、疫苗運(yùn)儲(chǔ)等多個(gè)方面全面提高農(nóng)村基層防疫工作效率和效果。

3 結(jié)果及分析

3.1 不成對(duì)秩和檢驗(yàn)法

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

本文分別對(duì)對(duì)比區(qū)和目標(biāo)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(jìn)行排列計(jì)算。 采取歷史期27 a（容量小于作業(yè)期30 a）的秩和進(jìn)行比較[29]。由此得到自1988 年起開展飛機(jī)人工增水作業(yè)后樣本容量為n2=30，n1=27。

當(dāng)n1>10，n2>10 時(shí)，利用正態(tài)分布檢驗(yàn)計(jì)算數(shù)值u：

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

在飛機(jī)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(yàn)即可；且若樣本B 比樣本A顯著地增加，則u 為負(fù)值區(qū)間。通過計(jì)算得T對(duì)=694，T目=657，一并將n1=27，n2=30 代入上式，得出：u對(duì)≈-1.422，u目≈-2.014。 不難看出u對(duì)>-1.64，而u目<-1.64，即開展人工增水作業(yè)后，目標(biāo)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(yàn)法

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

塔城站（對(duì)比區(qū)）12 月份降水量有27 a 的歷史期資料， 即對(duì)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(rèn)為自然降水的絕對(duì)增加值為：； 相對(duì)增加率為100%≈34.06%。

克拉瑪依站（目標(biāo)區(qū)）12 月份降水量有27 a 的歷史期資料，即目標(biāo)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(jī)人工增水作業(yè)后的絕對(duì)增加值為：相對(duì)增加率為100%≈45.63%。

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

3.3 t 檢驗(yàn)法

t 檢驗(yàn)法是一種參數(shù)性檢驗(yàn)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(yàn)可用t檢驗(yàn)法，并要求作業(yè)前后不改變統(tǒng)計(jì)變量的方差[29]。在目標(biāo)區(qū)開展飛機(jī)增水作業(yè)以來， t 檢驗(yàn)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(guān)顯著性。 由于在人工作業(yè)增水中只關(guān)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(yàn)。

3.3.1 統(tǒng)計(jì)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(jì)變量。在進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)時(shí)，通?？偸羌俣傮w服從正態(tài)分布，在大多數(shù)情況下這個(gè)假定是合理的， 但確有必要對(duì)這個(gè)假設(shè)進(jìn)行檢驗(yàn)，Jarque-Bera 方法利用正態(tài)分布構(gòu)造一個(gè)包含g1，g2的分布統(tǒng)計(jì)量（自由度n=2），對(duì)于顯著性水平，當(dāng)分布統(tǒng)計(jì)量小于分布的分位數(shù)時(shí)，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(jì)算檢驗(yàn)4 組數(shù)據(jù)源服從正態(tài)分布（圖2）。

3.3.2 方差檢驗(yàn)

圖2 目標(biāo)區(qū)（a、b）、對(duì)比區(qū)（c、d）歷史期與作業(yè)期正態(tài)分布

利用F檢驗(yàn)法，分別對(duì)不同區(qū)域（對(duì)比區(qū)、目標(biāo)區(qū)）的不同時(shí)期（1961—1987、1988—2017）逐年12月降水量數(shù)值的方差變化進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。 通過計(jì)算得出對(duì)比區(qū)歷史期方差自由度為v1=27-1=26；對(duì)比區(qū)作業(yè)期方差自由度為v2=30-1=29；目標(biāo)區(qū)歷史期方差自由度為v1=27-1=26；目標(biāo)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(jì)算得F對(duì)≈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(duì)、F目表明無論是對(duì)比區(qū)還是目標(biāo)區(qū)均未改變總體方差。

3.3.3 t 檢驗(yàn)法

在通過Jarque-Bera 正態(tài)分布檢驗(yàn)和F 方差檢驗(yàn)之后， 可使用t檢驗(yàn)法對(duì)二者不同區(qū)域進(jìn)行人工作業(yè)增水量進(jìn)行檢驗(yàn)。分別使用對(duì)比區(qū)、目標(biāo)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(jì)算結(jié)果見表1。

通過計(jì)算得出：t對(duì)=1.646 8，t目=1.968 6， 單邊檢驗(yàn)，t對(duì)顯著性小于t0.05=1.672 5， 顯著性＜0.05， 接近0.055，可認(rèn)為符合自然氣候降水增長變化；而t目顯著性遠(yuǎn)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(duì)比區(qū)、目標(biāo)區(qū)年12 月降水量作為統(tǒng)計(jì)變量的樣本差值的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

4 討論與結(jié)論

在全球氣候變暖等復(fù)雜氣候背景因素影響下，導(dǎo)致自然降水變化差異， 引起時(shí)空分布變化缺少規(guī)律性，從而加強(qiáng)了人工催化效果的虛假“信號(hào)”，就目前來說， 對(duì)統(tǒng)一區(qū)域較長時(shí)序的增水量增量進(jìn)行效果評(píng)估時(shí)， 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法依然是效果檢驗(yàn)中最為可行的方法。 本文以塔城站（對(duì)比區(qū)）、克拉瑪依站（目標(biāo)區(qū)）歷年12 月降水量為統(tǒng)計(jì)變量，對(duì)開展冬季飛機(jī)人工增水30 a 來增水效果進(jìn)行了對(duì)比分析與評(píng)估，結(jié)論如下：

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

（2）使用t 檢驗(yàn)法，計(jì)算對(duì)比區(qū)t 顯著性＜0.05，而目標(biāo)區(qū)t 顯著性遠(yuǎn)＞0.05， 接近0.025。可認(rèn)為克拉瑪依市降水量增量效果顯著。設(shè)定統(tǒng)計(jì)α=90%的置信區(qū)間，在開展冬季飛機(jī)增水后，對(duì)比區(qū)平均年12月降水量絕對(duì)增加值為3.57 mm， 相對(duì)增加率為16.5%，反觀目標(biāo)區(qū)絕對(duì)增加值為1.19 mm，而相對(duì)增加率為26.0%，高出對(duì)比區(qū)9.5%。

（3）本文使用3 種統(tǒng)計(jì)分析方法（非參數(shù)性不成對(duì)秩和檢驗(yàn)方法、序列試驗(yàn)法、t 檢驗(yàn)法），通過找到合理的對(duì)比區(qū)， 對(duì)克拉瑪依冬季開展飛機(jī)人工增水作業(yè)效果進(jìn)行了一定程度上科學(xué)分析和客觀定量地評(píng)估， 為一些開展增水工作的地區(qū)效果評(píng)估工作提供了一些技術(shù)方案借鑒。

（4）人工影響天氣作業(yè)效果檢驗(yàn)是世界性難題，關(guān)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(yàn)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(jì)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(jìn)行對(duì)比分析和差異評(píng)估。 結(jié)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(jié)果對(duì)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(shí)， 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(jìn)一步研究的問題。未來還應(yīng)結(jié)合衛(wèi)星云圖、云雷達(dá)、多普勒雷達(dá)以及雙偏振雷達(dá)等相關(guān)參數(shù)信息開展物理參數(shù)檢驗(yàn)方法， 進(jìn)一步論證統(tǒng)計(jì)分析方法在人工增水作業(yè)中效果的評(píng)估， 進(jìn)一步科學(xué)定量識(shí)別人影作業(yè)效果。