人工防雹作業效果物理統計評估方法運用初探

李 斌，鄭博華，朱思華

（新疆維吾爾自治區人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊830002）

冰雹天氣多發是新疆境內主要天氣特征之一[1]。山區特殊的地形條件是冰雹云發生發展的主要因素之一，且易形成局地性冰雹云[2]。天山山脈南北兩側的大部區域是冰雹天氣易發區。用1961—2003年新疆90個氣象觀測站地面資料統計得出，強冰雹天氣定義為連續幾日有5站以上出現冰雹，在新疆43 a內出現過81次[3]。新疆境內有9個主要冰雹發生區[4]，本文主要以其中2個區域，即位于新疆天山西部的伊犁特克斯河流域的昭蘇盆地和位于新疆中天山北麓奎瑪流域東部的五家區墾區，作為研究區域。特別是位于天山西部的昭蘇盆地，平均年降雹日數20次以上[5]，屬于新疆乃至國內冰雹天氣高發區。

在國內冰雹云研究方面，樊鵬等[6]根據X波段天氣雷達觀測資料以及地面降雹信息，分析了7個渭北地區冰雹云雷達回波識別指標，并將45 dBZ頂高作為重要識別指標之一。高子毅[7]在對昭蘇盆地人工防雹作業效果進行評估研究后，得出由于人工防雹作業，降雹日數減少顯著。王雨曾等[8]根據與冰雹云變化直接相關的10個雷達回波參數作為物理參量分析后顯示，開展人工防雹作業后，冰雹云雷達回波最大頂高、雷達回波強度等均顯著減小；劉治國等[9]通過對高炮防雹作業效果影響研究后得出，受高炮人工防雹作業影響，冰雹云中凍滴平均直徑和質量減小，易產生地面降水。

新疆人工防雹業務已開展了近60 a。一直以來，各級政府與農業部門為了消除冰雹災害對新疆農牧業發展的制約，不斷加大資金投入，全疆人影作業裝備和作業水平得到不斷提升，但作業效果評估一直是亟待解決的課題之一，成本和效益比也一直是人們十分關注的問題。最大雷達回波頂高、回波最強中心強度和40 dBZ回波強度頂高等雷達回波參數能夠很好地反映冰雹云發展強度[10]。本文將這3個雷達回波參數作為人工防雹作業效果評估的統計變量，用物理統計學方法對2004—2005年天山西部昭蘇盆地和北疆沿天山東部的五家渠墾區人工防雹作業效果進行評估分析，希望能為防雹減災提供依據。

1 資料與方法

統計檢驗法、物理檢驗法、數值模擬檢驗法是人工防雹作業效果評估的3種主要方法。其中物理檢驗法是選取冰雹云雷達回波相關參數作為物理參數指標，對實施人工防雹作業前后作為指標的物理參數變化進行分析，從而得出作業效果。本文使用物理統計檢驗法，既對一定樣本容量的物理參數進行變化對比分析，也可以一定程度的降低物理參數檢驗中單個個例冰雹云變化的“噪聲”影響，說服力相對較高。

作為物理參數指標的雷達回波相關參數，本文選取最大雷達回波頂高H、回波最強中心強度Z和40 dBZ回波強度頂高h，作為冰雹云隨時間演變特征指標參數。即

假定作業后3個參數出現變化的時間一致，上式就可變為差分形式

天氣雷達探測本身具有誤差性，如高度誤差一般為0.9 km，強度誤差一般為6～8 dBZ[11]，因此用1 km、10 dBZ、1 km分別除以以上參數，以消除誤差，同時將（2）式轉化為無量綱判別式：

Y即為雷達回波變化綜合參數值。

基于當年兵團農六師（五家渠市）2007年科研推廣新產品開發科技專項計劃（0709）“防雹效果檢驗——雷達探測降雹強度與冰雹落區的研究”項目資助，為了分析評估人工防雹作業效果，本文對位于天山西部的昭蘇盆地2004—2005年18次防雹作業的天氣雷達觀測資料以及降雹資料，位于北疆沿天山東部的五家渠墾區同年12次相同資料進行收集分析（圖1）。考慮到催化的AgI粒子隨上升氣流進入-12℃以上催化部位約需3 min，作為冰核形成冰晶，并凝華、結淞增長至雹胚，進而參與競爭過冷水分需要8～12 min，合計11～15 min[12]。因此，使用人工防雹作業前與實施人工防雹作業后15 min的天氣雷達觀測到的冰雹云最大雷達回波頂高、回波最強中心強度和40 dBZ回波強度頂高等參數，采用物理統計學方法對人工防雹作業前后效果進行評估，以分析作業效果的顯著性。

數理統計學中，秩和檢驗法是1945年Wilcoxon提出的，屬于非參數性檢驗法并在人工影響天氣試驗的效果檢驗中廣為應用[13]。秩和檢驗法又分為不成對試驗的秩和檢驗和成對秩和檢驗兩種。

圖1 昭蘇、五家渠冰雹區域位置

2 結果分析

2.1 人工防雹作業前后的回波參數值計算

表1、圖2和表2、圖3給出了昭蘇盆地和五家渠墾區逐次人工防雹作業前后的冰雹云相關雷達回波參數值及其作業前后的相應變化量。表1、表2中的H1、Z1、h1和H2、Z2、h2分別代表人工防雹作業前后的最大雷達回波頂高、回波最強中心強度和40 dBZ回波強度頂高等冰雹云雷達回波參數；人工防雹作業前后上述雷達回波參數差值分別為△H、△Z、△h。

表1 昭蘇盆地人工防雹作業前后冰雹云雷達回波參數值及其變化

由表1及圖2分析，昭蘇盆地18次作業個例，多數在作業后回波頂高，特別是雷達40 dBZ強回波頂高回波參數指標減小較為明顯，但雷達強回波中心強度回波參數指標變化不大。說明人工防雹作業對冰雹云40 dBZ強回波區產生了抑制作用，而對冰雹云強回波中心區域作用不明顯。這可能與昭蘇盆地所處地理位置有關。由于昭蘇盆地上游冰雹云初生和發展源地主要為哈薩克斯坦境內，移入盆地的冰雹云已處在成熟階段，最佳作業時機已錯過。另外，盆地主要使用固定作業點三七高炮實施人工防雹作業，而三七高炮機動性差，作業影響高度偏低。因此，人工防雹作業受限較大，導致作業效果有限。

圖2 昭蘇盆地人工防雹作業前后雷達回波參數變化

由表2及圖3可知，五家渠墾區作業后3個參量相比作業前有減小，說明冰雹云發展受人工防雹作業影響而得到抑制。但也有幾個相反的效果個例。例如20040531個例，最大雷達回波頂高在作業后上升了1 km，回波最強中心強度增強了10 dBZ，40 dBZ回波強度頂高上升了0.5 km。表明冰雹云發展受人工防雹作業影響，不但沒有得到抑制，反而使其得到進一步發展增強。分析原因，可能是作業用彈量偏少，作業沒有有效抑制冰雹云發展，反而是起到了進一步催化增強云體發展的作用。類似20050528個列作業效果也不好。

2.2 計算回波參數綜合值

利用公式（3），可以計算得到昭蘇盆地和五家渠墾區兩地逐次人工防雹作業前后冰雹云雷達回波變化綜合參數值Y，其值分別列于表3和表4中，降雹實況也列于表中。當計算得出某次人工防雹作業后Y＞0，則人工防雹作業效果明顯，且Y值越大，作業效果越明顯；當某次作業后Y≤0，則人工防雹作業效果不明顯。

表2 五家渠墾區人工防雹作業前后冰雹云雷達回波參數值及其變化

表3 昭蘇盆地雷達回波綜合參量判別統計

圖3 五家渠墾區人工防雹作業前后雷達參數變化

由表3可以看出，昭蘇盆地有2個個例（20050720和20050728）作業后出現了負效果，同時受災嚴重。其余5次受災個例均是在作業有效的情況下出現。分析也是由于冰雹云進入盆地后處于成熟階段，云中已含有大量冰雹粒子，三七高炮作業后，由于爆炸對托襯冰雹的上升氣流起到了一定的抑制作用。但在冰雹云發展受到抑制的同時，也會引起冰雹下泄而受災。

表4的五家渠墾區，兩次受災個例均為作業負效果引起。這可能與五家渠墾區這兩次實施人工防雹作業最佳時機把握不準，作業用彈量不夠，沒有形成過量播撒有關。五家渠墾區總體作業效果比較好，這與五家渠墾區處于奎瑪聯防區及冰雹云移動路徑下游方有關。

2.3 顯著性檢驗

包括冰雹云在內的各類自然云體特性千差萬別，只對某次冰雹云人工防雹作業前后相應的雷達回波參數指標變化進行評估分析，難以得到令人信服的評估結果。因此，對利用（3）式計算得到的多個雷達回波變化綜合參數值Y進行顯著性檢驗十分必要。此檢驗實際為成對的秩和檢驗[13]。將表3和表4中計算得到的Y值取絕對值后按從小到大順序進行秩次排序。根據對應于Y值的符號，在秩次上也附以符號。其結果給出在表3和表4中最后一列。以負秩次之和作為評估檢驗秩次，進行顯著性檢驗。

表4 五家渠墾區雷達回波綜合參量判別統計表

昭蘇盆地：計算的負秩次之和為TZ=52。經查找相關秩次分布表，當樣本容量（即人工防雹作業次數）n＝18時，顯著性水平α=0.077，接近0.05的閾值，說明昭蘇盆地人工防雹作業效果接近顯著。

五家渠墾區：計算的負秩次之和為TW=10，經查相關秩次分布表，當樣本容量（即人工防雹作業次數）n＝12時，顯著性水平α=0.01，超過了0.05閾值，說明五家渠墾區人工防雹作業效果非常顯著。2.4防雹作業效果估計

昭蘇盆地2004—2005年18次人工防雹作業后，出現了7次降雹，另有4次出現了雷達回波變化綜合參數值Y＜0。因此昭蘇盆地人工防雹作業效果計算如下：

2004—2005年，五家渠墾區12次人工防雹作業后，出現了2次冰雹災害，出現了1次雷達回波變化綜合參數值Y＜0，因此五家渠墾區人工防雹作業效果計算如下：

3 討論

當Y＞0時，說明最大雷達回波頂高、回波最強中心強度和40 dBZ回波強度頂高等雷達回波參數指標，在人工防雹作業后雖然有個別是增加或不變化的，但綜合指標總體是減小的。表明總體上冰雹云受人工防雹作業影響而減弱了，人工防雹作業產生了正效果。相反，當Y≤0時，則人工防雹作業產生的是負效果或無效果。

但是，由表3可以看出，有4次過程Y＞0，但出現了冰雹災害，甚至出現了重災。分析原因，一是由于作業點設置受地理環境等限制，前沿作業點不在冰雹云發生源地附近，無法對冰雹云實施提前作業和早期催化，使得人工防雹作業最佳時機被延誤，造成了冰雹災害；二是冰雹云發展太強，內部已形成冰雹，人工防雹作業后即下冰雹，造成了冰雹災害。這也是人工防雹作業后，冰雹云產生效果的體現。只是一種人為泄雹方式的人工防雹。通過人為控制降雹區域，使冰雹降落在局部小的區域而受災，但保護了廣大下游地區免受雹災[14]。

比較兩個區域的人工防雹作業效果，五家渠墾區比昭蘇盆地人工防雹作業效果顯著性水平高，作業效果好，達到75%。分析原因可能是，五家渠墾區處于奎瑪流域冰雹云移動路徑的中下游，當冰雹云出現后，中上游的奎屯墾區和石河子墾區作業點已對冰雹云進行了有效作業，使得移向下游的冰雹云已基本處于人工防雹作業后的成熟和消亡階段。所以位于冰雹云移動路徑下游的五家渠墾區，人工防雹作業效果相對更好。當然也包括五家渠墾區本身有效作業的結果。對于昭蘇盆地要進一步提升人工防雹作業效果，首先需要與冰雹云生成和發展的上游國家哈薩克斯坦國開展國際合作，在哈薩克斯坦及其邊境線附近對初生和發展的冰雹云實施提前作業和早期催化，來有效抑制冰雹云的發展；其次建議在昭蘇盆地的冰雹云移動路徑前沿增加建設流動火箭作業基地，以提升當地實施人工防雹作業的機動性和靈活性，盡可能實施早期人工防雹作業而使人工防雹作業效果得以進一步提升。

4 結論

本文利用2004—2005年新疆天山西部昭蘇盆地和北疆沿天山東部的五家渠墾區防雹季雷達回波參數，采用物理統計學方法，重點分析了與冰雹云發展強度直接有關的最大雷達回波頂高、回波最強中心強度和40 dBZ回波強度頂高等特征，得出以下結論：

（1）運用物理統計檢驗法，對2004—2005年天山西部昭蘇盆地和北疆沿天山東部的五家渠墾區人工防雹作業前后，冰雹云最大雷達回波頂高、回波最強中心強度和40 dBZ回波強度頂高等3個雷達回波參數指標變化進行評估分析。結果表明，天山西部昭蘇盆地人工防雹作業效果顯著性水平為0.077，接近顯著；北疆沿天山東部的五家渠墾區人工防雹作業效果顯著性水平為0.01，十分顯著。兩個區域綜合作業效果分別達到38.9%和75.0%。

（2）通過雷達性能提升，豐富雷達探測獲取的信息產品，保證雷達探測參數的準確性，為更加科學開展人工防雹作業效果的物理評估檢驗或物理統計評估檢驗奠定基礎。

（3）應依據冰雹云雷達回波資料，繪制當地冰雹云移動路徑。根據冰雹云移動路徑不斷科學合理調整布設本地人工防雹作業點布局分布。人工防雹作業點應盡可能布設在冰雹云形成源地或移動路徑上冰雹云初生及發展階段的上游區域，以便能夠有效實施以提前作業和早期催化為理念的人工防雹作業方式，使人工防雹作業效果更加顯著。