基于Python的西雙版納州人工增雨效果評估平臺的設計與實現

摘 要：為實現人工增雨地面作業效果評估結果的客觀快速上報，提高西雙版納州人工增雨作業效果評估能力，根據中國氣象局人工影響天氣中心編制的《人工增雨作業效果檢驗技術指南》（2016版），基于人工增雨地面作業、智能網格實況、天氣雷達、T-lnP等數據，利用Python語言將效果評估算法方案轉化成自動化生成的西雙版納州人工增雨作業效果評估平臺。

關鍵詞：西雙版納；人工增雨；地面作業；效果評估；評估平臺

中圖分類號：P481 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

人工增雨作業效果評估既是人工影響天氣科研和業務工作的重要組成部分，也是人工影響天氣最關鍵的核心問題。人工增雨效果的定量評估在為農服務、改善生態環境和防災減災中具有重要意義，科學、準確地評估作業效果是政府和公眾對人工影響天氣活動支持和投入的依據[1]。當前，人工增雨效果評估方法基本上分為物理分析方法、統計檢驗方法和數值模擬方法。采用區域歷史回歸統計檢驗技術確定催化影響區，根據對比區確定原則選擇影響區的匹配對比區，計算相對增雨和絕對增雨，從而獲得人影作業的增雨效果[2-7]。

針對西雙版納州地面作業（火箭、煙爐作業），將效果評估算法方案轉化成自動化生成的西雙版納州人工增雨作業效果評估平臺（以下簡稱平臺）以投入業務使用，提高工作效率。在自動生成人工增雨作業效果評估報前，西雙版納人工增雨效果評估工作一般采用手工計算的方式，具有一定人為主觀性且還會影響作業效果上報速度。該自動平臺的應用有利于改變人工增雨效果評估手工計算的現狀，可在每次作業完成后較便捷、快速地計算出人工增雨效果并存檔，且可統計計算多次增雨效果，從而實現效果評估結果的客觀快速上報，提高西雙版納州人工增雨作業效果評估能力。

1 數據準備和算法方案

1.1 數據準備

（1）實際申請空域增雨作業信息，包括作業開始時間、經緯度、彈藥類型和用彈量信息。將收集到的火箭增雨站點申請空域作業信息作為系統的基礎數據庫，整合至電腦文件。

（2）使用近10年區域站實況數據、普洱多普勒天氣雷達數據（Z9879）、思茅站（56964）高空實況資料及人工增雨作業最近氣象站點獲取的云南省天擎系統氣象站點的雨量信息等多源觀測數據。

1.2 算法方案

效果評估算法方案采用區域歷史回歸統計檢驗方法，基于日雨量資料分析該作業過程增雨效果，計算相對增雨和絕對增雨，從而獲得人影作業的增雨效果。算法方案根據中國氣象局人工影響天氣中心編制的《人工增雨作業效果檢驗技術指南》（2016版）。

（1）利用西雙版納區域自動站的小時降水量資料對統計檢驗分析該地面增雨過程作業效果，所用小時降水量數據集的時間序列是2014—2023年。將近10年人工增雨作業時段的降水數據剔除，計算出一個多年來小時降水值資料，使用Cressman插值法將其進行網格化插值處理，作為歷史對比降水量。

（2）借助距離較近的思茅探空站（56964）各時次探空數據及普洱多普勒天氣雷達（ZZ9879）雷達回波組合反射率對該增雨作業過程進行合理性分析。

（3）基于地面降水量資料對該作業過程增雨效果進行統計檢驗。

（4）根據實際作業情況，結合作業高度高空風的風向風速和雷達回波移向和移速，大致確定作業影響區即目標區站點。采用半定量拋物線方法，來測算人工作業影響區范圍：

y2=p[x+（a2/p）]（1）

x=u×t（2）

式（1），式（2）中，x軸為水平風向，y軸垂直于水平風向，u為水平風速，a為火箭水平射距，p為拋物線形狀的系數，采用的p系數值為1.5，坐標原點取作業點，則拋物線所包圍的區域就作為人工作業影響區。

（5）作業影響區站點確定后，根據對比區的選擇原則，選擇對比區站點，求得歷史期和作業期目標區和對比區的區域降水量、區域平均日雨量的相關系數。

（6）利用區域歷史回歸統計檢驗方法進行統計分析時要求統計變量滿足正態分布。

（7）將目標區作業期實測降水量與目標區作業期自然降水量的估計值進行比較確定絕對增雨量和相對增雨率。

（8）采用t-檢驗法對上述求得的絕對增雨量和相對增雨率進行統計顯著性檢驗。

2 評估報告設計與實現

根據西雙版納人工增雨作業的特點，充分利用氣象資源，建立一個操作簡單、運行穩定、功能實用，基于Python實現西雙版納州人工增雨地面作業效果評估報告的自動生成，評估報告的設計與實現流程圖見圖1。

3 評估報告自動生成的實現

服務產品所用數據均來自氣象大數據云平臺·天擎，使用Pathon進行編譯，下載作業期間的實況數據，繪制雷達組合反射率圖、作業前T-lnP圖及作業后三小時降水實況圖，根據實況及作業信息計算作業面積、增雨量、增雨率。其計算部分代碼如下：

def XYrange（u，d，a，p，lat0，lon0）：

u為水平風速；d為風；a為火箭水平射距；火箭彈5 km；煙爐2 km；p為拋物線形狀系數，取1.5；lat0、lon0為作業點經緯度；XXX、YYY、S分別為作業面積經度、緯度、作業面積。

x=symbols（‘x’）

y=（p*（x+a**2/p））**0.5

A=integrate（y，（x，0，x2））

S=A*2

X1=np.linspace（0，u*3*60*60/1 000，100）

Y1=（p*（X1+a**2/p））**0.5

Y2=-Y1

Y2=[u*3*60*60/1 000]*100

Y3=np.linspace（Y1[-1]， Y2[-1]，100）

X3=[0]*20

Y4=np.linspace（Y2[0]，Y1[0]，20）

X=list（X1）+list（X2）+list（X1[：：-1]）+list（X3）

Y=list（Y1）+list（Y3）+list（Y2[：：-1]）+list（Y4）

angle=d-90

if anglegt;=0：

XX=[a+b for a，b in zip（[item*math.cos（angle） for item in X]，[item*math.sin（angle） for item in Y]）]

YY=[a-b for a，b in zip（[item*math.cos（angle） for item in Y]，[item*math.sin（angle） for item in X]）]

else：

angle=abs（angle）

XX=[a-b for a，b in zip（[item*math.cos（angle） for item in X]，[item*math.sin（angle） for item in Y]）]

YY=[a+b for a，b in zip（[item*math.sin（angle） for item in Y]，[item*math.cos（angle） for item in X]）]

XXX=[item/111.1+lon0 for item in XX]

YYY=[item/111.1+lat0 for item in YY]

return XXX，YYY，S

4 評估報告的主要內容

針對地面作業，利用Python語言將效果評估算法方案轉化為自動計算并輸出人工增雨作業效果評估報告，報告使用Word文檔的方式，自動給出作業效果檢驗報告的文件格式，以2024年3月21—22日西雙版納人工增雨作業為例，西雙版納州人工增雨作業效果評估報告內容包括：

（1）增雨作業過程效果評估詳細信息表包括單次作業的作業時間、地點、經緯度、作業用彈量、作業增雨率、增雨面積和增雨量報表（表1）；分縣區的作業次數、用彈量、增雨率、增雨面積和增雨量報表。

（2）增雨作業過程進行合理性分析：在地圖上標注作業點位置，應用T-lnP探空數據和多普勒天氣雷達組合反射率，以圖文形式給出作業云和對比云變化特征的對比結果，分析作業過程是否充分（圖2）。

（3）增雨作業前后降雨量對比圖：生成作業前和作業后3 h降水實況圖，可以更清晰、更簡便、更直觀地得出增雨作業效果的相關判斷依據，且直觀、簡便，使增雨作業效果評估工作方便、快捷（圖3）。

5 結論

（1）基于Python語言的西雙版納州人工增雨地面作業效果評估平臺，集數據讀取、處理、展示為一體效果評價自動生成平臺，實現作業效果評價方法和計算過程的統一。

（2）平臺一鍵式生成，操作過程簡單，為西雙版納各縣市人工增雨作業提供了一套操作簡便、實用性強的人工增雨效果評價平臺，提高工作人員的工作效率。

（3）人工增雨效果報告不僅給出了作業前后的雷達回波參數及作業前后降水實況變化圖，對作業效果進行數值統計檢驗，為提升作業的準確性、科學性提供了數據。

（4）平臺投入使用后，不僅充實了西雙版納人工影響天氣業務平臺和業務工作流程，提供了快速計算增雨效果的方法，提高了工作效率，還規范了西雙版納人工增雨效果評估工作，為開展人工增雨作業效果評估工作提供了更加科學的依據。

（5）該自動生成平臺的應用改變人工增雨效果評估手工計算的現狀，可以在每次作業完成后較便捷、快速地計算出人工增雨效果并存檔，且可對多次增雨效果作統計分析，從而實現效果評估結果的客觀快速上報，提高西雙版納人工增雨作業效果評估能力。

參考文獻

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[7] 王霄，孫建印，趙宇，等.氣象雷達在人工增雨效果物理檢驗中的應用[J].河南科學，2022，40（11）：1842-1849.

作者簡介：洪群艷（1987—），女，云南大理人，工程師，研究方向為氣象科技服務。#通信作者：高婷婷（1994—），女，云南楚雄人，研究方向為氣象科技服務，E-mail：599394620@qq.com。