基于Python的西雙版納州人工增雨效果評(píng)估平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：為實(shí)現(xiàn)人工增雨地面作業(yè)效果評(píng)估結(jié)果的客觀快速上報(bào)，提高西雙版納州人工增雨作業(yè)效果評(píng)估能力，根據(jù)中國(guó)氣象局人工影響天氣中心編制的《人工增雨作業(yè)效果檢驗(yàn)技術(shù)指南》（2016版），基于人工增雨地面作業(yè)、智能網(wǎng)格實(shí)況、天氣雷達(dá)、T-lnP等數(shù)據(jù)，利用Python語(yǔ)言將效果評(píng)估算法方案轉(zhuǎn)化成自動(dòng)化生成的西雙版納州人工增雨作業(yè)效果評(píng)估平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：西雙版納；人工增雨；地面作業(yè)；效果評(píng)估；評(píng)估平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：P481 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）05–0-03

人工增雨作業(yè)效果評(píng)估既是人工影響天氣科研和業(yè)務(wù)工作的重要組成部分，也是人工影響天氣最關(guān)鍵的核心問(wèn)題。人工增雨效果的定量評(píng)估在為農(nóng)服務(wù)、改善生態(tài)環(huán)境和防災(zāi)減災(zāi)中具有重要意義，科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)估作業(yè)效果是政府和公眾對(duì)人工影響天氣活動(dòng)支持和投入的依據(jù)[1]。當(dāng)前，人工增雨效果評(píng)估方法基本上分為物理分析方法、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法。采用區(qū)域歷史回歸統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)技術(shù)確定催化影響區(qū)，根據(jù)對(duì)比區(qū)確定原則選擇影響區(qū)的匹配對(duì)比區(qū)，計(jì)算相對(duì)增雨和絕對(duì)增雨，從而獲得人影作業(yè)的增雨效果[2-7]。

針對(duì)西雙版納州地面作業(yè)（火箭、煙爐作業(yè)），將效果評(píng)估算法方案轉(zhuǎn)化成自動(dòng)化生成的西雙版納州人工增雨作業(yè)效果評(píng)估平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)平臺(tái)）以投入業(yè)務(wù)使用，提高工作效率。在自動(dòng)生成人工增雨作業(yè)效果評(píng)估報(bào)前，西雙版納人工增雨效果評(píng)估工作一般采用手工計(jì)算的方式，具有一定人為主觀性且還會(huì)影響作業(yè)效果上報(bào)速度。該自動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)用有利于改變?nèi)斯ぴ鲇晷Чu(píng)估手工計(jì)算的現(xiàn)狀，可在每次作業(yè)完成后較便捷、快速地計(jì)算出人工增雨效果并存檔，且可統(tǒng)計(jì)計(jì)算多次增雨效果，從而實(shí)現(xiàn)效果評(píng)估結(jié)果的客觀快速上報(bào)，提高西雙版納州人工增雨作業(yè)效果評(píng)估能力。

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和算法方案

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）實(shí)際申請(qǐng)空域增雨作業(yè)信息，包括作業(yè)開(kāi)始時(shí)間、經(jīng)緯度、彈藥類(lèi)型和用彈量信息。將收集到的火箭增雨站點(diǎn)申請(qǐng)空域作業(yè)信息作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，整合至電腦文件。

（2）使用近10年區(qū)域站實(shí)況數(shù)據(jù)、普洱多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)（Z9879）、思茅站（56964）高空實(shí)況資料及人工增雨作業(yè)最近氣象站點(diǎn)獲取的云南省天擎系統(tǒng)氣象站點(diǎn)的雨量信息等多源觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 算法方案

效果評(píng)估算法方案采用區(qū)域歷史回歸統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，基于日雨量資料分析該作業(yè)過(guò)程增雨效果，計(jì)算相對(duì)增雨和絕對(duì)增雨，從而獲得人影作業(yè)的增雨效果。算法方案根據(jù)中國(guó)氣象局人工影響天氣中心編制的《人工增雨作業(yè)效果檢驗(yàn)技術(shù)指南》（2016版）。

（1）利用西雙版納區(qū)域自動(dòng)站的小時(shí)降水量資料對(duì)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)分析該地面增雨過(guò)程作業(yè)效果，所用小時(shí)降水量數(shù)據(jù)集的時(shí)間序列是2014—2023年。將近10年人工增雨作業(yè)時(shí)段的降水?dāng)?shù)據(jù)剔除，計(jì)算出一個(gè)多年來(lái)小時(shí)降水值資料，使用Cressman插值法將其進(jìn)行網(wǎng)格化插值處理，作為歷史對(duì)比降水量。

（2）借助距離較近的思茅探空站（56964）各時(shí)次探空數(shù)據(jù)及普洱多普勒天氣雷達(dá)（ZZ9879）雷達(dá)回波組合反射率對(duì)該增雨作業(yè)過(guò)程進(jìn)行合理性分析。

（3）基于地面降水量資料對(duì)該作業(yè)過(guò)程增雨效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

（4）根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，結(jié)合作業(yè)高度高空風(fēng)的風(fēng)向風(fēng)速和雷達(dá)回波移向和移速，大致確定作業(yè)影響區(qū)即目標(biāo)區(qū)站點(diǎn)。采用半定量拋物線方法，來(lái)測(cè)算人工作業(yè)影響區(qū)范圍：

y2=p[x+（a2/p）]（1）

x=u×t（2）

式（1），式（2）中，x軸為水平風(fēng)向，y軸垂直于水平風(fēng)向，u為水平風(fēng)速，a為火箭水平射距，p為拋物線形狀的系數(shù)，采用的p系數(shù)值為1.5，坐標(biāo)原點(diǎn)取作業(yè)點(diǎn)，則拋物線所包圍的區(qū)域就作為人工作業(yè)影響區(qū)。

（5）作業(yè)影響區(qū)站點(diǎn)確定后，根據(jù)對(duì)比區(qū)的選擇原則，選擇對(duì)比區(qū)站點(diǎn)，求得歷史期和作業(yè)期目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)的區(qū)域降水量、區(qū)域平均日雨量的相關(guān)系數(shù)。

（6）利用區(qū)域歷史回歸統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)要求統(tǒng)計(jì)變量滿足正態(tài)分布。

（7）將目標(biāo)區(qū)作業(yè)期實(shí)測(cè)降水量與目標(biāo)區(qū)作業(yè)期自然降水量的估計(jì)值進(jìn)行比較確定絕對(duì)增雨量和相對(duì)增雨率。

（8）采用t-檢驗(yàn)法對(duì)上述求得的絕對(duì)增雨量和相對(duì)增雨率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)。

2 評(píng)估報(bào)告設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)西雙版納人工增雨作業(yè)的特點(diǎn)，充分利用氣象資源，建立一個(gè)操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、功能實(shí)用，基于Python實(shí)現(xiàn)西雙版納州人工增雨地面作業(yè)效果評(píng)估報(bào)告的自動(dòng)生成，評(píng)估報(bào)告的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程圖見(jiàn)圖1。

3 評(píng)估報(bào)告自動(dòng)生成的實(shí)現(xiàn)

服務(wù)產(chǎn)品所用數(shù)據(jù)均來(lái)自氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)·天擎，使用Pathon進(jìn)行編譯，下載作業(yè)期間的實(shí)況數(shù)據(jù)，繪制雷達(dá)組合反射率圖、作業(yè)前T-lnP圖及作業(yè)后三小時(shí)降水實(shí)況圖，根據(jù)實(shí)況及作業(yè)信息計(jì)算作業(yè)面積、增雨量、增雨率。其計(jì)算部分代碼如下：

def XYrange（u，d，a，p，lat0，lon0）：

u為水平風(fēng)速；d為風(fēng)；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(shù)，取1.5；lat0、lon0為作業(yè)點(diǎn)經(jīng)緯度；XXX、YYY、S分別為作業(yè)面積經(jīng)度、緯度、作業(yè)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(píng)估報(bào)告的主要內(nèi)容

針對(duì)地面作業(yè)，利用Python語(yǔ)言將效果評(píng)估算法方案轉(zhuǎn)化為自動(dòng)計(jì)算并輸出人工增雨作業(yè)效果評(píng)估報(bào)告，報(bào)告使用Word文檔的方式，自動(dòng)給出作業(yè)效果檢驗(yàn)報(bào)告的文件格式，以2024年3月21—22日西雙版納人工增雨作業(yè)為例，西雙版納州人工增雨作業(yè)效果評(píng)估報(bào)告內(nèi)容包括：

（1）增雨作業(yè)過(guò)程效果評(píng)估詳細(xì)信息表包括單次作業(yè)的作業(yè)時(shí)間、地點(diǎn)、經(jīng)緯度、作業(yè)用彈量、作業(yè)增雨率、增雨面積和增雨量報(bào)表（表1）；分縣區(qū)的作業(yè)次數(shù)、用彈量、增雨率、增雨面積和增雨量報(bào)表。

（2）增雨作業(yè)過(guò)程進(jìn)行合理性分析：在地圖上標(biāo)注作業(yè)點(diǎn)位置，應(yīng)用T-lnP探空數(shù)據(jù)和多普勒天氣雷達(dá)組合反射率，以圖文形式給出作業(yè)云和對(duì)比云變化特征的對(duì)比結(jié)果，分析作業(yè)過(guò)程是否充分（圖2）。

（3）增雨作業(yè)前后降雨量對(duì)比圖：生成作業(yè)前和作業(yè)后3 h降水實(shí)況圖，可以更清晰、更簡(jiǎn)便、更直觀地得出增雨作業(yè)效果的相關(guān)判斷依據(jù)，且直觀、簡(jiǎn)便，使增雨作業(yè)效果評(píng)估工作方便、快捷（圖3）。

5 結(jié)論

（1）基于Python語(yǔ)言的西雙版納州人工增雨地面作業(yè)效果評(píng)估平臺(tái)，集數(shù)據(jù)讀取、處理、展示為一體效果評(píng)價(jià)自動(dòng)生成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)效果評(píng)價(jià)方法和計(jì)算過(guò)程的統(tǒng)一。

（2）平臺(tái)一鍵式生成，操作過(guò)程簡(jiǎn)單，為西雙版納各縣市人工增雨作業(yè)提供了一套操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)的人工增雨效果評(píng)價(jià)平臺(tái)，提高工作人員的工作效率。

（3）人工增雨效果報(bào)告不僅給出了作業(yè)前后的雷達(dá)回波參數(shù)及作業(yè)前后降水實(shí)況變化圖，對(duì)作業(yè)效果進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，為提升作業(yè)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性提供了數(shù)據(jù)。

（4）平臺(tái)投入使用后，不僅充實(shí)了西雙版納人工影響天氣業(yè)務(wù)平臺(tái)和業(yè)務(wù)工作流程，提供了快速計(jì)算增雨效果的方法，提高了工作效率，還規(guī)范了西雙版納人工增雨效果評(píng)估工作，為開(kāi)展人工增雨作業(yè)效果評(píng)估工作提供了更加科學(xué)的依據(jù)。

（5）該自動(dòng)生成平臺(tái)的應(yīng)用改變?nèi)斯ぴ鲇晷Чu(píng)估手工計(jì)算的現(xiàn)狀，可以在每次作業(yè)完成后較便捷、快速地計(jì)算出人工增雨效果并存檔，且可對(duì)多次增雨效果作統(tǒng)計(jì)分析，從而實(shí)現(xiàn)效果評(píng)估結(jié)果的客觀快速上報(bào)，提高西雙版納人工增雨作業(yè)效果評(píng)估能力。

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作者簡(jiǎn)介：洪群艷（1987—），女，云南大理人，工程師，研究方向?yàn)闅庀罂萍挤?wù)。#通信作者：高婷婷（1994—），女，云南楚雄人，研究方向?yàn)闅庀罂萍挤?wù)，E-mail：599394620@qq.com。