新疆阿克苏地区人工防雹作业效果研究

李 斌，郑博华，史莲梅，朱思华

(新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，乌鲁木齐 830002)



新疆阿克苏地区人工防雹作业效果研究

李 斌，郑博华，史莲梅，朱思华

(新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，乌鲁木齐 830002)

【目的】客观评估新疆阿克苏地区人工防雹作业前后年雹灾面积系统性差异，分析该地区人工防雹作业效果。【方法】利用阿克苏地区1978～2013年的年雹灾面积数据，以1996年作为人工防雹作业开始年，运用序列检验、不成对秩和检验以及Welch检验等统计学方法，对科学开展人工防雹作业前后各18 a的年雹灾面积系统性差异进行分析。【结果】阿克苏地区科学开展人工防雹作业后冰雹灾害明显减少，非参数性不成对秩和检验显著性水平为0.05，参数性Welch检验显著性水平高达0.01，平均年雹灾面积减少15 063 hm2，相对减少率为43.14%。结合农业经济数据，年平均减少雹灾损失28 109×104元，年投入产出比为1∶6，统计显著性水平达到0.1。【结论】阿克苏地区人工防雹作业后，冰雹灾害损失明显减小，减灾的社会、经济效益显著。

人工防雹；统计检验；效果评估；阿克苏

0 引 言

【研究意义】新疆是我国西北地区冰雹灾害多发地区之一[1]。阿克苏地区地处天山山脉中段南麓、塔里木盆地北缘，气候暖温干旱，降雨量少、蒸发量大、光热资源丰富。境内有山地、平原、沙漠、河流、湖泊等多种地形分布，地貌类型复杂。主要特点为：北部为山地，南部为沙漠，中间是平原、河流、湖泊等。全地区地表条件不均，起伏不平，极易形成冰雹天气。该地区的渭干河流域和阿克苏河流域是新疆9个主要冰雹发生区域中的2个区域[2]。每年因冰雹、洪水等自然灾害造成的经济损失达数千万元甚至亿元之多，对该地区经济社会发展造成了严重影响。随着近年全球气候变暖，阿克苏地区的强冰雹天气呈现增多趋势[3]。从1994年开始，利用世界银行贷款项目，阿克苏地区在沙雅县开始建设了新疆第一部中频相参的C波段多普勒天气雷达，并于1996年投入业务运行。随后相继引进了新型人工影响天气作业火箭发射系统148套、新一代天气雷达1部、X波段双偏振天气雷达1部等装备，建立了科学人工防雹作业体系。【前人研究进展】近年来，国内很多学者对各地冰雹天气的气候特征、时空分布、灾情分析[4-6]，预报预警方法[7-11]和冰雹形成机制、防雹催化原理及防雹减灾效应[12-14]等方面开展了许多研究。【本研究切入点】由于强对流性天气系统形成、演变在科学上的复杂性，以及对其开展人工催化作业在技术上的复杂性，尚缺少科学、实用的人工防雹效果检验方法。基于阿克苏地区1996年科学开展人工防雹作业前、后各18 a(分别称为历史期、作业期)的雹灾面积资料，利用非参数性和参数性统计检验方法确定年雹灾面积减少率，进一步结合农业经济数据，初步得出人工防雹作业投入产出比。【拟解决的关键问题】为科学定量评估人工防雹作业效果提供一定的技术方法和科学依据，以进一步提高促进人工防雹科学作业水平。

1 材料与方法

1.1 材 料

1978～2013年年雹灾面积资料由新疆维吾尔自治区气象局气候中心提供，相应耕地面积和农业产值数据来源于历年的《新疆统计年鉴》。以上数据均为阿克苏地区八县一市每年相应数据的总和，并进行严格的审定核实，其中个别异常、重复数据进行分析、咨询、审核后剔除。

面积为耕地面积。未使用播种面积作为基准的原因是考虑到诸如开春的霜冻、大风灾害等因素，会使一些已播种的耕地复播或重播，播种面积因而会加大。产值采用去除林业、畜牧业产值后的农业产值作为标准，是考虑到冰雹灾害主要是对种植业作物造成损失。

阿克苏地区1978～2013年雹灾面积年际变化为1978～1995年18 a历史期年均耕地面积约31.5×104hm2，年均雹灾面积49 397.6 hm2，占每年总耕地面积的15.68%；1996～2013年18 a作业期，由于人口规模扩张，对耕地需求不断增加[15-16]，陆续开荒增加耕地，地区年均耕地面积约增加到43.3×104hm2，年均雹灾面积19 854.3 hm2，占每年总耕地面积的4.59%。科学开展人工防雹作业后比之前平均年受灾率降低了11.09个百分点。图1

从经济损失看，在历史期18 a年均雹灾损失4 638.1×104元，而作业期18 a年均雹灾损失15 951.9×104元，作业期比历史期年均雹灾损失多11 313.8×104元。其原因是近年来种植业作物结构调整、附加值更高的棉花、瓜果、红枣等经济作物种植面积扩大，各种农资、水电、人力等价格上涨，投入增加。但是，按照雹灾损失占年平均农业产值来看，历史期全地区年平均农业产值约93 000×104元，年雹灾损失占4.99%；作业期年平均农业产值约808 000×104元，年雹灾损失占1.97%。相比较，人工防雹作业后，冰雹灾害对农业产值造成的损失比例减小了3.02个百分点。

1.2 方 法

人工防雹作业效果的检验主要有统计检验、物理检验和数值模拟检验三种方法。研究采用统计检验方法是以数理统计为基础进行显著性检验，其又分为非参数性检验和参数性检验两种。非参数性检验采用不成对秩和检验法进行显著性检验。参数性检验根据检验条件，采用Welch检验法进行显著性检验。检验结果均为显著，显著性水平为0.05以上。在变量分布形式检验中采用了非参数检验法中的柯尔莫哥洛夫配合适度检验法；对于作业期和历史期两个正态总体的方差相等的检验，采用参数性检验法中的F检验法进行检验。

图1 1978～2013年阿克苏地区雹灾面积年际变化
Fig.1 Inter annual of hsil damaged areas during 1978 - 2013 in Akesu

2 结果与分析

2.1 序列试验法

根据目标区雹灾面积的历史资料，统计得到该目标区雹灾面积的历史平均值作为作业期自然降雹雹灾面积的期待值，然后与实测值比较，得出人工防雹减灾面积效果的估计值[17]。

即防雹作业期比防雹历史期平均年减少雹灾面积29 544 hm2，相对平均年雹灾减少率为59.81%。

2.2 非参数性检验

不成对秩和检验法是一种非参数性检验法。在有些情况下，人工防雹历史期资料记录的时间较短，所选的统计变量服从何种分布不确定，总体的平均值和标准差未知，因此采用非参数检验，如秩和检验法等，对人工防雹历史期和作业期统计指标变化的显著性进行检验[18]。

将阿克苏地区人工防雹历史期18a和作业期18a的雹灾面积按从小到大秩序列出。历史期和作业期秩和T分别为其相应的秩次之和。取T值小的作业期的秩和T=257。已知人工防雹作业期和历史期的样本容量分别为n1=18，n2=18。表1

表1 阿克苏地区以年雹灾面积为统计变量的防雹效果秩和检验
Table 1 The effect of hail suppression by W-M-W test with the annual hail damaged areas as statistical variables in Akesu Prefecture (hm2)

秩次Rank2224567891011121314年份Years19832000200619992007197819962004200320051998197919851997历史期HistoryPeriod030041297414906作业期WorkingPeriod0091313363804895210642109501112117976

秩次Rank151617181920212223242526年份Years198120101986198020082011200119821995198920021984历史期HistoryPeriod19749234452599531622318443838843880作业期WorkingPeriod2125127541278662830940096

秩次Rank27282930313233343536秩和TSumOfRank年份Years2013201220091992198819941993199119871990历史期HistoryPeriod57477599176273165069113772127521156862409作业期WorkingPeriod471164775551750257

当n1，n2>10时，秩和T近似于正态分布：

对双边检验，若u值落在(-1.96，+1.96)之内，差异不显著；若u值落在(-1.96，+1.96)之外，差异显著，显著性水平为0.05。单边检验时，若u≥1.64(或u≤-1.64)；则差异显著；否则不显著，显著性水平为0.05[8]。

将n1=18，n2=18，秩和T=257代入(1)式计算得u≈-2.41。因此，对于单边检验u<-1.64，表明阿克苏地区人工防雹作业期，及科学开展人工防雹作业后，比历史期年雹灾面积明显减小，说明人工防雹作业取得明显效果，显著性水平为0.05[19]。

2.3 参数性检验

2.3.1 参数性检验条件

在参数性检验法中，常用的t-检验法要求对于历史期统计变量服从正态分布，并要求作业期和历史期两个正态总体的方差相等，以及作业前后不改变统计变量的方差。对于历史期统计变量是否服从正态分布，可用柯尔莫哥洛夫配合适度检验法进行检验；对于作业期和历史期两个正态总体的方差相等的检验用F检验法进行检验。

在作业期和历史期统计变量—年雹灾面积服从正态分布，但两个样本的方差存在明显差异的情况下，可以采用Welch检验法进行检验。

2.3.2 Welch检验

检验统计量z值由下式计算：

(2)

自由度ν′计算如下：

(3)

由于人工防雹作业期与历史期样本容量相等，方差相差不是很大，因此Welch检验法与t-检验法所得结果基本一致，故可利用下式进行区间估计[19]：

(4)

根据阿克苏地区作业期18 a年农业产值和年耕地面积，可估计产值约为18 661元/hm2。因此，科学开展人工防雹后，平均年减少雹灾损失28 109×104元，占年平均农业产值的3.49%。而阿克苏地区科学开展人工防雹后，每年投入人工防雹经费在4 500×104元左右，因此平均年投入产出比为1∶6。表2

表2 阿克苏地区以年雹灾面积作为统计变量的样本差值的显著性检验计算
Table 2 Calculation of the sample difference significance test with the annual hail damaged areas as statistical variables in Akesu Prefecture

年份Yearsx2(hm2)(x2i-x-2)2年份Yearsx1(hm2)(x1i-x-1)2历史期HistoryPeriod19783004215236199719791297413266753991980259955476796065198119749879036846519823162231597037531983024401184951984438803044341931985149061189667405198623445673535139919871275216103272572198859917110658711419893838812121031351990156862115486068201991113772414406909819925747765277422519936506924559417119946273117778074081995318443081273126n2=18作业期WorkingPeriod1996380425761320011997179763528136119981112176271111119999133587741084200003941945521200128309714813884200240096409725069420031064284867085420048952118860872120051095079287152120060394194552120071336342928669420082754159084844420095175010173335522010212511950677820112786664186802820124775577844720042013471167431984694n1=18x-2=1n2∑n2j=1x2j=493976s22=1n2-1=∑n2j=1(x2j-x-2)2=1904710932．3x-1=1n1∑n1j=1x2j=19854．3s22=1n2-1=∑n2j=1(x2j-x-2)2=3091722026

3 讨 论

由于云、降水自然变差太大，导致降雹时空分布变化很大，从而使得雹灾面积变化起伏也很大。人工防雹作业效果的统计检验相当于从这些高的“噪声”中提取人工防雹作业效果的“信号”，因此，统计检验方法的功效往往不高[18，19]。但是，就目前的人工防雹作业技术和检验方法，统计检验方法是检验人工防雹作业效果的主要方法之一。从统计学和人工影响天气角度考虑，序列试验法方法简单，但可信度有限；不成对秩和检验法只能对效果进行可信度的定性检验，无法进行区间估计；t-检验法和Welch检验法相对于以上两种检验方法对效果检验较准确可信，但对样本数量、质量以及计算过程要求较高。如能找到相应的对比区，采用区域回归试验法，检验功效、准确度会较高[18]。在采用统计检验的同时，还应注重利用天气雷达回波变化等信息开展物理检验，以体现人工防雹作业效果的物理机制和效应。

4 结 论

4.1 阿克苏地区科学开展人工防雹作业后比之前平均年受灾率降低了11.09个百分点。年冰雹灾害对农业产值造成的损失比例减小了3.02个百分点。

4.2 统计评估检验表明，阿克苏地区科学开展人工防雹作业减灾效果显著，显著性水平在0.05以上。其中Welch检验法检验得到的显著性水平高达0.01。

4.3 进行区间估计的科学开展人工防雹作业后的效果为：平均年雹灾面积减少15 062.9 hm2，相对减少率为43.14%，平均年减少雹灾损失28 109×104元，占年平均农业产值的3.49%，平均年投入产出比为1∶6。统计显著性水平为α=0.1。

References)

[1]刘德祥，白虎志，董安祥.中国西北地区冰雹的气候特征及异常研究[J].高原气象，2004，23(6)：795-803.

LIU De-xiang，BAI Hu-zhi，DONG An-xiang. (2004). Studies on climatic characteristic and anomaly of hail in Northwest China [J].PlateauMeteorology，23(6)：795-803.(in Chinese)

[2]热苏力·阿不拉，牛生杰，王红岩.新疆冰雹时空分布特征分析[J].自然灾害学报，2013，22(2)：158-163.

Resuli Abula，NIU Sheng-jie，WANG Hong-yan. (2013). Spatial temporal distribution characteristic of hail in Xinjiang [J].JournalofNaturalDisasters，22(2)：158-163.(in Chinese)

[3]张俊兰，张莉.新疆阿克苏地区50 a来强冰雹天气的气候特征[J].中国沙漠，2011，31(1)：236-241

ZHANG Jun-lan，ZHANG Li. (2011). Climate characteristics of severe hail events during 50 years in Akesu，Xinjiang [J].JournalofDesertResearch，31(1)：236-241.(in Chinese)

[4]王瑛，王静爱，吴文斌，等.中国农业雹灾灾情及其季节变化[J].自然灾害学报，2002，11(4)：30-36.

WANG Ying，WANG Jing-ai，WU Wen-bin，et al. (2002). Agricultural hail disaster and its seasonal regionalization in China [J].JournalofNaturalDisasters，11(4)：30-36.(in Chinese)

[5]龙余良，金勇根，刘志萍，等.江西省冰雹气候特征及冰雹灾害研究[J].自然灾害学报，2009，18(1)：53-57.

LONG Yu-liang，JIN Yong-gen，LIU Zhi-ping，et al. (2009). Climate character and disaster of hail in Jiangxi Province [J].JournalofNaturalDisasters，18(1)：53-57.(in Chinese)

[6]蔡义勇，王宏，余永江.福建省冰雹时空分布与天气气候特征分析[J].自然灾害学报，2009，18(4)：43-48.

CAI Yi-yong，WANG Hong，YU Yong-jiang. (2009). Spatiotemporal distribution and weather characteristics of hail in Fujian Province [J].JournalofNaturalDisasters，18(4)：43-48.(in Chinese)

[7]王正旺，庞转棠，姚彩霞，等.长治市冰雹气候特征及预报研究[J].自然灾害学报，2007，16(2)：34-39.

WANG Zheng-wang，PANG Zhuan-tang，YAO Cai-xia，et al. (2007). Study on characteristic and forecast of hail climate in Changzhi City [J].JournalofNaturalDisasters，16(2)：34-39.(in Chinese)

[8]纪晓玲，马筛红，丁永红，等.宁夏40年灾害性冰雹天气分析[J].自然灾害学报，2007，16(3)：24-28.

JI Xiao-ling，MA Shai-hong，DING Yong-hong，et al. (2007). Analysis of disastrous hail weather in Ningxia in recent 40 years [J].JournalofNaturalDisasters，16(3)：24-28.(in Chinese)

[9]殷雪莲，董安祥，丁荣.张掖市降雹特征及短期预报[J].高原气象，2004，23(6)：804-809.

YIN Xue-lian，DONG An-xiang，DING Rong. (2004). Features and short-term forecast of hail in Zhangye City [J].PlateauMeteorology，23(6)：804-809.(in Chinese)

[10]李耀东，高守亭，刘建文.对流能量计算及强对流天气落区预报技术研究[J].应用气象学报，2004，15(1)：10-20.

LI Yao-dong，GAO Shou-ting，LIU Jian-wen. (2004). A calculation of convective energy and the method of severe weather forecasting [J].JournalofAppliedMeteorologicalScience，15(1)：10-20.(in Chinese)

[11]刘玉玲.对流参数在强对流天气潜势预测中的作用[J].气象科技，2003，31(3)：147-151.

LIU Yu-ling. (2003). A study of severe convective parameters and their potential predictability to severe convective storms [J].MeteorologicalScienceandTechnology，31(3)：147-151.(in Chinese)

[12]洪延超.冰雹形成机制和催化防雹机制研究[J].气象学报，1999，57(1)：30-44.

HONG Yan-chao. (1999). Study on mechanism of hail formation and hail suppression with seeding [J].ActaMeteorologica，57(1)：30-44.(in Chinese)

[13]许焕斌，段英.冰雹形成机制的研究并论人工雹胚与自然雹胚的"利益竞争"防雹假说[J].大气科学，2001，25(2)：277-288.

XU Huan-bin，DUAN Ying. (2001). The mechanism of hailstones formation and the hail suppression hypothesis beneficial competition [J].ChineseJournalofAtmosphericSciences，25(2)：277-288.(in Chinese)

[14]王柏忠，王广河，高宾勇.人工防雹的农业减灾效应[J].自然灾害学报，2009，18(2)：27-32.

WANG Bai-zhong，WANG Guang-he，GAO Bin-yong. (2009). Effect of hail suppression on Agricultural disaster [J].JournalofNaturalDisasters，18(2)：27-32.(in Chinese)

[15]马丽娟，张永福，罗江燕.新疆阿克苏地区耕地变化趋势及驱动力研究[J].干旱区资源与环境，2009，23(1)：29-33.

MA Li-juan，ZHANG Yong-fu，LUO Jiang-yan. (2009). Trend and driving forces of cultivated land use change in Akesu Region [J].JournalofAridLandResourcesandEnvironment，23(1)：29-33.(in Chinese)

[16]王莉，王万禹.阿克苏地区耕地资源变动与其影响因素的相关性研究[J].资源开发与市场，2013，29(1)：32-36.

WANG Li，WANG Wan-yu. (2013). Correlation study of change and influence factors of cultivated land resource in Akesu area [J].ResourceDevelopment&Market，29(1)：32-36.(in Chinese)

[17]中国气象局科技教育司.人工影响天气岗位培训教材[M].北京：气象出版社，2003：231-232.

Science and Technology Education Department of China Meteorological Administration. (2003).On-the-jobTrainingMaterialsofWeatherModification[M]. Beijing：Meteorological Press：231-232. (in Chinese)

[18]陈光学，段英，吴兑，等.火箭人工影响天气技术[M].北京：气象出版社，2008：193，198-199，316-317.

CHEN Guang-xue，DUAN Ying，WU Dui，et al. (2008).RocketWeatherModificationTechnology[M]. Beijing：Meteorological Press：193，198-199，316-317.(in Chinese)

[19] 叶家东，范蓓芬.人工影响天气的统计数学方法[M].北京：科学出版社，1982：137-152，161～162，339.

YE Jia-dong，FAN Pei-fen. (1982).StatisticalMathematicalMethodsofWeatherModification[M]. Beijing：Science Press：137-152，161-162，339.(in Chinese )

Fund project:Supported by special fund for science and technology research program in public welfare sector (GYHY201306047) and science and technology support program (TUHA201525)

Statistical Evaluation of Hail Suppression Effect in Akesu, Xinjiang

LI Bin，ZHENG Bo-hua，SHI Lian-mei，ZHU Si-hua

(Weather Modification Office of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830002, China)

【Objective】 To objectively evaluate the systematic differences of annual hailstorm areas before and after the scientifically carrying out artificial hail suppression period in Akesu in the hope of analyzing the effect.【Method】In this project, the sequence test, unpaired rank sum test and Welch test and other statistical methods were applied, the systematic differences of annual hailstorm areas before and after 18 a of the scientifically carrying out artificial hail suppression period in Akesu were analyzed with annual hailstorm areas data from 1978 - 2013 in Akesu with 1996 as the year of artificial hail suppression.【Result】The results showed that it is obvious that the hail disasters decreased after the operation of scientifically artificial hail suppression in Akesu. The non-parameter unpaired rank and inspection significance level was 0.05, and parametric Welch inspection significance level was as high as 0.01. The average annual hail area was reduced 15，063 hm2, and the relative loss rate was 43.14%. Combined with the agricultural economic data, the average annual reduction of hail disaster loss was 281,090,000 RMB, annual input and output ratio was 1∶6. The statistical significant level reachedα=0.1.【Conclusion】Therefore, after scientifically carrying out artificial hail suppression operations, it is obvious that hail disaster losses reduced and the social and economic benefits are great.

artificial hail suppression; statistical test; performance and effect evaluation; Akesu

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.05.021

2015-12-25

公益性行业(气象)科研专项经费项目(GYHY201306047)；科技支撑项目(TUHA201525)

李斌(1968-)，男，广东潮州人，推广研究员，研究方向为气象学，(E-mail)btlibin@126.com

S16

A

1001-4330(2016)05-0942-07