利用统计检验对比法对克拉玛依市冬季飞机人工增水作业效果再分析

郑博华，李圆圆，赵克明，兰文杰

（1.新疆人工影响天气办公室，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；3.克拉玛依市气象局，新疆 克拉玛依834000）

人工增雨，是指根据自然界降水形成的原理，人们为了补充某些形成降水的必要条件， 促进云滴迅速凝结或碰并增大成雨滴， 降落到地面的过程。 自20 世纪50 年代起美国就着手开展大规模人工增雨试验，时至今日仍保持年平均40 多架次飞机人工作业增雨实施方案， 同时期澳大利亚也相继开展飞机人工播撒干冰对层积云作业试验。目前，世界上已有超过90 个国家和地区先后加入了人工增雨的科技作业试验实施行列中， 随着高性能飞机的投入使用和播撒技术、装备不断升级改造，人工影响天气作业装备水平呈显著提高趋势[1-4]。 我国人工增水事业紧跟世界脚步，近年来，不断有成熟的现代化科技手段运用于人工增水作业业务工作中。孙锐等[5]结合我国人工影响天气地面作业空域申报系统， 实现地面作业空域直达申报，明显提升空域资源使用率；丁晓东等[6]利用2 a CLOUDSAT 和CALIPSO 卫星主动遥感资料分析我国西北3 个典型区域不同云类型的宏观及微观的垂直结构特征， 得到降水云的有效粒子半径随高度上升具有明显的递减趋势；王以琳等[7]选取2016 年6 月23 日人工增雨作业个例， 得出作业后作业云的基本反射率观测像元总数逐渐增加，催化对强度较小的雷达回波先起作用， 对作业层内垂直液态水含量的影响随高度增加而减小；王劲松等[8]利用1991—2002 年飞机人工增雨作业资料，得出3种甘肃降水的高空环流类型，即平直多波动型、西南气流型和西北气流型；李宗义等[9]选用甘肃省飞机人工增雨共计116 架次飞机资料样本， 对有利飞机人工增雨的天气系统进行了分类；曹玲等[10]利用多普勒雷达资料，分析了2005 年一次人工增雨降水过程的雷达回波特征， 认为在人工增雨作业共同影响下强度场、速度场具有混合性降水回波特征，并且在增雨催化阶段表现显著。

新疆作为21 世纪战略资源枢纽和欧亚大陆通道，国家在推进“一带一路”建设中，将新疆定位为“丝绸之路经济带上重要的交通枢纽、商贸物流和文化科教中心，打造丝绸之路经济带核心区”。 然而新疆的水资源短缺问题多年来一直受到各级政府的高度关注， 不少学者专家也致力于如何开发利用新疆空中云水资源，陈春艳等[12]从全疆逐时降水角度对云降水资源特征进行了研究分析， 进而在人工开发空中云水资源的问题上奠定了基础；高子毅等[11]得出了白杨河地形云降水效率较低，但最具增水潜力。

李斌等[26]已利用统计学方法对克拉玛依单站冬季飞机人工增水历史期31 a 和作业期29 a 开展了作业效果评估，得到自开展飞机人工增水作业以来，克拉玛依市冬季降水量有了明显增加， 相对增加率为24.5%。但1961—2010 年新疆面雨量线性趋势变化率[27]为172.9×108m3/10 a，其中北疆线性趋势变化率为49.4×108m3/10 a， 总体上北疆地区降水年际变化呈稳定增长趋势。 因此开展单站作业效果评估存在未考虑气候背景变化的因素， 为了去除这一自然变化增长影响， 更加科学准确地开展人工影响作业效果评估， 本文找到合理的对比区并进行对比分析与评估，使得检验准确度、可信度大幅提升。

1 研究区概况

克拉玛依市地处准噶尔盆地西部， 欧亚大陆的中心区域地貌大部分为戈壁滩，地形呈斜条状，南北长，东西窄。 克拉玛依市位于中纬度内陆地区，四季中，冬夏两季漫长，且温差大，春秋两季为过渡期，换季不明显，属典型的温带大陆性气候。 大风、冰雹等灾害天气频发。由于水资源对国民经济的重要性，自1988 年至今，每年冬季（11 月中旬至次年1 月中旬）租用一架飞机在北疆地区指定的作业区域进行飞机播撒液氮、干冰、碘化银等催化剂，以缓解日益加剧的水资源短缺问题。

2 资料与研究方法

2.1 资料

图1 对比区与目标区选择示意图

图1 是对比区与目标区选择示意图。 采用的区域回归分析方法中， 目标区和对比区的选定要求有3 点：（1）受人工催化影响的目标区应位于作业点的下风方向； 对比区位于目标区的上风方向或垂直于风向的侧面， 且不受催化影响；（2） 目标区地形、地貌、面积应与对比区大体相当；（3）二区样本的相关系数显著性应达到0.05 以上。通过计算，从对比区、目标区历史期12 月的降水量来看，历史相关系数为0.19，其拟合度值不高，因此本文并未采用区域回归分析方法。经分析，相关系数低的原因为塔城地区与克拉玛依地区所处的地理环境存在一定差异， 所以两地本身气候是有差异性的， 塔城地区位于山区西部的迎风坡，而克拉玛依属于山区东部的背风坡、准格尔盆地边缘， 迎风坡与背风坡的不同造成了降水量的差异。但是，本文之所以选取塔城作为对比区站点，一是因为塔城地区西部与哈萨克斯坦接壤，紧挨边境线，飞行作业区域无法覆盖，故塔城站未受到人工影响作业的“污染”，其二是两地属于同一天气系统， 由哈萨克斯坦东移的天气系统进入我国塔城地区，进一步东移过程中影响克拉玛依，塔城站可以作为这一区域气候背景变化的指标站。

克拉玛依区气象站（海拔高度456.6 m）和塔城气象站（海拔高度536.1 m） 分别建于1957 年和1953年，均属于国家基本站。 克拉玛依冬季飞机人工增水时段为每年11 月中旬至次年1 月中旬， 故选用经过新疆气象局信息中心校验后的塔城市、 克拉玛依市1961—2017 年12 月份降水量资料作统计。之所以没有选取11 月或1 月降水量资料， 是因为克拉玛依冬季实施飞机增水作业时间是每年的11 月中下旬左右至来年1 月中下旬左右，而这2 个月的飞机到达开始工作时间和飞机离开结束工作时间具有不确定性，只有每年12 月份在实施飞机人工增水作业。因此，本文只选取12 月份的降水量数据来做分析对比。

2.2 方法

统计检验、物理检验和数值模拟检验[28]为目前为止普遍使用的人工影响天气作业效果检验方法。本文采用的检验方法为对比统计检验。 利用非参数性不成对秩和检验法、序列试验法和t 检验法，以数理统计为基础进行显著性检验， 引入对比区分别对不同区域不同时期的平均降水量差值进行显著性对比检验。

利用1961—2017 年新疆塔城地区塔城站（对比区）、 克拉玛依市克拉玛依区气象站（目标区）57 a 12 月降水量资料，利用统计检验对比法，试图找寻作业前历史期27 a 和作业期30 a 的12 月降水量变化率的差异， 得出可能的自然天气过程增水量以及人工影响天气增水量。

农村基层动物防疫工作无论是疫苗、防疫设备、工作人员的培养、防疫技术的研发都需要大量的经费支持，若经费不足，则农村基层动物防疫工作效率和效果无法得到有效提升，因此基层动物防疫部门必须做好经费投入的准备，加强防疫部门的建设，从技术研发、技术引入、人员培养、疫苗运储等多个方面全面提高农村基层防疫工作效率和效果。

3 结果及分析

3.1 不成对秩和检验法

秩和检验在文献上又称为W-M-W 检验法，由Wilcoxon 于1945 年提出，秩和检验法属于非参数性检验法并在人工影响天气试验的效果检验中广为应用[29]。 不成对秩和检验即比较2 个总体A（x）和B（x）， 分别从中独立选取2 个容量为n1和n2的随机样本（n1≠n2）：a1，a2，…an1；b1，b2，…bn2。 即原假设H0：两个总体相等，则A（x）=B（x）；否则接受假设H1，即人工降水有显著效果。

本文分别对对比区和目标区的历史期27 a 与作业期30 a 的12 月降水量按从小到大顺序进行排列计算。 采取历史期27 a（容量小于作业期30 a）的秩和进行比较[29]。由此得到自1988 年起开展飞机人工增水作业后样本容量为n2=30，n1=27。

当n1>10，n2>10 时，利用正态分布检验计算数值u：

若采用双边检验，u ∈（-1.96，+1.96），差异性不显著； 反之， 差异性显著，α=0.05。 单边检验时，若u∈[1.64， +∞）∪（-∞，-1.64]；差异性显著，α=0.05；反之则不显著[19]。

在飞机人工作业增水中， 无论是人工增量还是自然增量，只考虑降水的增加与否，而不考虑减少的情况，因此使用单边检验即可；且若样本B 比样本A显著地增加，则u 为负值区间。通过计算得T对=694，T目=657，一并将n1=27，n2=30 代入上式，得出：u对≈-1.422，u目≈-2.014。 不难看出u对>-1.64，而u目<-1.64，即开展人工增水作业后，目标区降水增量明显，显著性高于0.05。 通过查表得，α目≈0.025。

3.2 序列试验法

该方法主要依托对比区、 目标区降水量历史资料，分别统计不同时期的逐月降水量，计算对比区、目标区的历史期与作业期平均降水量差异。 然后根据对比区和目标区降水量变化情况， 得出不同区域增水量的效果评估值。

塔城站（对比区）12 月份降水量有27 a 的历史期资料， 即对比区历史期12 月平均降水量为=21.64 mm； 作业期（30 a）12 月平均降水量为=29.01 mm。 即可认为自然降水的绝对增加值为：； 相对增加率为100%≈34.06%。

克拉玛依站（目标区）12 月份降水量有27 a 的历史期资料，即目标区历史期12 月平均降水量为=4.58 mm；作业期（30 a）12 月平均降水量为=6.67 mm。 则开展飞机人工增水作业后的绝对增加值为：相对增加率为100%≈45.63%。

虽然在绝对增加值上目标区远不及对比区，但从相对增加率可以明显看出， 开展人工增水作业后目标区大于对比区，增水率高出11.57%。

3.3 t 检验法

t 检验法是一种参数性检验法。 在总体是正态分布的前提下，小样本（n 不超过30）的检验可用t检验法，并要求作业前后不改变统计变量的方差[29]。在目标区开展飞机增水作业以来， t 检验法即采用历史期样本和作业期样本两者平均数的变化值作为条件来判定差值相关显著性。 由于在人工作业增水中只关注降水量的增加与否（不考虑减少），因此一般选择单边t 检验。

3.3.1 统计变量与Jarque-Bera 方法

分别选取1961—2017 年塔城站、 克拉玛依站12 月降水量分别作为统计变量。在进行参数估计和假设检验时，通常总是假定总体服从正态分布，在大多数情况下这个假定是合理的， 但确有必要对这个假设进行检验，Jarque-Bera 方法利用正态分布构造一个包含g1，g2的分布统计量（自由度n=2），对于显著性水平，当分布统计量小于分布的分位数时，接受H0：总体服从正态分布；否则拒绝H0，即总体不服从正态分布。 经过计算检验4 组数据源服从正态分布（图2）。

3.3.2 方差检验

图2 目标区（a、b）、对比区（c、d）历史期与作业期正态分布

利用F检验法，分别对不同区域（对比区、目标区）的不同时期（1961—1987、1988—2017）逐年12月降水量数值的方差变化进行显著性检验。 通过计算得出对比区历史期方差自由度为v1=27-1=26；对比区作业期方差自由度为v2=30-1=29；目标区历史期方差自由度为v1=27-1=26；目标区作业期方差自由度为v2=30-1=29。 具有参数v1、v2的F-变量满足通过计算得F对≈1.814 5，F目≈1.097 9， 均小于给定值F0.01=1.87（α=0.01），F对、F目表明无论是对比区还是目标区均未改变总体方差。

3.3.3 t 检验法

在通过Jarque-Bera 正态分布检验和F 方差检验之后， 可使用t检验法对二者不同区域进行人工作业增水量进行检验。分别使用对比区、目标区历史期12 月降水量的平均值作为作业期12 月降水量平均值的期待值，计算结果见表1。

通过计算得出：t对=1.646 8，t目=1.968 6， 单边检验，t对显著性小于t0.05=1.672 5， 显著性＜0.05， 接近0.055，可认为符合自然气候降水增长变化；而t目显著性远大于t0.05=1.672 5，显著性＞0.05，故开展人工作业增水量效果显著，显著性水平接近0.025。

取置信水平α=90%，利用如下公式可推算出区间：

表1 对比区、目标区年12 月降水量作为统计变量的样本差值的显著性检验结果

4 讨论与结论

在全球气候变暖等复杂气候背景因素影响下，导致自然降水变化差异， 引起时空分布变化缺少规律性，从而加强了人工催化效果的虚假“信号”，就目前来说， 对统一区域较长时序的增水量增量进行效果评估时， 统计检验方法依然是效果检验中最为可行的方法。 本文以塔城站（对比区）、克拉玛依站（目标区）历年12 月降水量为统计变量，对开展冬季飞机人工增水30 a 来增水效果进行了对比分析与评估，结论如下：

（1）运用非参数性不成对秩和检验方法，在开展冬季飞机人工增水后，对比区显著性水平低于0.05，而目标区显著性水平却接近0.025； 使用序列试验法， 分别计算出对比区绝对增加量与相对增加率为7.37 mm 和34.06%， 目标区为2.09 mm 和45.63%。虽然在绝对增加值上目标区远不及对比区， 但从相对增加率可以明显看出， 开展飞机人工增水后目标区降水量增加率大于对比区，相差11.57%。 由于对比站点塔城站未受催化作业影响， 它的变化可暂认为是由于气候变化所引起的。因此，可得目标区增水作业效果为11.57%。

（2）使用t 检验法，计算对比区t 显著性＜0.05，而目标区t 显著性远＞0.05， 接近0.025。可认为克拉玛依市降水量增量效果显著。设定统计α=90%的置信区间，在开展冬季飞机增水后，对比区平均年12月降水量绝对增加值为3.57 mm， 相对增加率为16.5%，反观目标区绝对增加值为1.19 mm，而相对增加率为26.0%，高出对比区9.5%。

（3）本文使用3 种统计分析方法（非参数性不成对秩和检验方法、序列试验法、t 检验法），通过找到合理的对比区， 对克拉玛依冬季开展飞机人工增水作业效果进行了一定程度上科学分析和客观定量地评估， 为一些开展增水工作的地区效果评估工作提供了一些技术方案借鉴。

（4）人工影响天气作业效果检验是世界性难题，关键在于没有一种方法能给出完全确定的效果。 但作业效果检验又是人工影响天气工作中必不可少的、难以回避的、最终的重要环节。 本文利用近60 a的降水资料综合多种统计方法分析了克拉玛依人工影响天气作业30 a 的增雨效果，并与塔城站进行对比分析和差异评估。 结果发现克拉玛依人工增雨作业取得可信的正效果， 结果对人工影响天气作业的开展具有支持作用， 但气候变化背景下不同区域降水量的变化规律存在差异是客观存在的事实， 这种差异是否为开展人影作业， 人影作业多大程度上产生增水效果，是需要进一步研究的问题。未来还应结合卫星云图、云雷达、多普勒雷达以及双偏振雷达等相关参数信息开展物理参数检验方法， 进一步论证统计分析方法在人工增水作业中效果的评估， 进一步科学定量识别人影作业效果。