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摘要 周口市作为河南省产粮大市，近年来干旱频发，因此以抗旱为目的的人工增雨作业量不断加大。为更好地对增雨效果进行评估，对比分析物理检验、数值模拟检验和统计检验3种人工增雨作业效果评估基本方法，综合分析3种方法利弊。结果表明，周口市目前采用的效果评估方法是第3种，即统计检验，具体检验评估方法是随机化过程中的区域随机交叉对比试验方法。详细阐述了该方法的具体实施及计算，并对周口市2016年4月5日一次作业过程进行了科学评估，计算结果表明，此次作业共为周口市增加雨量701万t，增雨效果较为显著。
关键词 人工增雨；效果评估；随机化；非随机化；区域对比；河南周口
中图分类号 P481 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）24-0195-03
Evaluation Method of Artificial Precipitation Operation Effect in Zhoukou City
KONG Qing-wei SHEN Xiao-qing
（Zhoukou Meteorological Bureau in Henan Province，Zhoukou Henan 466000）
Abstract Zhoukou City is the a big grain-producing city in Henan Province，and drought occurred frequently in recent years，so the amount of artificial rainfall for the purpose of drought resistance has been increasing. In order to evaluate the effect of rainfall enhancement，this paper compared the three basic methods of physical assessment，numerical simulation test and statistical test，and analyzed the advantages and disadvantages of the three methods.Results showed that the effect evaluation method adopted at present was statistical test，which was a regional random cross-comparison experimental method in randomized process. In this paper，the concrete implementation and calculation of this method were described in detail. With this method，the operation process of Zhoukou City on April 5th，2016 was evaluated scientifically. The results showed that this operation increased the rainfall by 7.01 million tons，the rainfall effect was significant.
Key words artificial precipitation；effect evaluation；randomization；non-randomized；regional comparison；Zhoukou Henan
周口市位于河南省东南部，属黄淮平原，海拔高度为35.5～64.3 m，总面积1.07万km2（以下均不含省管县鹿邑），人口逾1 100万人，耕地面积100万hm2左右，是河南省第一产粮大市、全国粮食生产先进市、国家重要的商品粮生产基地。但由于周口市地处南北气候过渡带，气象条件复杂多变，旱、涝、风、雹、霜冻等自然灾害频繁，尤以干旱为重，对农业生产造成了非常不利的影响。特别是在全球变暖的背景下，旱涝灾害往往是交替出现，防汛抗旱、防灾减灾形势异常严峻，已成为制约周口市农业生产、经济发展和社会安定的重要因素之一。
人工影响天气地面作业以增雨、增雪为主，作业器具主要采用高炮和火箭。随着近年来作业量不断加大，人工增雨作业效果的科学评估日渐成为一个重要研究课题。
1 人工增雨作业效果检验与评估方法
人工影响天气作业效果检验与评估是云和降水科学研究的重要组成部分，也是本学科领域一项亟待解决的研究性和业务性难题。目前，国内外主要采用物理检验、数值模拟检验和统计检验3种基本方法，并且科学的效果检验也已从以往单纯的一种检验方法向物理检验、数值模拟检验和统计检验相结合的综合性检验方法发展[1]。
1.1 物理檢验与评估
物理检验可以提供验证人工影响天气科学概念和作业技术方法的直观信息，为评估人工影响天气的作业效果提供物理学证据。物理检验的作用主要包括2个方面：一方面是借助观测手段验证对云施加影响后所期望发生的一系列物理过程是否发生；另一方面是为统计检验提供物理学证据。只有通过周密的设计和全方位的监测才能使物理检验所提供的信息具有更高的价值。为此，在进行物理检验时，需对自然云物理本地特征及自然变率加强监测和研究。
物理检验具体检验内容主要包括云的宏观特征变化、云微物理参数变化、示踪物与降水化学响应等，主要借助气象卫星、气象雷达、飞机、探空气球以及照相或录像等技术手段，观测采集资料进行分析对比。该方法可以为人工增雨作业效果定性分析提供物理证据，但无法给出定量的结果，加之目前各种观测指标容易受到多种因素制约，精准度存在较大自然变差，所以周口市目前没有采用该检验方法。 1.2 数值模拟方法与评估
数值模拟方法评估人工增雨作业的效果，首先是根据云和降水的宏观动力学和微物理学过程，建立一套能够较真实地模拟自然云和降水在各种条件下发展过程的数值模式，然后根据人工影响天气播云理论与假说在模式中合理地描述人工催化的作用[2]。
数值模拟在人工增雨作业效果评估中主要起2个作用：一是优化试验方案设计，预测目标云的可播性，选择合适的作业器具及技术方法，提高播云催化试验的预见性、科学性，从而避免盲目性；二是定量预测催化与不催化情况下云和降水的发展与演变，并与实际观测结果对比，从而判断出人工影响天气作业的效果。
现阶段，由于对云和降水自然规律以及人工催化影响机制了解的还不够深入，当下的数值模式产品对实际云和降水过程做了相当大的简化，还不够完善，用于直接定量地预报云和降水结构、发展与演变过程仍然较为困难，所以数值模式目前还不能作为一种十分可靠的效果检验手段来应用。
1.3 统计检验与评估
增雨效果的统计检验以地面降水量为统计变量，由于降水量在时空分布上存在巨大差异，使得运用统计方法时试图在降水自然起伏背景上对影响区或作业云的自然降水量作出客观和定量的估计[3]。
对于统计检验，目前国际科学界普遍接受的是随机化对比试验，这种方案是经过严格科学设计来实施的效果检验，原则上可以做到符合随机抽样规则，定量地检验出效果并指明其可靠程度。但由于这类试验需要放弃1/2左右的作业机会，人们在抗旱增雨的业务实践中难以接受，因此国内人工增雨作业大多为非随机化试验[4]。现有的非随机化试验方案有序列试验、区域对比试验、区域历史回归试验、区域控制模拟试验、基于聚类的浮动对比区回归统计检验方案、复随机化试验、区域趋势双比分析方案等，但上述几种非随机化试验进行效果检验也面临着若干问题：一是自然降水预报的精度不能满足效果检验的要求。人工增雨催化效果△R=R催-R自，其中R催为催化后催化云或影响区实测降雨量，它包括人工影响的效果和自然降水R自的部分，可以通过地面雨量站实测得到，但R自无法通过实测获得。由于目前还无法对自然降水做出准确的定量预报，因此该方法开展实施仍较困难。二是非随机化试验的功效、准确度、灵敏度低，影响效果统计检验的客观性和科学性。
2 周口市常用的人工增雨效果评估方法
2.1 人工增雨效果评估方法的选取
周口上空处于双十字线航道交叉口，据不完全统计，每天经过周口上空的飞机约1 200架次，并且距离新郑机场较近，飞机飞行高度相对较低。这些不利因素很大程度上限制了周口市人工增雨作业空域申请及批复，同时由于所辖县（市）较多，很多时候周口市人工增雨作业采用分批次、多时段模式进行。由于所辖县（市）作业区域存在时间差，目标区域选取在一定程度上比较接近随机过程。结合近年来实际作业情况，对比分析3种不同的效果评估方法的利弊，周口市目前常用的仍是随机化过程中的区域随机交叉对比试验方法。
区域随机交叉对比试验方法[5]要求不考虑地形的影响，雨量分布均匀且雨强小、云内上升气流小、云层较为稳定。由于周口地处平原地带，地形起伏较小，基本可以忽略地形对降水的影响。同时，考虑到作业时的天气过程大多为相对稳定的层状云降水，因此在对比区域的选取上周口相对较为自由灵活。除了人工催化这一因素外，其他因子对降水贡献没有系统性的误差。通过催化区域和未催化区域比较，如果这2组区域观测到雨量有明显的差异，就可以归因于人工增雨作业带来的效果。
2.2 区域随机交叉对比试验计算方法
2.2.1 对比区和影响区的选取。影响区是指受到人工催化作业影响的地区，一般位于人工催化作业的作业点下风方向。影响区的大小取决于很多因素，如火箭发射的仰角与方位角、高空引导风的风向与风速、催化剂的影响时间等[6]。
对比区是指不受人工催化作业影响的地区，通常对比区的选择要满足以下要求：不受人工催化作业影响，与影响区地形相似，作业期2个区所受影响的天气系统以及降水类型相似，两区均应有较稠密的自动雨量站。
2.2.2 对比区和影响区平均雨量R对和R影。目前，周口市自动雨量站分布较广，采用区域内雨量站雨量算数平均更具有说服力，具体计算公式如下：
R对=■■ri
R影=■■ri
一般催化剂有效作用时间定为3 h，因此ri为作业3 h后所选区域内各雨量站点雨量值。
2.2.3 计算增雨量。计算出对比区和影响区平均雨量R对和R影，令影响区面积为S，W为影响区增加的雨水量，那么W计算公式如下：
W=（R影-R对）×S
2.3 周口市人工增雨作业效果评估实例分析
2016年4月5日8：00起周口市有冷锋云系自西南向东南移动，移速约为30 km/h，逐步开始影响周口市。15：00，云中局部具有丰富的液水含量，光学厚度最大可达40，云顶温度局部最低约为-40 ℃。根据以上分析预测5日18：00至6日8：00，云系将主要影响周口市南部、西南部地区，并逐渐向东南方向移动。云顶温度较低，云光学厚度较大，云垂直发展密实，云中可能有过冷水，都有一定的地面增雨条件。4月5日，周口市人影办组织全市积极做好人工增雨作业准备，预设作业点地理分布见图1。
结合有利天气形势及空域批复情况，周口市项城、淮阳、西华、沈丘4个县（市）成功开展了人工增雨作业，对比天气发展过程，取上游商水和郸城分别为对比区，项城和沈丘为有效影响区，具体见图2。
按照上述计算方法，在A区域和B区域内分别取6个自动站雨量值算术平均得平均雨量R对A和R影A，R对B和R影B，计算结果见表1。
对比分析可知，4月5日夜间周口市人工增雨作业2个区域共增加雨量701万t，增雨效果较为显著。
3 结语
本文采取的区域随机交叉对比试验计算方法的前提是假定作业期间自然雨量的空间分布统计上是均匀的，这与实际发生的自然降雨有区别，存在一定的局限性[7]，但计算结果在很大程度上能反映高炮、火箭作业效果，仍不失为目前評估人工增雨作业效果的一种简单可行的方法。
4 参考文献
[1] 邓北胜.人工影响天气技术与管理[M].北京：气象出版社，2011：138-152.
[2] 张蔷，郭恩铭.人工影响天气实验研究和应用[M].北京：气象出版社，2011：78-82.
[3] 于丽娟.人工增雨效果物理检验适用方法研究和个例分析[D].北京：中国气象科学研究院，2009：32-35.
[4] 王婉，姚展予.2006年北京市人工增雨作业效果统计分析[J].高原气象，2009，28（1）：101-105.
[5] 柳岳清，周国华，邓霞君，等.单次火箭人工增雨作业效果评估方法探析[J].北京：中国学术期刊电子出版社，2010：29-33.
[6] 冯正勇，安慧文.宝坻区人工增雨作业效果评估方法[J].农业与技术，2012，32（6）：41-45.
[7] 江帆，肖秀珠，张薇，等.2014年棉花滩水库流域人工增雨作业效果评估[J].水利科技，2015（1）：36-39.
关键词 人工增雨；效果评估；随机化；非随机化；区域对比；河南周口
中图分类号 P481 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）24-0195-03
Evaluation Method of Artificial Precipitation Operation Effect in Zhoukou City
KONG Qing-wei SHEN Xiao-qing
（Zhoukou Meteorological Bureau in Henan Province，Zhoukou Henan 466000）
Abstract Zhoukou City is the a big grain-producing city in Henan Province，and drought occurred frequently in recent years，so the amount of artificial rainfall for the purpose of drought resistance has been increasing. In order to evaluate the effect of rainfall enhancement，this paper compared the three basic methods of physical assessment，numerical simulation test and statistical test，and analyzed the advantages and disadvantages of the three methods.Results showed that the effect evaluation method adopted at present was statistical test，which was a regional random cross-comparison experimental method in randomized process. In this paper，the concrete implementation and calculation of this method were described in detail. With this method，the operation process of Zhoukou City on April 5th，2016 was evaluated scientifically. The results showed that this operation increased the rainfall by 7.01 million tons，the rainfall effect was significant.
Key words artificial precipitation；effect evaluation；randomization；non-randomized；regional comparison；Zhoukou Henan
周口市位于河南省东南部，属黄淮平原，海拔高度为35.5～64.3 m，总面积1.07万km2（以下均不含省管县鹿邑），人口逾1 100万人，耕地面积100万hm2左右，是河南省第一产粮大市、全国粮食生产先进市、国家重要的商品粮生产基地。但由于周口市地处南北气候过渡带，气象条件复杂多变，旱、涝、风、雹、霜冻等自然灾害频繁，尤以干旱为重，对农业生产造成了非常不利的影响。特别是在全球变暖的背景下，旱涝灾害往往是交替出现，防汛抗旱、防灾减灾形势异常严峻，已成为制约周口市农业生产、经济发展和社会安定的重要因素之一。
人工影响天气地面作业以增雨、增雪为主，作业器具主要采用高炮和火箭。随着近年来作业量不断加大，人工增雨作业效果的科学评估日渐成为一个重要研究课题。
1 人工增雨作业效果检验与评估方法
人工影响天气作业效果检验与评估是云和降水科学研究的重要组成部分，也是本学科领域一项亟待解决的研究性和业务性难题。目前，国内外主要采用物理检验、数值模拟检验和统计检验3种基本方法，并且科学的效果检验也已从以往单纯的一种检验方法向物理检验、数值模拟检验和统计检验相结合的综合性检验方法发展[1]。
1.1 物理檢验与评估
物理检验可以提供验证人工影响天气科学概念和作业技术方法的直观信息，为评估人工影响天气的作业效果提供物理学证据。物理检验的作用主要包括2个方面：一方面是借助观测手段验证对云施加影响后所期望发生的一系列物理过程是否发生；另一方面是为统计检验提供物理学证据。只有通过周密的设计和全方位的监测才能使物理检验所提供的信息具有更高的价值。为此，在进行物理检验时，需对自然云物理本地特征及自然变率加强监测和研究。
物理检验具体检验内容主要包括云的宏观特征变化、云微物理参数变化、示踪物与降水化学响应等，主要借助气象卫星、气象雷达、飞机、探空气球以及照相或录像等技术手段，观测采集资料进行分析对比。该方法可以为人工增雨作业效果定性分析提供物理证据，但无法给出定量的结果，加之目前各种观测指标容易受到多种因素制约，精准度存在较大自然变差，所以周口市目前没有采用该检验方法。 1.2 数值模拟方法与评估
数值模拟方法评估人工增雨作业的效果，首先是根据云和降水的宏观动力学和微物理学过程，建立一套能够较真实地模拟自然云和降水在各种条件下发展过程的数值模式，然后根据人工影响天气播云理论与假说在模式中合理地描述人工催化的作用[2]。
数值模拟在人工增雨作业效果评估中主要起2个作用：一是优化试验方案设计，预测目标云的可播性，选择合适的作业器具及技术方法，提高播云催化试验的预见性、科学性，从而避免盲目性；二是定量预测催化与不催化情况下云和降水的发展与演变，并与实际观测结果对比，从而判断出人工影响天气作业的效果。
现阶段，由于对云和降水自然规律以及人工催化影响机制了解的还不够深入，当下的数值模式产品对实际云和降水过程做了相当大的简化，还不够完善，用于直接定量地预报云和降水结构、发展与演变过程仍然较为困难，所以数值模式目前还不能作为一种十分可靠的效果检验手段来应用。
1.3 统计检验与评估
增雨效果的统计检验以地面降水量为统计变量，由于降水量在时空分布上存在巨大差异，使得运用统计方法时试图在降水自然起伏背景上对影响区或作业云的自然降水量作出客观和定量的估计[3]。
对于统计检验，目前国际科学界普遍接受的是随机化对比试验，这种方案是经过严格科学设计来实施的效果检验，原则上可以做到符合随机抽样规则，定量地检验出效果并指明其可靠程度。但由于这类试验需要放弃1/2左右的作业机会，人们在抗旱增雨的业务实践中难以接受，因此国内人工增雨作业大多为非随机化试验[4]。现有的非随机化试验方案有序列试验、区域对比试验、区域历史回归试验、区域控制模拟试验、基于聚类的浮动对比区回归统计检验方案、复随机化试验、区域趋势双比分析方案等，但上述几种非随机化试验进行效果检验也面临着若干问题：一是自然降水预报的精度不能满足效果检验的要求。人工增雨催化效果△R=R催-R自，其中R催为催化后催化云或影响区实测降雨量，它包括人工影响的效果和自然降水R自的部分，可以通过地面雨量站实测得到，但R自无法通过实测获得。由于目前还无法对自然降水做出准确的定量预报，因此该方法开展实施仍较困难。二是非随机化试验的功效、准确度、灵敏度低，影响效果统计检验的客观性和科学性。
2 周口市常用的人工增雨效果评估方法
2.1 人工增雨效果评估方法的选取
周口上空处于双十字线航道交叉口，据不完全统计，每天经过周口上空的飞机约1 200架次，并且距离新郑机场较近，飞机飞行高度相对较低。这些不利因素很大程度上限制了周口市人工增雨作业空域申请及批复，同时由于所辖县（市）较多，很多时候周口市人工增雨作业采用分批次、多时段模式进行。由于所辖县（市）作业区域存在时间差，目标区域选取在一定程度上比较接近随机过程。结合近年来实际作业情况，对比分析3种不同的效果评估方法的利弊，周口市目前常用的仍是随机化过程中的区域随机交叉对比试验方法。
区域随机交叉对比试验方法[5]要求不考虑地形的影响，雨量分布均匀且雨强小、云内上升气流小、云层较为稳定。由于周口地处平原地带，地形起伏较小，基本可以忽略地形对降水的影响。同时，考虑到作业时的天气过程大多为相对稳定的层状云降水，因此在对比区域的选取上周口相对较为自由灵活。除了人工催化这一因素外，其他因子对降水贡献没有系统性的误差。通过催化区域和未催化区域比较，如果这2组区域观测到雨量有明显的差异，就可以归因于人工增雨作业带来的效果。
2.2 区域随机交叉对比试验计算方法
2.2.1 对比区和影响区的选取。影响区是指受到人工催化作业影响的地区，一般位于人工催化作业的作业点下风方向。影响区的大小取决于很多因素，如火箭发射的仰角与方位角、高空引导风的风向与风速、催化剂的影响时间等[6]。
对比区是指不受人工催化作业影响的地区，通常对比区的选择要满足以下要求：不受人工催化作业影响，与影响区地形相似，作业期2个区所受影响的天气系统以及降水类型相似，两区均应有较稠密的自动雨量站。
2.2.2 对比区和影响区平均雨量R对和R影。目前，周口市自动雨量站分布较广，采用区域内雨量站雨量算数平均更具有说服力，具体计算公式如下：
R对=■■ri
R影=■■ri
一般催化剂有效作用时间定为3 h，因此ri为作业3 h后所选区域内各雨量站点雨量值。
2.2.3 计算增雨量。计算出对比区和影响区平均雨量R对和R影，令影响区面积为S，W为影响区增加的雨水量，那么W计算公式如下：
W=（R影-R对）×S
2.3 周口市人工增雨作业效果评估实例分析
2016年4月5日8：00起周口市有冷锋云系自西南向东南移动，移速约为30 km/h，逐步开始影响周口市。15：00，云中局部具有丰富的液水含量，光学厚度最大可达40，云顶温度局部最低约为-40 ℃。根据以上分析预测5日18：00至6日8：00，云系将主要影响周口市南部、西南部地区，并逐渐向东南方向移动。云顶温度较低，云光学厚度较大，云垂直发展密实，云中可能有过冷水，都有一定的地面增雨条件。4月5日，周口市人影办组织全市积极做好人工增雨作业准备，预设作业点地理分布见图1。
结合有利天气形势及空域批复情况，周口市项城、淮阳、西华、沈丘4个县（市）成功开展了人工增雨作业，对比天气发展过程，取上游商水和郸城分别为对比区，项城和沈丘为有效影响区，具体见图2。
按照上述计算方法，在A区域和B区域内分别取6个自动站雨量值算术平均得平均雨量R对A和R影A，R对B和R影B，计算结果见表1。
对比分析可知，4月5日夜间周口市人工增雨作业2个区域共增加雨量701万t，增雨效果较为显著。
3 结语
本文采取的区域随机交叉对比试验计算方法的前提是假定作业期间自然雨量的空间分布统计上是均匀的，这与实际发生的自然降雨有区别，存在一定的局限性[7]，但计算结果在很大程度上能反映高炮、火箭作业效果，仍不失为目前評估人工增雨作业效果的一种简单可行的方法。
4 参考文献
[1] 邓北胜.人工影响天气技术与管理[M].北京：气象出版社，2011：138-152.
[2] 张蔷，郭恩铭.人工影响天气实验研究和应用[M].北京：气象出版社，2011：78-82.
[3] 于丽娟.人工增雨效果物理检验适用方法研究和个例分析[D].北京：中国气象科学研究院，2009：32-35.
[4] 王婉，姚展予.2006年北京市人工增雨作业效果统计分析[J].高原气象，2009，28（1）：101-105.
[5] 柳岳清，周国华，邓霞君，等.单次火箭人工增雨作业效果评估方法探析[J].北京：中国学术期刊电子出版社，2010：29-33.
[6] 冯正勇，安慧文.宝坻区人工增雨作业效果评估方法[J].农业与技术，2012，32（6）：41-45.
[7] 江帆，肖秀珠，张薇，等.2014年棉花滩水库流域人工增雨作业效果评估[J].水利科技，2015（1）：36-39.