幾種人工增雨效果檢驗方法分析

徐冬英，張中波，唐林，王治平

（湖南省人工影響天氣領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，湖南長沙410007）

前言

人工增雨效果檢驗是評估人工增雨技術(shù)總體科學(xué)水平和經(jīng)濟(jì)效益所不可缺少的重要環(huán)節(jié)，也是用于各級領(lǐng)導(dǎo)決策的重要依據(jù)。由于云和降水自然變率大，人們的認(rèn)識能力有限，人工增雨效果檢驗一直是個世界性的難題。為了解決這一問題，國外和我國各省、市、自治區(qū)人影業(yè)務(wù)科技人員進(jìn)行了大量的科學(xué)試驗研究，得出了一些檢驗方法［1-7］。湖南省人工影響天氣指揮中心在前人研究的基礎(chǔ)上，嘗試?yán)媒y(tǒng)計學(xué)方法，建立一種新的效果檢驗方法并在實踐中得到了應(yīng)用。

1 效果檢驗的基本方法

所謂人工增雨的效果評估就是要使用一定方法找出作業(yè)后的實測降水量B與自然發(fā)展云的自然降水量C的差值A(chǔ)，即A=B-C。B值在作業(yè)后我們可以實際觀測到。但在現(xiàn)有的科學(xué)基礎(chǔ)上，人們卻很難對C做出明確的定量預(yù)報。也就是說人工增雨的效果評估關(guān)鍵在于解決C的問題上。對于C，目前也只能通過各種間接的途徑來獲得。對估計值C的可信度的檢驗，稱之為效果檢驗。

自然降水量C的估計值要比實測雨量困難得多。也就是說，人工增雨的效果檢驗，實質(zhì)上就是采用某種方法對云如果不催化、本身可以降的雨量進(jìn)行定量估計的問題。目前國內(nèi)外常用的人工增雨檢驗效果的方法有三種，即：統(tǒng)計檢驗、物理檢驗和數(shù)值模式檢驗。

1.1 統(tǒng)計檢驗

人工增雨效果檢驗常用的方法是統(tǒng)計分析方法，它是以地面降水量為統(tǒng)計變量。早期檢驗方法采用的是簡單的雨量對比分析，逐步發(fā)展為雨量的統(tǒng)計檢驗。即對實測催化雨量與統(tǒng)計推斷雨量之間的差值進(jìn)行統(tǒng)計檢驗，找出由于降水的自然變差和估計值的隨機(jī)誤差引起的差異的可能性有多大［8-11］。若這種可能性很大，我們就沒有理由認(rèn)為人工催化顯著地改變了實際雨量，即效果不顯著；若這種可能性很小，例如小于5%，則認(rèn)為人工催化效果顯著。這種可能性的大小通常稱為顯著性水平或顯著度。所有的統(tǒng)計分析方法無論是隨機(jī)還是非隨機(jī)的試驗都是試圖在降水自然起伏背景上對作業(yè)區(qū)或作業(yè)云的自然降水做出客觀定量的估計。

所謂隨機(jī)試驗是把符合事先規(guī)定催化條件的機(jī)會原則分成2組：一組催化，一組不催化，并互為對比。此時2組樣本中統(tǒng)計量的差異，可歸因于催化的作用。統(tǒng)計學(xué)家認(rèn)為只有隨機(jī)試驗才能符合科學(xué)客觀的要求。20世紀(jì)60年代以來美、俄、以色列、烏克蘭等國家進(jìn)行了長期大量隨機(jī)化穩(wěn)定的人工降水試驗［12］。這些試驗，除了一部分因自然變化大、試驗周期短、樣本不足，沒有得出統(tǒng)計顯著的結(jié)果外，得到了人工增加雨量10%～30%的統(tǒng)計證據(jù)。但是，隨機(jī)試驗的最大缺點是放棄一部分適合作業(yè)的機(jī)會，且試驗周期相當(dāng)長，不適合于抗旱、蓄水等生產(chǎn)性人工影響天氣作業(yè)，實際很難實現(xiàn)。目前普遍采用的方法為非隨機(jī)試驗，它適用于生產(chǎn)性的人工增雨作業(yè)。

1.2 物理檢驗

單純的雨量統(tǒng)計檢驗具有“黑箱”的性質(zhì)，它不能證明催化和雨量變化的物理因果關(guān)系，統(tǒng)計分析結(jié)果也缺乏客觀性。20世紀(jì)80年代以來科學(xué)界對效果檢驗，要求獲取催化作用的物理證據(jù)，要檢驗催化是否造成了一系列的物理變化，如冰晶和降水粒子增多；云中溫度和上升速度增大等，直到地面雨量增多，這被稱為物理檢驗?？紤]到這些物理量本身也有較大的自然變化，其催化效果也應(yīng)采用統(tǒng)計分析方法，故又稱為物理統(tǒng)計方法。由于監(jiān)測通信技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)載、地基等云降水探測設(shè)備的不斷完善，使物理統(tǒng)計檢驗得以實施。人們可以準(zhǔn)確地預(yù)測具體云條件下和具體催化技術(shù)的物理效果，雖然不夠精確，但能指示催化改變的物理量及其改變時間、空間和數(shù)量的大致范圍，利于效果檢驗的設(shè)計和運行。

效果的物理檢驗方法可為效果統(tǒng)計檢驗方法提供物理依據(jù)，但這種方法無法給出定量效果。

1.3 數(shù)值模式檢驗

隨著氣象學(xué)家對云、降水和人工影響天氣原理的進(jìn)一步認(rèn)識和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一種新的效果評價方法也應(yīng)運而生，即數(shù)值模式檢驗方法。該方法是建立在云和降水宏觀動力過程、微物理學(xué)過程及人工影響天氣原理基礎(chǔ)上，針對不同問題，建立一套描述云和降水過程的方程組，采用適當(dāng)?shù)牟罘址桨?，利用計算機(jī)求解。這是一種客觀分析方法，是效果檢驗的基本途徑。然而，目前人們對云和降水自然規(guī)律以及人工影響天氣的機(jī)理認(rèn)識還不十分清楚，為了計算，對模式本身做了大量的簡化，模式的差分設(shè)計還不夠完善，用于直接定量預(yù)報降水量及云體變化還比較困難，因此，這種方法作為人工增雨效果檢驗的手段還不十分可靠，有待進(jìn)一步完善。

2 常用的增雨效果統(tǒng)計檢驗方法

目前國內(nèi)外較為公認(rèn)的增雨效果統(tǒng)計檢驗方法有以下幾種。

2.1 序列試驗

最簡單的統(tǒng)計檢驗方法是序列試驗。這種方法的要點是根據(jù)目標(biāo)區(qū)雨量歷史資料，求出該地區(qū)相應(yīng)于試驗期的歷史平均雨量，以此作為試驗期自然降水量的估計值，然后與實測雨量比較，得出人工影響的效果估計量。它是建立在假設(shè)試驗區(qū)的自然降水量在歷史上是平穩(wěn)的時間序列。為了進(jìn)行這種檢驗，首先要確定計算雨量的時間單位。由于雨量的逐日變差很大，所以幾天的時間顯然太短，較適合的時間單位為1個月或1個季。

具體檢驗方法：根據(jù)月（季）雨量歷史資料求出該地的平均月（季）雨量R及其標(biāo)準(zhǔn)差S。如果將月（季）雨量看成具有近似正態(tài)分布，當(dāng)歷史資料年份比較長（n＞30）時，近似服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。如果某一年的相應(yīng)月份進(jìn)行了催化試驗，結(jié)果月雨量的增值足夠大，使得≥1.65。由正態(tài)分布的規(guī)律可知，由于降水的自然起伏使得U≥1.65的概率只有5%，這是小概率事件，所以認(rèn)為該月（季）的人工降水試驗有顯著效果，顯著性水平為5%。

序列試驗以作業(yè)區(qū)歷史平均雨量作為作業(yè)期自然估計值，它假定了作業(yè)區(qū)自然降水量在歷史上是平穩(wěn)的隨機(jī)序列。由于天氣形勢不同或局地氣候條件有變化，這個假定常常不能成立。且由于降水的自然變率太大，用歷史平均雨量來估計試驗期的自然降水量的誤差也就太大了。

2.2 區(qū)域?qū)Ρ仍囼?/h3>

區(qū)域?qū)Ρ仍囼炇沁x取一對比區(qū)（指不受催化影響的地區(qū)），一目標(biāo)區(qū)（是指受到催化影響的地區(qū)）。假設(shè)試驗期中對比區(qū)和目標(biāo)區(qū)的降水量在空間分布上是均勻的。然后以同期對比區(qū)自然降雨量作為影響區(qū)自然雨量的估計值，用影響區(qū)的實測雨量減去該估計值，就得到了人工影響的效果。

區(qū)域?qū)Ρ仍囼炇抢猛趯Ρ葏^(qū)雨量作為自然雨量的估計值。它假定作業(yè)期自然雨量的空間分布統(tǒng)計上是均勻的，但實際上降水的地理分布差異很大，同時在對比區(qū)的選擇上不可避免地存在著主觀偏差，因此，這種假設(shè)存在著不合理性，也很難滿足。

2.3 區(qū)域回歸試驗

利用對比區(qū)（指不受催化影響的地區(qū)）自然雨量作為預(yù)報因子，對試驗期目標(biāo)區(qū)（是指受到催化影響的地區(qū)）雨量進(jìn)行統(tǒng)計推斷。具體方法是：借助于一個或一個以上的對比區(qū)，根據(jù)歷史資料建立目標(biāo)區(qū)與對比區(qū)雨量的歷史回歸方程，然后利用這一歷史回歸方程由試驗期對比區(qū)的雨量來估計目標(biāo)區(qū)的自然雨量［13］。

這種方法雖然沒有假設(shè)降水在時空分布上是平穩(wěn)的，但比序列試驗和區(qū)域?qū)Ρ仍囼炃斑M(jìn)了一步，但仍假設(shè)試驗期目標(biāo)區(qū)和對比區(qū)雨量相關(guān)關(guān)系和歷史上同期的區(qū)域雨量相關(guān)性相同。這種依據(jù)是不夠充分的，因此這種相關(guān)關(guān)系相同的假設(shè)難以滿足。此外歷史資料的長短以及對比區(qū)選擇等都會影響統(tǒng)計檢驗的結(jié)果。

2.4 區(qū)域控制模擬試驗

該方法是在影響區(qū)上風(fēng)方設(shè)計2個或2個以上的對比區(qū)（這里我們以2個對比區(qū)為例），其中選擇1個為對比區(qū)1，另1個為對比區(qū)2；1個為影響區(qū)。

⑴分析作業(yè)單元和歷史資料雨量的統(tǒng)計特征值，如均值、方差、各區(qū)雨量相關(guān)性及其分布擬合參數(shù)等。

⑵根據(jù)上述特征值對對比區(qū)1和對比區(qū)2的歷史資料進(jìn)行刪除，使保留下的對比區(qū)1和對比區(qū)2歷史雨量資料特征值和作業(yè)期2個對比區(qū)的雨量特征值相擬合。具體采用逐步剔除—逼近的方法。從時空分布上存在巨大差異的長序列歷史資料中，尋找與作業(yè)期降水特征的相似型。

⑶對經(jīng)上述處理后的3個區(qū)的歷史樣本雨量資料，采用統(tǒng)計數(shù)值模擬方法，建立影響區(qū)與對比區(qū)1的自然雨量相關(guān)系數(shù)、回歸系數(shù)以及2個對比區(qū)這些參量的多元回歸方程。再將作業(yè)期間對比區(qū)1和對比區(qū)2的雨量特征值代入上述求出的相關(guān)系數(shù)、回歸系數(shù)及回歸方程中，得出作業(yè)期影響區(qū)和對比區(qū)1的相關(guān)系數(shù)和回歸系數(shù)估計值，從而模擬出作業(yè)期影響區(qū)自然雨量和對比區(qū)1自然雨量的一元線性回歸方程。

⑷再將作業(yè)期對比區(qū)1的自然雨量值代入，即可求出作業(yè)影響區(qū)自然降水量的估計值。這樣就可求出作業(yè)效果。

這種方法是近幾年來提出的，它比上述幾種方法更完善了。但它的實質(zhì)仍然是把不相似的樣本從相似天氣系統(tǒng)中剔除掉，從而將人為的主觀刪除效應(yīng)引入效果分析中。

3 對一種新的檢驗方法的應(yīng)用

目前的效果檢驗方法雖很多，但都不同程度上存在著問題。湖南省在人工增雨效果檢驗方面也做了大量的研究工作，嘗試了多種檢驗方法，但由于方法本身的缺陷和資料方面的不足，使檢驗效果不是十分令人滿意。目前，我們嘗試了利用統(tǒng)計學(xué)方法，遵循區(qū)域回歸試驗中二區(qū)設(shè)計的原則，對描述天氣過程的標(biāo)準(zhǔn)層溫、壓、濕、風(fēng)等要素進(jìn)行濃縮，尋求相似分析方法，建立相似分析模型。

3.1 建立描述湖南降水天氣過程的數(shù)據(jù)庫

主要考慮850，700，500hPa標(biāo)準(zhǔn)層的溫、壓、濕要素。其范圍在108.8°～114.3°E，北緯24.6°～30.1°N，格距為0.2×0.2；格點數(shù)28×28。

3.2 確定樣本對比指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)有條件，確定對比樣本的主要標(biāo)準(zhǔn)有同期性、降水性質(zhì)相同性和天氣形勢相似性。即對比樣本應(yīng)和作業(yè)樣本在同一時間段內(nèi)、降水性質(zhì)必須相同、天氣形勢相似。

在上述條件滿足的情況下，對標(biāo)準(zhǔn)層要素進(jìn)行傅立葉展開，對展開系數(shù)描述氣象要素場，再根據(jù)最小距離原則，找出最為相似的樣本作為對比樣本。根據(jù)選出的對比樣本的降水量情況，推斷作業(yè)區(qū)的自然降水量，給出人工增雨的效果檢驗結(jié)果。

4 結(jié)束語

人工影響天氣的效果檢驗是一項既重要又困難的研究性和業(yè)務(wù)性工作?？茖W(xué)的效果檢驗是發(fā)展人工增雨學(xué)科的基礎(chǔ)、是不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)。上述效果評估方法在國內(nèi)人影業(yè)務(wù)工作中較為常用，也取得了一些研究成果，但是由于云和降水的時空分布自然變率很大，并受到不同時期氣候變化影響，以及作業(yè)工具、作業(yè)方式和作業(yè)時機(jī)等因素的制約，客觀科學(xué)地對每一次增雨作業(yè)進(jìn)行效果檢驗評估仍是國際上的一個技術(shù)難題。隨著氣象探測設(shè)備的不斷更新以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星資料、雙偏振雷達(dá)資料等多種探測資料的應(yīng)用，人工增雨作業(yè)效果檢驗的技術(shù)水平將會得到進(jìn)一步提高。

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