周口市人工增雨作業(yè)效果評(píng)估方法

孔慶偉++申曉晴

摘要 周口市作為河南省產(chǎn)糧大市，近年來干旱頻發(fā)，因此以抗旱為目的的人工增雨作業(yè)量不斷加大。為更好地對(duì)增雨效果進(jìn)行評(píng)估，對(duì)比分析物理檢驗(yàn)、數(shù)值模擬檢驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)3種人工增雨作業(yè)效果評(píng)估基本方法，綜合分析3種方法利弊。結(jié)果表明，周口市目前采用的效果評(píng)估方法是第3種，即統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，具體檢驗(yàn)評(píng)估方法是隨機(jī)化過程中的區(qū)域隨機(jī)交叉對(duì)比試驗(yàn)方法。詳細(xì)闡述了該方法的具體實(shí)施及計(jì)算，并對(duì)周口市2016年4月5日一次作業(yè)過程進(jìn)行了科學(xué)評(píng)估，計(jì)算結(jié)果表明，此次作業(yè)共為周口市增加雨量701萬t，增雨效果較為顯著。

關(guān)鍵詞 人工增雨；效果評(píng)估；隨機(jī)化；非隨機(jī)化；區(qū)域?qū)Ρ?；河南周?/p>

中圖分類號(hào) P481 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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

周口市位于河南省東南部，屬黃淮平原，海拔高度為35.5～64.3 m，總面積1.07萬km2（以下均不含省管縣鹿邑），人口逾1 100萬人，耕地面積100萬hm2左右，是河南省第一產(chǎn)糧大市、全國(guó)糧食生產(chǎn)先進(jìn)市、國(guó)家重要的商品糧生產(chǎn)基地。但由于周口市地處南北氣候過渡帶，氣象條件復(fù)雜多變，旱、澇、風(fēng)、雹、霜凍等自然災(zāi)害頻繁，尤以干旱為重，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了非常不利的影響。特別是在全球變暖的背景下，旱澇災(zāi)害往往是交替出現(xiàn)，防汛抗旱、防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)異常嚴(yán)峻，已成為制約周口市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安定的重要因素之一。

人工影響天氣地面作業(yè)以增雨、增雪為主，作業(yè)器具主要采用高炮和火箭。隨著近年來作業(yè)量不斷加大，人工增雨作業(yè)效果的科學(xué)評(píng)估日漸成為一個(gè)重要研究課題。

1 人工增雨作業(yè)效果檢驗(yàn)與評(píng)估方法

人工影響天氣作業(yè)效果檢驗(yàn)與評(píng)估是云和降水科學(xué)研究的重要組成部分，也是本學(xué)科領(lǐng)域一項(xiàng)亟待解決的研究性和業(yè)務(wù)性難題。目前，國(guó)內(nèi)外主要采用物理檢驗(yàn)、數(shù)值模擬檢驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)3種基本方法，并且科學(xué)的效果檢驗(yàn)也已從以往單純的一種檢驗(yàn)方法向物理檢驗(yàn)、數(shù)值模擬檢驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)相結(jié)合的綜合性檢驗(yàn)方法發(fā)展[1]。

1.1 物理檢驗(yàn)與評(píng)估

物理檢驗(yàn)可以提供驗(yàn)證人工影響天氣科學(xué)概念和作業(yè)技術(shù)方法的直觀信息，為評(píng)估人工影響天氣的作業(yè)效果提供物理學(xué)證據(jù)。物理檢驗(yàn)的作用主要包括2個(gè)方面：一方面是借助觀測(cè)手段驗(yàn)證對(duì)云施加影響后所期望發(fā)生的一系列物理過程是否發(fā)生；另一方面是為統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)提供物理學(xué)證據(jù)。只有通過周密的設(shè)計(jì)和全方位的監(jiān)測(cè)才能使物理檢驗(yàn)所提供的信息具有更高的價(jià)值。為此，在進(jìn)行物理檢驗(yàn)時(shí)，需對(duì)自然云物理本地特征及自然變率加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和研究。

物理檢驗(yàn)具體檢驗(yàn)內(nèi)容主要包括云的宏觀特征變化、云微物理參數(shù)變化、示蹤物與降水化學(xué)響應(yīng)等，主要借助氣象衛(wèi)星、氣象雷達(dá)、飛機(jī)、探空氣球以及照相或錄像等技術(shù)手段，觀測(cè)采集資料進(jìn)行分析對(duì)比。該方法可以為人工增雨作業(yè)效果定性分析提供物理證據(jù)，但無法給出定量的結(jié)果，加之目前各種觀測(cè)指標(biāo)容易受到多種因素制約，精準(zhǔn)度存在較大自然變差，所以周口市目前沒有采用該檢驗(yàn)方法。

1.2 數(shù)值模擬方法與評(píng)估

數(shù)值模擬方法評(píng)估人工增雨作業(yè)的效果，首先是根據(jù)云和降水的宏觀動(dòng)力學(xué)和微物理學(xué)過程，建立一套能夠較真實(shí)地模擬自然云和降水在各種條件下發(fā)展過程的數(shù)值模式，然后根據(jù)人工影響天氣播云理論與假說在模式中合理地描述人工催化的作用[2]。

數(shù)值模擬在人工增雨作業(yè)效果評(píng)估中主要起2個(gè)作用：一是優(yōu)化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)目標(biāo)云的可播性，選擇合適的作業(yè)器具及技術(shù)方法，提高播云催化試驗(yàn)的預(yù)見性、科學(xué)性，從而避免盲目性；二是定量預(yù)測(cè)催化與不催化情況下云和降水的發(fā)展與演變，并與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，從而判斷出人工影響天氣作業(yè)的效果。

現(xiàn)階段，由于對(duì)云和降水自然規(guī)律以及人工催化影響機(jī)制了解的還不夠深入，當(dāng)下的數(shù)值模式產(chǎn)品對(duì)實(shí)際云和降水過程做了相當(dāng)大的簡(jiǎn)化，還不夠完善，用于直接定量地預(yù)報(bào)云和降水結(jié)構(gòu)、發(fā)展與演變過程仍然較為困難，所以數(shù)值模式目前還不能作為一種十分可靠的效果檢驗(yàn)手段來應(yīng)用。

1.3 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)與評(píng)估

增雨效果的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)以地面降水量為統(tǒng)計(jì)變量，由于降水量在時(shí)空分布上存在巨大差異，使得運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法時(shí)試圖在降水自然起伏背景上對(duì)影響區(qū)或作業(yè)云的自然降水量作出客觀和定量的估計(jì)[3]。

對(duì)于統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，目前國(guó)際科學(xué)界普遍接受的是隨機(jī)化對(duì)比試驗(yàn)，這種方案是經(jīng)過嚴(yán)格科學(xué)設(shè)計(jì)來實(shí)施的效果檢驗(yàn)，原則上可以做到符合隨機(jī)抽樣規(guī)則，定量地檢驗(yàn)出效果并指明其可靠程度。但由于這類試驗(yàn)需要放棄1/2左右的作業(yè)機(jī)會(huì)，人們?cè)诳购翟鲇甑臉I(yè)務(wù)實(shí)踐中難以接受，因此國(guó)內(nèi)人工增雨作業(yè)大多為非隨機(jī)化試驗(yàn)[4]。現(xiàn)有的非隨機(jī)化試驗(yàn)方案有序列試驗(yàn)、區(qū)域?qū)Ρ仍囼?yàn)、區(qū)域歷史回歸試驗(yàn)、區(qū)域控制模擬試驗(yàn)、基于聚類的浮動(dòng)對(duì)比區(qū)回歸統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方案、復(fù)隨機(jī)化試驗(yàn)、區(qū)域趨勢(shì)雙比分析方案等，但上述幾種非隨機(jī)化試驗(yàn)進(jìn)行效果檢驗(yàn)也面臨著若干問題：一是自然降水預(yù)報(bào)的精度不能滿足效果檢驗(yàn)的要求。人工增雨催化效果△R=R催-R自，其中R催為催化后催化云或影響區(qū)實(shí)測(cè)降雨量，它包括人工影響的效果和自然降水R自的部分，可以通過地面雨量站實(shí)測(cè)得到，但R自無法通過實(shí)測(cè)獲得。由于目前還無法對(duì)自然降水做出準(zhǔn)確的定量預(yù)報(bào)，因此該方法開展實(shí)施仍較困難。二是非隨機(jī)化試驗(yàn)的功效、準(zhǔn)確度、靈敏度低，影響效果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的客觀性和科學(xué)性。

2 周口市常用的人工增雨效果評(píng)估方法

2.1 人工增雨效果評(píng)估方法的選取

周口上空處于雙十字線航道交叉口，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每天經(jīng)過周口上空的飛機(jī)約1 200架次，并且距離新鄭機(jī)場(chǎng)較近，飛機(jī)飛行高度相對(duì)較低。這些不利因素很大程度上限制了周口市人工增雨作業(yè)空域申請(qǐng)及批復(fù)，同時(shí)由于所轄縣（市）較多，很多時(shí)候周口市人工增雨作業(yè)采用分批次、多時(shí)段模式進(jìn)行。由于所轄縣（市）作業(yè)區(qū)域存在時(shí)間差，目標(biāo)區(qū)域選取在一定程度上比較接近隨機(jī)過程。結(jié)合近年來實(shí)際作業(yè)情況，對(duì)比分析3種不同的效果評(píng)估方法的利弊，周口市目前常用的仍是隨機(jī)化過程中的區(qū)域隨機(jī)交叉對(duì)比試驗(yàn)方法。

區(qū)域隨機(jī)交叉對(duì)比試驗(yàn)方法[5]要求不考慮地形的影響，雨量分布均勻且雨強(qiáng)小、云內(nèi)上升氣流小、云層較為穩(wěn)定。由于周口地處平原地帶，地形起伏較小，基本可以忽略地形對(duì)降水的影響。同時(shí)，考慮到作業(yè)時(shí)的天氣過程大多為相對(duì)穩(wěn)定的層狀云降水，因此在對(duì)比區(qū)域的選取上周口相對(duì)較為自由靈活。除了人工催化這一因素外，其他因子對(duì)降水貢獻(xiàn)沒有系統(tǒng)性的誤差。通過催化區(qū)域和未催化區(qū)域比較，如果這2組區(qū)域觀測(cè)到雨量有明顯的差異，就可以歸因于人工增雨作業(yè)帶來的效果。

2.2 區(qū)域隨機(jī)交叉對(duì)比試驗(yàn)計(jì)算方法

2.2.1 對(duì)比區(qū)和影響區(qū)的選取。影響區(qū)是指受到人工催化作業(yè)影響的地區(qū)，一般位于人工催化作業(yè)的作業(yè)點(diǎn)下風(fēng)方向。影響區(qū)的大小取決于很多因素，如火箭發(fā)射的仰角與方位角、高空引導(dǎo)風(fēng)的風(fēng)向與風(fēng)速、催化劑的影響時(shí)間等[6]。

對(duì)比區(qū)是指不受人工催化作業(yè)影響的地區(qū)，通常對(duì)比區(qū)的選擇要滿足以下要求：不受人工催化作業(yè)影響，與影響區(qū)地形相似，作業(yè)期2個(gè)區(qū)所受影響的天氣系統(tǒng)以及降水類型相似，兩區(qū)均應(yīng)有較稠密的自動(dòng)雨量站。

2.2.2 對(duì)比區(qū)和影響區(qū)平均雨量R對(duì)和R影。目前，周口市自動(dòng)雨量站分布較廣，采用區(qū)域內(nèi)雨量站雨量算數(shù)平均更具有說服力，具體計(jì)算公式如下：

R對(duì)=■■ri

R影=■■ri

一般催化劑有效作用時(shí)間定為3 h，因此ri為作業(yè)3 h后所選區(qū)域內(nèi)各雨量站點(diǎn)雨量值。

2.2.3 計(jì)算增雨量。計(jì)算出對(duì)比區(qū)和影響區(qū)平均雨量R對(duì)和R影，令影響區(qū)面積為S，W為影響區(qū)增加的雨水量，那么W計(jì)算公式如下：

W=（R影-R對(duì)）×S

2.3 周口市人工增雨作業(yè)效果評(píng)估實(shí)例分析

2016年4月5日8：00起周口市有冷鋒云系自西南向東南移動(dòng)，移速約為30 km/h，逐步開始影響周口市。15：00，云中局部具有豐富的液水含量，光學(xué)厚度最大可達(dá)40，云頂溫度局部最低約為-40 ℃。根據(jù)以上分析預(yù)測(cè)5日18：00至6日8：00，云系將主要影響周口市南部、西南部地區(qū)，并逐漸向東南方向移動(dòng)。云頂溫度較低，云光學(xué)厚度較大，云垂直發(fā)展密實(shí)，云中可能有過冷水，都有一定的地面增雨條件。4月5日，周口市人影辦組織全市積極做好人工增雨作業(yè)準(zhǔn)備，預(yù)設(shè)作業(yè)點(diǎn)地理分布見圖1。

結(jié)合有利天氣形勢(shì)及空域批復(fù)情況，周口市項(xiàng)城、淮陽(yáng)、西華、沈丘4個(gè)縣（市）成功開展了人工增雨作業(yè)，對(duì)比天氣發(fā)展過程，取上游商水和鄲城分別為對(duì)比區(qū)，項(xiàng)城和沈丘為有效影響區(qū)，具體見圖2。

按照上述計(jì)算方法，在A區(qū)域和B區(qū)域內(nèi)分別取6個(gè)自動(dòng)站雨量值算術(shù)平均得平均雨量R對(duì)A和R影A，R對(duì)B和R影B，計(jì)算結(jié)果見表1。

對(duì)比分析可知，4月5日夜間周口市人工增雨作業(yè)2個(gè)區(qū)域共增加雨量701萬t，增雨效果較為顯著。

3 結(jié)語

本文采取的區(qū)域隨機(jī)交叉對(duì)比試驗(yàn)計(jì)算方法的前提是假定作業(yè)期間自然雨量的空間分布統(tǒng)計(jì)上是均勻的，這與實(shí)際發(fā)生的自然降雨有區(qū)別，存在一定的局限性[7]，但計(jì)算結(jié)果在很大程度上能反映高炮、火箭作業(yè)效果，仍不失為目前評(píng)估人工增雨作業(yè)效果的一種簡(jiǎn)單可行的方法。

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