利用區(qū)域回歸分析法對阿克蘇地區(qū)人工防雹作業(yè)效果再分析

李 斌，鄭博華，史蓮梅，朱思華

(新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，烏魯木齊 830002)

利用區(qū)域回歸分析法對阿克蘇地區(qū)人工防雹作業(yè)效果再分析

李 斌，鄭博華，史蓮梅，朱思華

(新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，烏魯木齊 830002)

目的評估阿克蘇地區(qū)開展人工防雹作業(yè)前后年雹災(zāi)面積的差異性，分析該地區(qū)人工防雹作業(yè)效果，為開展人工防雹工作提供科學(xué)依據(jù)。方法利用阿克蘇地區(qū)和喀什地區(qū)1978年～2013年的年雹災(zāi)面積統(tǒng)計資料，以1996年作為阿克蘇地區(qū)開展人工防雹作業(yè)開始年，采用統(tǒng)計學(xué)的區(qū)域回歸分析法，將喀什地區(qū)作為對比區(qū)，分析阿克蘇地區(qū)科學(xué)開展人工防雹作業(yè)前后各18 a的年雹災(zāi)面積差異性。結(jié)果阿克蘇地區(qū)科學(xué)開展人工防雹作業(yè)后，平均年雹災(zāi)面積減少23 802 hm2，相對減少率為54.5%。結(jié)合農(nóng)業(yè)經(jīng)濟數(shù)據(jù)，年平均減少雹災(zāi)損失44 417×104元，年投入產(chǎn)出比接近1∶10，統(tǒng)計顯著性水平高達(dá)0.01。結(jié)論阿克蘇地區(qū)通過科學(xué)開展人工防雹作業(yè)后，冰雹災(zāi)害損失顯著減小，取得的社會、經(jīng)濟效益顯著。

人工防雹；區(qū)域回歸；效果評估

0 引 言

【研究意義】西北地區(qū)的新疆是冰雹災(zāi)害多發(fā)地區(qū)之一[1]。新疆阿克蘇地區(qū)和喀什地區(qū)分別地處天山山脈中段南麓及西部、塔里木盆地北緣至西北緣，夏季炎熱干旱，降雨量少、蒸發(fā)量大、光熱資源豐富。兩地區(qū)境內(nèi)有山地、平原、沙漠、綠洲、河流、水庫等多種下墊面分布，地貌類型復(fù)雜。地形主要特點為：北部為山地，南部為沙漠，中間是平原、綠洲、河流、水庫等。地表條件不均，起伏不平，極易形成冰雹天氣。區(qū)域內(nèi)的葉爾羌河流域、渭干河流域和阿克蘇河流域是新疆9個主要冰雹發(fā)生區(qū)域中的3個區(qū)域[2]。每年因冰雹、洪水等自然災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失達(dá)數(shù)億元之多，對南疆經(jīng)濟社會發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。隨著近年全球氣候變暖，阿克蘇地區(qū)及喀什地區(qū)的強冰雹天氣呈增多趨勢[2-3]。阿克蘇地區(qū)從1994年開始，利用世界銀行貸款項目在沙雅縣建設(shè)了新疆第一部中頻相參的C波段多普勒天氣雷達(dá)，并于1996年正式投入業(yè)務(wù)運行。隨后相繼引進了新型人工影響天氣作業(yè)火箭發(fā)射系統(tǒng)148套、新一代天氣雷達(dá)1部、X波段雙偏振天氣雷達(dá)1部等裝備，建立了先進的人工防雹作業(yè)體系?？κ驳貐^(qū)近兩年系統(tǒng)地陸續(xù)開展人工防雹作業(yè)工作。評估阿克蘇地區(qū)開展人工防雹作業(yè)前后年雹災(zāi)面積的差異性，對該地區(qū)人工防雹作業(yè)具有重要意義。【前人研究進展】近年來，國內(nèi)很多學(xué)者對各地冰雹天氣的氣候特征、時空分布、災(zāi)情分析[4-6]，預(yù)報預(yù)警方法[7-11]和冰雹形成機制、防雹催化原理及防雹減災(zāi)效應(yīng)[12-14]等開展了研究。由于新疆是冰雹災(zāi)害的多發(fā)區(qū)；面對威脅新疆農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的嚴(yán)重雹災(zāi)，王秋香等[15]系統(tǒng)地分析了新疆雹災(zāi)損失的分布特征，指出阿克蘇地區(qū)為新疆雹災(zāi)的最嚴(yán)重區(qū)域，須進行重點防御；陳洪武[16]、王旭、馬禹[17-18]等研究了新疆降雹出現(xiàn)的時間，并統(tǒng)計分析了系統(tǒng)性冰雹天氣的環(huán)流形勢；楊蓮梅等[19]在新疆冰雹的氣候特征及防御對策方面得出了有意義的結(jié)論；李麗華等[20]借助ArcGIS完成了阿克蘇地區(qū)冰雹災(zāi)5個風(fēng)險區(qū)的風(fēng)險區(qū)劃。這些研究成果基本上揭示了新疆冰雹天氣的發(fā)生規(guī)律和變化特征。但是，基于強對流性天氣系統(tǒng)形成、演變在科學(xué)上的復(fù)雜性，以及對其開展人工催化作業(yè)在技術(shù)上的復(fù)雜性，因此人工防雹作業(yè)效果檢驗十分困難。【本研究切入點】李斌等[21]已利用一些統(tǒng)計學(xué)方法對阿克蘇地區(qū)人工防雹作業(yè)效果開展了評估。但為了進一步評估其人工防雹作業(yè)效果，采用不同的統(tǒng)計學(xué)評估方法，特別是評估更為高效準(zhǔn)確的區(qū)域回歸分析法十分必要。研究基于阿克蘇地區(qū)1996年開展人工防雹作業(yè)前、后各18a(分別稱為歷史期、作業(yè)期)的雹災(zāi)面積資料，以及喀什地區(qū)1978～2013年的雹災(zāi)面積資料，將阿克蘇地區(qū)作為目標(biāo)區(qū)，喀什地區(qū)作為對比區(qū)，利用區(qū)域回歸分析法確定阿克蘇地區(qū)雹災(zāi)面積減少率，同時結(jié)合該地區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟數(shù)據(jù)，得出人工防雹作業(yè)投入產(chǎn)出比?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用阿克蘇地區(qū)和喀什地區(qū)1978年～2013年的年雹災(zāi)面積統(tǒng)計資料，以1996年作為阿克蘇地區(qū)開展人工防雹作業(yè)開始年，采用統(tǒng)計學(xué)的區(qū)域回歸分析法，科學(xué)定量評估人工防雹作業(yè)效果，提供一種技術(shù)方法和科學(xué)依據(jù)，進一步提高人工防雹科學(xué)作業(yè)水平。

1 材料與方法

1.1 材 料

阿克蘇、喀什地區(qū)1978～2013年年雹災(zāi)面積資料來自新疆維吾爾自治區(qū)氣象局氣候中心，相應(yīng)耕地面積和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù)來源于歷年的《新疆統(tǒng)計年鑒》。數(shù)據(jù)均分別為阿克蘇地區(qū)8縣1市和喀什地區(qū)11縣1市每年相應(yīng)數(shù)據(jù)的總和，其中個別異常、重復(fù)數(shù)據(jù)進行分析、咨詢、審核后剔除。

面積為耕地面積，未使用播種面積作為基準(zhǔn)。原因是考慮到諸如開春的霜凍、大風(fēng)災(zāi)害等因素，會使一些已播種的耕地復(fù)播或重播，播種面積因而會加大。產(chǎn)值采用去除林業(yè)、畜牧業(yè)產(chǎn)值后的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值作為標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 方 法

采用區(qū)域回歸分析方法。假定作業(yè)期兩個區(qū)域的統(tǒng)計變量滿足上述回歸關(guān)系，則利用統(tǒng)計回歸方程由作業(yè)期對比區(qū)的統(tǒng)計變量值推算出作業(yè)期目標(biāo)區(qū)的統(tǒng)計變量自然值，亦稱作業(yè)期目標(biāo)區(qū)自然統(tǒng)計變量的期待值，再與作業(yè)期目標(biāo)區(qū)的實際統(tǒng)計變量值比較，即可得到作業(yè)期目標(biāo)區(qū)統(tǒng)計變量的評估結(jié)果。

喀什地區(qū)作為對比區(qū)和阿克蘇地區(qū)作為目標(biāo)區(qū)的有關(guān)年雹災(zāi)面積資料(單位公頃)。設(shè)對比區(qū)的年雹災(zāi)面積為xI1，目標(biāo)區(qū)年雹災(zāi)面積為yI1，對比區(qū)年雹災(zāi)面積開四次方為xi，目標(biāo)區(qū)年雹災(zāi)面積開四次方為yi，即xi1=xi4，yi1=yi4，列出相關(guān)計算結(jié)果。表1

2 結(jié)果與分析

2.1 目標(biāo)區(qū)與對比區(qū)的確定

根據(jù)目標(biāo)區(qū)與對比區(qū)的選定要求：受人工催化影響的目標(biāo)區(qū)應(yīng)位于作業(yè)點的下風(fēng)方向；不受人工催化影響的對比區(qū)要求：一是要在作業(yè)區(qū)的上風(fēng)方向或垂直于風(fēng)向的側(cè)面，不受人工催化影響；二是地形、地貌、面積等應(yīng)與作業(yè)區(qū)大體相當(dāng)；三是兩區(qū)樣本的相關(guān)系數(shù)顯著性水平應(yīng)達(dá)到0.05以上[22]。

喀什地區(qū)位于阿克蘇地區(qū)西部，而新疆的天氣系統(tǒng)均是自西向東移動，因此就天氣系統(tǒng)移動而言，其位于阿克蘇地區(qū)的上游?？κ驳貐^(qū)和阿克蘇地區(qū)均在天山南麓，塔里木盆地北緣，地形地貌相近。因此兩個地區(qū)分別符合對比區(qū)與目標(biāo)區(qū)的選取要求。圖1

表1 年雹災(zāi)面積目標(biāo)-對比回歸統(tǒng)計計算
Table 1 Results of regression statistical analysis and calculation with the annual hail damaged areas in object-comparative areas

年份xI1yI1xiyi(xi- x)2(yi- y)2(xi- x)(yi- y)歷史期1978030040 00007 403356 633836 031545 17301979120129743 309810 672617 77297 471211 52331980505072599514 991212 697655 73640 5017-5 287919815533197498 624711 85461 20822 4066-1 705219821000316225 623413 33513 61810 00500 13461983000 00000 000056 6338179 7185100 8868198478438802 969014 473320 76241 1392-4 863519850149060 000011 049456 63385 553017 73381986149332344511 054512 374112 45351 0647-3 641319872824012752112 963318 897129 569430 153229 85991988289725991713 046515 645430 48115 015412 36431989161073838811 265613 997413 98830 34992 2124199026671568627 186119 90120 115242 1888-2 204819916584711377216 018918 365872 137424 600042 12581992120535747710 478015 48378 71674 31706 13431993980650695 595115 97143 72676 5818-4 952619940627310 000015 82656 63385 8567-18 21231995231403184412 333713 358523 11820 0023-0 2281合計250177889156135 4598241 3065Sx=5 5303Sy=4 5566Sxy=13 3560平均13899493987 525513 4059作業(yè)期199620000380415 82607 85341997150001797611 066811 579119981400001112119 343410 2692199909130 00005 4969200069405 13340 00020010283090 00012 97122002908400965 489114 15062003157106423 541510 15682004843289529 58279 727020059825109509 956010 22952006000 00000 00002007163113366 35466 045820083000275417 400812 8823200970491517509 163015 082620105441812125115 273412 073820113345112786613 523912 920220123169514775513 342914 78272013380764711613 968914 7330合計407069357378158 9662180 9542平均22615198548 831510 0530

Ⅰ為對比區(qū)(喀什地區(qū))；Ⅱ為目標(biāo)區(qū)(阿克蘇地區(qū))

I the comparative area (Kashi); II the object area (Aksu)

圖1 目標(biāo)區(qū)與對比區(qū)選擇示意
Fig.1 Schematic diagram of the object area and comparative area selection

2.2 統(tǒng)計變量的選擇

統(tǒng)計變量的選擇要求為：目標(biāo)區(qū)和對比區(qū)要有作業(yè)期前10 a以上的相應(yīng)資料；其次目標(biāo)區(qū)與對比區(qū)的統(tǒng)計變量的區(qū)域相關(guān)性要較好，統(tǒng)計變量本身的自然變差較小，樣本相關(guān)系數(shù)的顯著性水平應(yīng)達(dá)到0.05以上，且適合進行統(tǒng)計檢驗。若采用t-檢驗法，則要求統(tǒng)計變量具有或接近正態(tài)分布[22]。

2.2.1 樣本條件

選取的目標(biāo)區(qū)與對比區(qū)均有18 a的非作業(yè)期資料，滿足非作業(yè)期樣本數(shù)量要求。

2.2.2 統(tǒng)計變量分布條件

采用柯爾莫哥洛夫分布函數(shù)配合適度檢驗法進行兩個區(qū)域的歷史雹災(zāi)面積正態(tài)分布檢驗。由于雹災(zāi)面積數(shù)值自然變差較大，為了使統(tǒng)計變量更接近于正態(tài)分布，在進行正態(tài)分布檢驗前，對兩個區(qū)域的雹災(zāi)面積作了數(shù)值變換處理。經(jīng)試驗分析，將目標(biāo)區(qū)和對比區(qū)的雹災(zāi)面積均取了四次方根。經(jīng)計算，目標(biāo)區(qū)、對比區(qū)歷史值的擬合度分別為0.73和0.84，均大于要求的0.5。由此認(rèn)為，目標(biāo)區(qū)和對比區(qū)的雹災(zāi)面積均滿足四次方根正態(tài)分布。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計原理，可以對兩個區(qū)域的年雹災(zāi)面積進行變換，建立回歸方程并作統(tǒng)計檢驗[23]。

2.2.3 樣本相關(guān)性及顯著性條件

進行相關(guān)性及其顯著性檢驗。對于目標(biāo)區(qū)和對比區(qū)四次方根服從正態(tài)分布的歷史雹災(zāi)面積資料，利用下式計算兩區(qū)的統(tǒng)計變量相關(guān)系數(shù)r：

因而統(tǒng)計變量的選擇滿足要求。

2.3 區(qū)域回歸分析

2.3.1 建立歷史回歸方程

按照歷史回歸統(tǒng)計原理，采用最小二乘法計算出兩個區(qū)域雹災(zāi)面積四次方根之間的線性擬合關(guān)系y=a+bx，系數(shù)由下式計算：

經(jīng)計算得b≈0.436 7，a≈10.119 6。所以建立的作業(yè)期目標(biāo)區(qū)依對比區(qū)的歷史回歸方程為：

歷史回歸方程與樣本分布結(jié)果。樣本基本均勻分布在回歸線附近兩側(cè)，經(jīng)變換后的兩區(qū)域年雹災(zāi)面積基本滿足線性關(guān)系。圖2

圖2 線性回歸結(jié)果與樣本分布
Fig.2 Linear regression results with the samples distribution

2.3.2 線性回歸方程的顯著性檢驗

在目標(biāo)區(qū)與對比區(qū)歷史年雹災(zāi)面積四次方根均總體服從正態(tài)分布且二者相關(guān)性較好的條件下，運用方差分析的F-檢驗法，檢驗確定回歸方程的顯著性[24]。

經(jīng)計算，F(xiàn)≈6.25>F0.05=4.49。因此，線性回歸方程顯著，可信程度達(dá)到96%。可通過此線性回歸方程估算作業(yè)期作業(yè)區(qū)的自然年雹災(zāi)面積四次方根的期待值。

2.3.3 效果評估與統(tǒng)計檢驗

為減少自然變差的影響，采用多個事件的t-檢驗法定量估計人工防雹作業(yè)效果[24]。

t=

2.3.4 雹災(zāi)損失減少量估計

作業(yè)期目標(biāo)區(qū)實測年平均雹災(zāi)面積為19 854 hm2，而經(jīng)線性回歸方程計算估計的年平均雹災(zāi)面積為43 656 hm2。因此得出年平均雹災(zāi)面積絕對減少值為23 802 hm2，相對減少率為54.5%。單邊顯著性水平超過0.01。

根據(jù)阿克蘇地區(qū)作業(yè)期18 a年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和年耕地面積，可估計產(chǎn)值約為18 661元/hm2。因此，科學(xué)開展人工防雹后，平均年減少雹災(zāi)損失44 417×104元，占年平均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的5.51%。而阿克蘇地區(qū)科學(xué)開展人工防雹后，每年投入人工防雹經(jīng)費在4 500×104元左右，因此平均年投入產(chǎn)出比為1∶10。

3 討 論

由于云、降水自然變差太大，導(dǎo)致降雹時空分布變化很大，從而使得雹災(zāi)面積變化起伏也很大。人工防雹作業(yè)效果的統(tǒng)計檢驗相當(dāng)于從這些高的“噪聲”中提取人工防雹作業(yè)效果的“信號”，因此，統(tǒng)計檢驗方法的功效往往不高[22-23]。但是，就目前的人工防雹作業(yè)技術(shù)和檢驗方法，統(tǒng)計檢驗方法是檢驗人工防雹作業(yè)效果的主要方法之一。從統(tǒng)計學(xué)和人工影響天氣角度考慮，相對于序列試驗法、不成對秩和檢驗法、t-檢驗法和Welch檢驗法等，采用的區(qū)域回歸試驗法，檢驗功效、準(zhǔn)確度較高[22]。所謂回歸分析，就是為了尋找非確定性關(guān)系的統(tǒng)計相關(guān)，并運用其從一個或多個變量去估算統(tǒng)計相關(guān)的另一個變量，同時還應(yīng)確定其準(zhǔn)確度的大小。在回歸檢驗分析過程中，首先兩個變量應(yīng)具有一定的相關(guān)性r，其可用t檢驗法檢驗顯著性，否則回歸方程無意義[25]；其次為了分析變量差異主要是有自變量引起還是其他因素造成的，需利用F檢驗法對回歸方程進行顯著性檢驗[23]。在采用統(tǒng)計檢驗的同時，還應(yīng)注重利用天氣雷達(dá)回波變化等信息開展物理檢驗，以顯現(xiàn)人工防雹作業(yè)效果的動力效應(yīng)等物理機制。

4 結(jié) 論

4.1 根據(jù)區(qū)域回歸分析條件，在對比區(qū)-目標(biāo)區(qū)的確定、統(tǒng)計變量的選擇及樣本數(shù)量等方面滿足分析要求。

4.2 建立線性區(qū)域回歸方程的樣本相關(guān)性經(jīng)t檢驗滿足要求。所建立的線性回歸方程經(jīng)F檢驗可信程度達(dá)到96%，顯著性高。

4.3 區(qū)域回歸分析，阿克蘇地區(qū)科學(xué)開展人工防雹作業(yè)后，平均年雹災(zāi)面積減少23 802 hm2，相對減少率為54.5%，平均年減少雹災(zāi)損失44 417萬元，占年平均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的5.51%，平均年投入產(chǎn)出比為1∶10。統(tǒng)計顯著性水平高達(dá)0.01。

4.4 相對于序列試驗法、不成對秩和檢驗法、t-檢驗法和Welch檢驗法等統(tǒng)計學(xué)檢驗方法，區(qū)域回歸試驗法檢驗功效、準(zhǔn)確度較高。但對取樣相似性、樣本數(shù)量、質(zhì)量以及計算過程要求較高。

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Abstract：【Objective】 To further evaluate the differences of annual hailstorm areas before and after the scientifically carrying out artificial hail suppression period in Aksu in the hope of analyzing the effect.【Method】In this paper, the method of the regression test of areas was applied, the 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 Aksu and Kashi with 1996 as the year of artificial hail suppression.【Result】The results showed that the average annual hail area was reduced 23,802 hm2, and the relative loss rate was 54.5% after the operation of scientifically artificial hail suppression in Aksu. Combined with the agricultural economic data, the average annual reduction of hail disaster loss was 444,170,000 RMB, annual input and output ratio nearly was 1∶10. The statistical significant level highly reached α=0.01.【Conclusion】Therefore, through scientifically carrying out artificial hail suppression operations, it is obvious that hail disaster losses reduced and the social and economic benefits are great in Aksu.

Keywords: artificial hail suppression; regression test of areas; performance and effect evaluation

RegressionAnalysisofArtificialHailSuppressionEffectinAkesuPrefectureofSouthernXinjiang

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

(eatherModificationOfficeofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830002,China)

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.09.023

S16

A

1001-4330(2017)09-1756-09

2017-03-24

公益性行業(yè)(氣象)科研專項經(jīng)費項目 (GYHY201306047)；自治區(qū)重大專項“新疆吐魯番哈密地區(qū)空中云水資源開發(fā)利用”；科技支撐項目“新疆綠洲人工防雹減災(zāi)效果評估研究”(TUHA201525)

李斌(1968-)，男，廣東潮州人，研究員，碩士，研究方向為人工影響天氣，(E-mail)btlibin@126.com

Supported by: China Special Fund for Meteorological Research in the Public Interest(GYHY201306047)；Scientific and Technological Support Program "Evaluation and study on the effect of hail suppression and disaster reduction in oasis region in Xinjiang" of Autonomous Region Major Special Project "Development and utilization of aerial cloud water resources in Tulufan and Hami in Xinjiang" (TUHA201525)

Corresponding author：Li Bin (1968-), male, native place: Chaozhou, Guangdong. Researcher, Master, research field: Weather modification. (Email) btlibin@126.com