利用区域回归分析法对阿克苏地区人工防雹作业效果再分析

李 斌，郑博华，史莲梅，朱思华

(新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，乌鲁木齐 830002)

利用区域回归分析法对阿克苏地区人工防雹作业效果再分析

李 斌，郑博华，史莲梅，朱思华

(新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，乌鲁木齐 830002)

目的评估阿克苏地区开展人工防雹作业前后年雹灾面积的差异性，分析该地区人工防雹作业效果，为开展人工防雹工作提供科学依据。方法利用阿克苏地区和喀什地区1978年～2013年的年雹灾面积统计资料，以1996年作为阿克苏地区开展人工防雹作业开始年，采用统计学的区域回归分析法，将喀什地区作为对比区，分析阿克苏地区科学开展人工防雹作业前后各18 a的年雹灾面积差异性。结果阿克苏地区科学开展人工防雹作业后，平均年雹灾面积减少23 802 hm2，相对减少率为54.5%。结合农业经济数据，年平均减少雹灾损失44 417×104元，年投入产出比接近1∶10，统计显著性水平高达0.01。结论阿克苏地区通过科学开展人工防雹作业后，冰雹灾害损失显著减小，取得的社会、经济效益显著。

人工防雹；区域回归；效果评估

0 引 言

【研究意义】西北地区的新疆是冰雹灾害多发地区之一[1]。新疆阿克苏地区和喀什地区分别地处天山山脉中段南麓及西部、塔里木盆地北缘至西北缘，夏季炎热干旱，降雨量少、蒸发量大、光热资源丰富。两地区境内有山地、平原、沙漠、绿洲、河流、水库等多种下垫面分布，地貌类型复杂。地形主要特点为：北部为山地，南部为沙漠，中间是平原、绿洲、河流、水库等。地表条件不均，起伏不平，极易形成冰雹天气。区域内的叶尔羌河流域、渭干河流域和阿克苏河流域是新疆9个主要冰雹发生区域中的3个区域[2]。每年因冰雹、洪水等自然灾害造成的经济损失达数亿元之多，对南疆经济社会发展造成了严重影响。随着近年全球气候变暖，阿克苏地区及喀什地区的强冰雹天气呈增多趋势[2-3]。阿克苏地区从1994年开始，利用世界银行贷款项目在沙雅县建设了新疆第一部中频相参的C波段多普勒天气雷达，并于1996年正式投入业务运行。随后相继引进了新型人工影响天气作业火箭发射系统148套、新一代天气雷达1部、X波段双偏振天气雷达1部等装备，建立了先进的人工防雹作业体系。喀什地区近两年系统地陆续开展人工防雹作业工作。评估阿克苏地区开展人工防雹作业前后年雹灾面积的差异性，对该地区人工防雹作业具有重要意义。【前人研究进展】近年来，国内很多学者对各地冰雹天气的气候特征、时空分布、灾情分析[4-6]，预报预警方法[7-11]和冰雹形成机制、防雹催化原理及防雹减灾效应[12-14]等开展了研究。由于新疆是冰雹灾害的多发区；面对威胁新疆农牧业经济发展的严重雹灾，王秋香等[15]系统地分析了新疆雹灾损失的分布特征，指出阿克苏地区为新疆雹灾的最严重区域，须进行重点防御；陈洪武[16]、王旭、马禹[17-18]等研究了新疆降雹出现的时间，并统计分析了系统性冰雹天气的环流形势；杨莲梅等[19]在新疆冰雹的气候特征及防御对策方面得出了有意义的结论；李丽华等[20]借助ArcGIS完成了阿克苏地区冰雹灾5个风险区的风险区划。这些研究成果基本上揭示了新疆冰雹天气的发生规律和变化特征。但是，基于强对流性天气系统形成、演变在科学上的复杂性，以及对其开展人工催化作业在技术上的复杂性，因此人工防雹作业效果检验十分困难。【本研究切入点】李斌等[21]已利用一些统计学方法对阿克苏地区人工防雹作业效果开展了评估。但为了进一步评估其人工防雹作业效果，采用不同的统计学评估方法，特别是评估更为高效准确的区域回归分析法十分必要。研究基于阿克苏地区1996年开展人工防雹作业前、后各18a(分别称为历史期、作业期)的雹灾面积资料，以及喀什地区1978～2013年的雹灾面积资料，将阿克苏地区作为目标区，喀什地区作为对比区，利用区域回归分析法确定阿克苏地区雹灾面积减少率，同时结合该地区的农业经济数据，得出人工防雹作业投入产出比。【拟解决的关键问题】利用阿克苏地区和喀什地区1978年～2013年的年雹灾面积统计资料，以1996年作为阿克苏地区开展人工防雹作业开始年，采用统计学的区域回归分析法，科学定量评估人工防雹作业效果，提供一种技术方法和科学依据，进一步提高人工防雹科学作业水平。

1 材料与方法

1.1 材 料

阿克苏、喀什地区1978～2013年年雹灾面积资料来自新疆维吾尔自治区气象局气候中心，相应耕地面积和农业产值数据来源于历年的《新疆统计年鉴》。数据均分别为阿克苏地区8县1市和喀什地区11县1市每年相应数据的总和，其中个别异常、重复数据进行分析、咨询、审核后剔除。

面积为耕地面积，未使用播种面积作为基准。原因是考虑到诸如开春的霜冻、大风灾害等因素，会使一些已播种的耕地复播或重播，播种面积因而会加大。产值采用去除林业、畜牧业产值后的农业产值作为标准。

1.2 方 法

采用区域回归分析方法。假定作业期两个区域的统计变量满足上述回归关系，则利用统计回归方程由作业期对比区的统计变量值推算出作业期目标区的统计变量自然值，亦称作业期目标区自然统计变量的期待值，再与作业期目标区的实际统计变量值比较，即可得到作业期目标区统计变量的评估结果。

喀什地区作为对比区和阿克苏地区作为目标区的有关年雹灾面积资料(单位公顷)。设对比区的年雹灾面积为xI1，目标区年雹灾面积为yI1，对比区年雹灾面积开四次方为xi，目标区年雹灾面积开四次方为yi，即xi1=xi4，yi1=yi4，列出相关计算结果。表1

2 结果与分析

2.1 目标区与对比区的确定

根据目标区与对比区的选定要求：受人工催化影响的目标区应位于作业点的下风方向；不受人工催化影响的对比区要求：一是要在作业区的上风方向或垂直于风向的侧面，不受人工催化影响；二是地形、地貌、面积等应与作业区大体相当；三是两区样本的相关系数显著性水平应达到0.05以上[22]。

喀什地区位于阿克苏地区西部，而新疆的天气系统均是自西向东移动，因此就天气系统移动而言，其位于阿克苏地区的上游。喀什地区和阿克苏地区均在天山南麓，塔里木盆地北缘，地形地貌相近。因此两个地区分别符合对比区与目标区的选取要求。图1

表1 年雹灾面积目标-对比回归统计计算
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)历史期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合计250177889156135 4598241 3065Sx=5 5303Sy=4 5566Sxy=13 3560平均13899493987 525513 4059作业期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合计407069357378158 9662180 9542平均22615198548 831510 0530

Ⅰ为对比区(喀什地区)；Ⅱ为目标区(阿克苏地区)

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

图1 目标区与对比区选择示意
Fig.1 Schematic diagram of the object area and comparative area selection

2.2 统计变量的选择

统计变量的选择要求为：目标区和对比区要有作业期前10 a以上的相应资料；其次目标区与对比区的统计变量的区域相关性要较好，统计变量本身的自然变差较小，样本相关系数的显著性水平应达到0.05以上，且适合进行统计检验。若采用t-检验法，则要求统计变量具有或接近正态分布[22]。

2.2.1 样本条件

选取的目标区与对比区均有18 a的非作业期资料，满足非作业期样本数量要求。

2.2.2 统计变量分布条件

采用柯尔莫哥洛夫分布函数配合适度检验法进行两个区域的历史雹灾面积正态分布检验。由于雹灾面积数值自然变差较大，为了使统计变量更接近于正态分布，在进行正态分布检验前，对两个区域的雹灾面积作了数值变换处理。经试验分析，将目标区和对比区的雹灾面积均取了四次方根。经计算，目标区、对比区历史值的拟合度分别为0.73和0.84，均大于要求的0.5。由此认为，目标区和对比区的雹灾面积均满足四次方根正态分布。根据数理统计原理，可以对两个区域的年雹灾面积进行变换，建立回归方程并作统计检验[23]。

2.2.3 样本相关性及显著性条件

进行相关性及其显著性检验。对于目标区和对比区四次方根服从正态分布的历史雹灾面积资料，利用下式计算两区的统计变量相关系数r：

因而统计变量的选择满足要求。

2.3 区域回归分析

2.3.1 建立历史回归方程

按照历史回归统计原理，采用最小二乘法计算出两个区域雹灾面积四次方根之间的线性拟合关系y=a+bx，系数由下式计算：

经计算得b≈0.436 7，a≈10.119 6。所以建立的作业期目标区依对比区的历史回归方程为：

历史回归方程与样本分布结果。样本基本均匀分布在回归线附近两侧，经变换后的两区域年雹灾面积基本满足线性关系。图2

图2 线性回归结果与样本分布
Fig.2 Linear regression results with the samples distribution

2.3.2 线性回归方程的显著性检验

在目标区与对比区历史年雹灾面积四次方根均总体服从正态分布且二者相关性较好的条件下，运用方差分析的F-检验法，检验确定回归方程的显著性[24]。

经计算，F≈6.25>F0.05=4.49。因此，线性回归方程显著，可信程度达到96%。可通过此线性回归方程估算作业期作业区的自然年雹灾面积四次方根的期待值。

2.3.3 效果评估与统计检验

为减少自然变差的影响，采用多个事件的t-检验法定量估计人工防雹作业效果[24]。

t=

2.3.4 雹灾损失减少量估计

作业期目标区实测年平均雹灾面积为19 854 hm2，而经线性回归方程计算估计的年平均雹灾面积为43 656 hm2。因此得出年平均雹灾面积绝对减少值为23 802 hm2，相对减少率为54.5%。单边显著性水平超过0.01。

根据阿克苏地区作业期18 a年农业产值和年耕地面积，可估计产值约为18 661元/hm2。因此，科学开展人工防雹后，平均年减少雹灾损失44 417×104元，占年平均农业产值的5.51%。而阿克苏地区科学开展人工防雹后，每年投入人工防雹经费在4 500×104元左右，因此平均年投入产出比为1∶10。

3 讨 论

由于云、降水自然变差太大，导致降雹时空分布变化很大，从而使得雹灾面积变化起伏也很大。人工防雹作业效果的统计检验相当于从这些高的“噪声”中提取人工防雹作业效果的“信号”，因此，统计检验方法的功效往往不高[22-23]。但是，就目前的人工防雹作业技术和检验方法，统计检验方法是检验人工防雹作业效果的主要方法之一。从统计学和人工影响天气角度考虑，相对于序列试验法、不成对秩和检验法、t-检验法和Welch检验法等，采用的区域回归试验法，检验功效、准确度较高[22]。所谓回归分析，就是为了寻找非确定性关系的统计相关，并运用其从一个或多个变量去估算统计相关的另一个变量，同时还应确定其准确度的大小。在回归检验分析过程中，首先两个变量应具有一定的相关性r，其可用t检验法检验显著性，否则回归方程无意义[25]；其次为了分析变量差异主要是有自变量引起还是其他因素造成的，需利用F检验法对回归方程进行显著性检验[23]。在采用统计检验的同时，还应注重利用天气雷达回波变化等信息开展物理检验，以显现人工防雹作业效果的动力效应等物理机制。

4 结 论

4.1 根据区域回归分析条件，在对比区-目标区的确定、统计变量的选择及样本数量等方面满足分析要求。

4.2 建立线性区域回归方程的样本相关性经t检验满足要求。所建立的线性回归方程经F检验可信程度达到96%，显著性高。

4.3 区域回归分析，阿克苏地区科学开展人工防雹作业后，平均年雹灾面积减少23 802 hm2，相对减少率为54.5%，平均年减少雹灾损失44 417万元，占年平均农业产值的5.51%，平均年投入产出比为1∶10。统计显著性水平高达0.01。

4.4 相对于序列试验法、不成对秩和检验法、t-检验法和Welch检验法等统计学检验方法，区域回归试验法检验功效、准确度较高。但对取样相似性、样本数量、质量以及计算过程要求较高。

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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

公益性行业(气象)科研专项经费项目 (GYHY201306047)；自治区重大专项“新疆吐鲁番哈密地区空中云水资源开发利用”；科技支撑项目“新疆绿洲人工防雹减灾效果评估研究”(TUHA201525)

李斌(1968-)，男，广东潮州人，研究员，硕士，研究方向为人工影响天气，(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