新疆重点雹区防雹作业效果检验评估

李 斌，郑博华，朱思华

（新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，新疆 乌鲁木齐830002）

新疆是典型的干旱、半干旱地区，境内高山、盆地、沙漠广布，河流纵横，气候多变[1]，属于温带大陆性干旱气候。由于新疆复杂的地形地貌特征，也是我国西北地区上空重要的水汽通道， 使得新疆成为西北地区乃至全国冰雹灾害多发地区之一[2]。 天山山脉、帕米尔高原、阿尔泰山和西部界山山区等流域是新疆9 个冰雹多发源地[3]，比较频发的是天山西部伊犁河和特克斯河流域、北疆沿天山奎玛流域、南疆渭干河、阿克苏河以及叶尔羌河流域。

新疆人工防雹作业始于20 世纪70 年代， 历经40 余年发展，截止2016 年，新疆（包含兵团）拥有人影作业“三七”高炮433 门，火箭作业系统1257 部，作业指挥天气雷达51 部，年消耗炮弹20 余万发、火箭弹4 万余枚，年投入近2.5 亿元左右[4]。

效果检验是当前国内外人工影响天气技术中十分困难的重大科学技术难题[5]，但又是人工影响天气不可缺少的重要环节之一。 开展新疆绿洲人工防雹减灾效果检验评估工作， 有助于回应社会各界关心的人工防雹效果问题；有利于获得各级政府、有关部门及全社会对此项事业的理解和长期稳定支持；有益于人工防雹作业技术的改进和减灾效益的提升。

国内相关冰雹研究方面，郑凯等[6]利用黑龙江省55 a 降雹资料， 分析给出了降雹时空分布特征；李晓鹤等[7]为研究天水市冰雹发生时空变化特征，对40 a 冰雹观测资料进行了分析；叶彩华等[8]也对1978—2006 年30 a 北京地区冰雹资料分析后，得出了北京上空冰雹时空分布特征；鲁德金等[9]对安徽省春夏季冰雹云雷达回波相关参数特征开展分析，并得出了相关参数指标；张正国等[10]为了获取广西冰雹云识别量化指标， 对有关降雹天气雷达回波进行了特征分析；李湘等[11]利用多普勒雷达回波强度、回波高度、径向速度场、VIL 等产品及冰雹灾情资料， 统计总结出云南省2006—2007 年22 次成灾冰雹天气过程特点，得出识别冰雹云的规律和指标；刘治国等[12]对甘肃某地一次高炮防雹试验进行了多普勒天气雷达分析， 表明高炮作业可以抑制炸点附近云中上升气流和冻滴平均直径及质量， 消雹同时可增加降水。 国内研究在认识当地冰雹云发生规律及其特征，利用天气雷达开展防雹预警指挥，防雹作业效果分析等方面取得了很好成果。

新疆是我国冰雹多发区之一。 为了研究新疆冰雹发生及其灾害特征，张俊兰等[13]利用50 a 资料分析了阿克苏地区冰雹天气时空分布特征， 得出强冰雹天气有增多趋势， 特别是局地性强冰雹天气明显增多；史莲梅等[14]利用1961—2014 年雹灾资料分析表明，新疆雹灾频次集中出现在阿克苏、博州和石河子等地，5—8 月多发，阿克苏属严重雹灾区，新疆西部的南疆喀什、 北疆塔城及西天山伊犁等地属重雹灾区；王昀等[15]为得出天山北侧冰雹时空变化特征，提取成灾冰雹云雷达回波预警指标参数， 对相关观测站点资料和天气雷达资料进行了分析； 魏勇等[16]利用天气学和CINRAD/CC 雷达， 分析了天山北坡一次冰雹天气过程， 得出了冰雹天气形成的天气背景成因，有关雷达回波参数特征；李斌等[17-18]利用喀什新一代天气雷达分析了南疆一次冰雹天气过程，利用五家渠新一代天气雷达分析了北疆一次冰雹天气过程， 得到了南北疆典型冰雹天气多普勒雷达回波特征；杨莲梅[19]从气候方面分析了新疆冰雹气候特征。 这些分析研究表明， 新疆的冰雹灾害比较严重，具有明显的地域分布特点。在利用各类天气雷达分析、认识冰雹云特征方面获得了一定结果。

李斌等[20-21]利用非参数性、参数性和区域回归分析等不同统计学评估方法， 对南疆阿克苏地区人工防雹作业效果进行了评估分析。 表明年平均冰雹灾害面积减少， 并得出了一定的人工防雹作业效益比。本文基于前者的相关分析方法和研究成果，又对冰雹频发的新疆奎玛流域、 伊犁河谷以及新疆总体人工防雹作业效果开展了评估分析。同时，通过对新疆兵团部分垦区的人工防雹作业效果进行对比分析后，对兵地人工防雹作业效果及差异进行了讨论。

1 资料与方法

1.1 资料

选取冰雹多发的阿克苏地区、 喀什地区、 伊犁州、乌苏市、沙湾县和玛纳斯县作为冰雹研究区域，使用这些区域以及新疆总的年冰雹灾害面积作为分析数据，这些数据由新疆气候中心提供。各地及新疆总的耕地面积和农业生产值依据《新疆统计年鉴》资料。所有地方数据不包含兵团部分。数据经过严格审核和质量控制。 选用的兵团第五师博乐垦区和第六师五家渠垦区年雹灾面积资料来源于当地档案馆。

考虑到诸如开春霜冻、大风等自然灾害，会导致一些已播种耕地因受灾而重播，造成播种面积加大。因此，文中分析过程中，引用的是耕地面积而未使用播种面积数据，这样分析更为准确。考虑到冰雹主要对种植业作物造成灾害， 因而文中分析引用的是以种植业产值为主的农业生产值数据。这样去除工业、服务业以及农业的林业、养殖业、畜牧业的产值进行评估，更加准确。

1.2 方法

统计检验、物理检验、数值模拟检验是人工影响天气效果评估三种主要的方法[22]。 本文主要利用新疆各地年冰雹灾害面积资料， 根据资料样本的分布特征，利用t 检验、Welch 检验、区域回归检验等有关统计学检验方法， 对新疆主要冰雹多发区的人工防雹作业以及新疆总的人工防雹作业效果进行统计评估检验。

主要步骤为： 第一步是样本正态分布检验，采用柯尔莫哥洛夫配合适度检验法；第二步是方差显著性检验，采用F-检验法；最后在前2 个条件均满足的前提下，效果检验采用t 检验法：

如果只满足第一个条件时，效果检验采用Welch 检验法：

在α＜0.1 显著性水平条件下， 可以开展区间估算。 计算公式为：

式（4）中，取α＝0.1，自由度v=n1+n2-2，查t-分布表得t0.2； x¯01为作业期，如果不科学开展人工防雹作业，有90%可能性出现年平均冰雹灾害面积。 据此， 评估科学开展人工防雹作业后的年平均冰雹灾害面积减少值为， 相对减少率计算公式为：

其结果可信度为α=0.1。

区域回归试验定义：选取一个以上对比区，通过历史数据， 拟合建立试验区与对比区统计变量回归方程。如得到的回归方程可信，则利用回归方程计算假定作业期未作业的试验区统计变量自然值， 亦称期待值。实际统计变量值与其比较，即可分析得到评估结果。但开展此类试验的条件是：首先区域选定要求对比区应位于作业点上风方或垂直于风向的侧面，以保证对比区不会受到催化剂污染影响；其次对比区地形、面积等应与试验区基本相似；三是统计变量选择要求试验区和对比区要有历史期10 a 以上相应样本资料，两区样本相关系数要满足α=0.05 以上相关性，且适合进行统计检验。 正态分布是采用t检验法的前提[23]。

2 结果与分析

2.1 阿克苏地区（渭干河流域和阿克苏河流域）人工防雹作业效果评估

经检验，阿克苏地区历史期（1978—1995 年）年平均冰雹灾害面积分布满足正态分布，但F 检验显示作业期（1996—2013 年）和历史期统计变量总体方差差异明显。 因此，不可使用t 检验法，而需采用Welch 检验法对作业效果进行评估检验。 评估检验得到显著性水平α=0.01；区间估算结果为年平均减少冰雹灾害面积15 062.9 hm2，相对减少43.14%。年平均挽回冰雹致灾效益28 109 万元，占3.49%年平均农业生产值；年平均成本效益比为1∶6，统计显著性水平α=0.01 。

喀什地区人工防雹作业体系至今未完全形成。鉴于两地区满足区域回归分析的条件（图1），通过建立区域回归方程，开展区域回归分析。 结果为：阿克苏地区年平均减少冰雹灾害面积23 802 hm2，相对减少54.5%，年平均挽回冰雹致灾效益44 417 万元，占5.51%年平均农业生产值；年平均成本效益比为1∶10。 统计显著性水平高达0.01[20-21]。

图1 试验区与对比区位置

2.2 奎玛流域人工防雹作业效果评估

1987 年乌苏711 雷达站建成并投入业务使用，奎玛流域建立了以玛纳斯雷达站和乌苏雷达站联合指挥作业体系。 以此为节点， 将1977—1986 年和1987—2013 年分别划分为奎玛流域科学开展人工防雹作业前期和后期。选取资料较为完整的乌苏、沙湾和玛纳斯3 县的年冰雹灾害面积资料作为统计变量。=4 950.75 和=6 981.31、=5 867.78 和=6 601.77、n1=27 和n2=10 分别是人工防雹作业期和历史期年平均冰雹灾害面积样本的平均值、 方差和样本容量。经柯尔莫哥洛夫配合适度检验法检验，其历史期年平均冰雹灾害面积正态分布度达98.4%，满足正态分布。 同时，利用F 检验法得，F=1.27（＜F0.05=2.24），因此历史期和作业期年平均冰雹灾害面积的方差变化不显著。进而，可以采用t 检验法对科学开展人工防雹作业前后的年平均冰雹灾害面积进行统计显著性检验。计算得t=0.904（＞t0.2=0.852），＞α=0.2 。 因此，科学开展人工防雹作业期年平均冰雹灾害面积比历史期有所减少，但显著度一般，未达到0.05。

2.3 伊犁河谷（伊犁河流域和特克斯河流域）人工防雹作业效果评估

以1989 年当地引进一批人工防雹作业高炮开展联合防雹为标志， 伊犁河谷科学开展人工联合防雹作业前为1980—1988 年， 将1989—2013 年划分为作业后时段。 选取各县年冰雹灾害面积之和作为统计变量。=9 520.07 和=22 198.26、和n2=9 分别是人工防雹作业期和历史期年平均冰雹灾害面积样本的平均值、方差和样本容量。经柯尔莫哥洛夫配合适度检验法检验， 其历史期年平均冰雹灾害面积正态分布度为50%，基本满足正态分布。 利用F 检验法得，F=7.56（＞F0.05=2.36），表明历史期和作业期年平均冰雹灾害面积方差变化显著。所以，样本不满足使用t 检验法检验要求。 进而，采用Welch 检验法。经计算得出：Z=1.012、v′=8.77，查算t-分布表，得出Z＞t0.2=0.884，但＜t0.1。 因而显著性水平为α=0.2。 显著度一般，未达到0.05。

2.4 新疆（不含兵团）总体人工防雹作业效果评估

以1996 年阿克苏地区建设新疆第一部多普勒天气雷达投入业务运行为时间节点，将1978—1995年和1996—2013 年分别划分为新疆主要区域科学开展人工联合防雹作业前后时段。 统计变量是新疆各地年平均雹灾面积之和。

2.4.1 1978—2013 年新疆雹灾情况概述

图2 为1978 年以来新疆年平均冰雹灾害面积的变化。历史期（1978—1995 年）18 a 年平均耕地面积308.58 万hm2，年平均冰雹灾害面积10.4 万hm2，占年总耕地面积的3.4%；作业期（1996—2013 年）18 a，为了满足不断增加的人口对耕地需求[24-25]，通过开荒扩土， 使得新疆年平均耕地面积增加到了379.72 万hm2，年平均冰雹灾害面积为78 883.1 hm2，占年总耕地面积的2.1%。年平均冰雹灾害面积经过科学开展人工联合防雹作业降低了1.3 个百分点。经济损失方面，年平均冰雹灾害损失历史期18 a 和作业期18 a 分别为9 356.5 万元和43 449.9 万元，作业期较历史期年平均冰雹灾害损失多34 093.4 万元。 分析原因，主要是随着新疆种植业结构调整，粮油、特色林果、优质棉等高附加值作物种植面积不断扩大；同时，伴随着各种农资、人力物力等价格上涨，导致种植成本增加很快。但是，从年平均农业生产值角度分析， 历史期年平均冰雹灾害损失约占新疆年平均农业生产值的1.1%；作业期年平均冰雹灾害损失约占新疆年平均农业生产值的0.5%。 相比较而言， 作业后的年平均冰雹灾害对新疆年平均农业生产值造成的损失比例较作业前减小了约54.5%。

图2 1978—2013 年新疆年平均冰雹灾害面积变化

2.4.2 新疆人工防雹作业效果统计评估分析

经柯尔莫哥洛夫配合适度检验法检验， 历史期新疆年平均冰雹灾害面积正态分布度达到99.9%，完全满足正态分布。=78 883.11 和=104 042.39、和n2=18 分别是人工防雹作业期和历史期新疆年平均冰雹灾害面积样本的平均值、方差和样本容量。 经F 检验法得，F=1.07（＜F0.05=2.28），表明历史期和作业期新疆年平均冰雹灾害面积方差变化不显著。 采用t 检验法对科学开展人工防雹作业前后的新疆年平均冰雹灾害面积进行统计显著性检验。 得出t=1.689，t~t0.05=1.692，表明显著性水平α 接近0.05，减灾效果显著。

区间估算结果为： 作业后新疆年平均减少冰雹灾害面积3 374.3 hm2，相对减少4.1%。 根据新疆作业期18 a 年平均农业生产值和年总耕地面积，估算得出每公顷耕地生产值约为19 748 元。 因而，作业后新疆年平均挽回冰雹致灾效益6 663.6 万元，占0.09%年平均农业生产值， 统计显著性水平为α=0.1。

2.5 兵团部分垦区人工防雹作业效果评估

2.5.1 博乐垦区

1989 年开始，兵团第五师博乐垦区先后引进了三七高炮、数字化天气雷达、人工增雨防雹火箭作业系统等，初步建立了人工防雹作业体系。 将1976—1988 年和1989—2003 年分别划分为历史期和作业期，以年平均冰雹灾害面积作为统计变量，在满足正态分布和方差差异不显著前提下， 采用t 检验法进行作业效果统计显著性检验评估。 结果显著性水平α 接近0.05，作业减灾效果显著。 经区间估算：年平均减少冰雹灾害面积841.53 hm2， 相对减少26.56%，统计显著性水平为α=0.1[26]。

2.5.2 五家渠垦区

兵团第六师五家渠垦区根据1988—2009 年年平均冰雹灾害面积资料， 以建立新一代天气雷达为标志，2002 年前为历史期。 在年平均冰雹灾害面积样本满足正态分布和方差差异不显著前提下， 采用t 检验法进行作业效果统计显著性检验评估。 结果显著性水平α 接近0.05，作业减灾效果显著。 经区间估算：年平均减少冰雹灾害面积2 406.67 hm2，相对减少35.57%，统计显著性水平为α=0.1[27]。

3 讨论

由表1 和表2 分析可知：在新疆，除了阿克苏地区外，人工防雹作业效果兵团总体优于地方。这与新疆兵团人工影响天气整体组织架构健全、 基层作业队伍素质较高和严格的军事化管理有关。

表1 新疆主要人工防雹作业区以及兵团部分垦区作业效果统计显著性水平评估

表2 新疆主要人工防雹作业区以及兵团部分垦区作业效果区间检验估算结果

阿克苏地区人工防雹作业减灾效果显著性水平是新疆地方最高的。 这与该地区的人影作业队伍准军事化管理、 地方人影组织机构健全、 经费保障到位、重视监测和作业装备配备维护、重视科技支撑有很大关系。

新疆其他地区作业效果显著性水平一般。 主要原因是：这些地区在诸如人工防雹业务经费投入、科技支撑、联合防雹作业、作业指挥能力、作业队伍培养等方面，不能满足科学作业要求。虽然新疆总体作业效果显著性水平显著，但由于上述原因，有些地方的人工防雹作业效果显著性水平不显著， 甚至一些地方没有开展人工防雹业务， 导致新疆总体年平均冰雹灾害面积绝对减少值和减少率低。这也表明，新疆人工防雹减灾作业管理、 作业方式方法等有待改进，作业效果有进一步提升的空间。

4 结论

（1）统计评估表明，科学开展人工防雹作业后，阿克苏地区人工防雹减灾效果显著性水平α=0.01，远大于临界值0.05。在α=0.1 显著性水平时，年平均减少冰雹灾害面积15 062.9 hm2，相对减少43.14%。年平均挽回冰雹致灾效益28 109 万元，占3.49%年平均农业生产值，年平均成本效益比为1∶6。 利用区域回归分析法得出， 年平均减少冰雹灾害面积23 802 hm2，相对减少54.5%，年平均减少冰雹致灾损失44 417 万元， 年平均挽回农业生产值损失5.51%， 年平均成本效益比为1∶10， 显著性水平为0.01。

（2）统计分析表明，奎玛流域和伊犁河谷地区开展人工防雹作业效果显著性水平为0.2， 显著性一般。

（3） 新疆总体年平均冰雹灾害面积经过科学开展人工联合防雹作业降低了1.3 个百分点。 作业后的年平均冰雹灾害对新疆年平均农业生产值造成的损失比例较作业前减小了约54.5%。 人工防雹作业减灾效果显著性水平α 接近0.05， 减灾效果显著。在显著性水平α=0.1 时， 新疆年平均减少冰雹灾害面积3 374.3 hm2，相对减少4.1%，年平均减少冰雹灾害损失6 663.6 万元， 年平均挽回农业生产值损失0.09%。

（4）新疆兵团第五师博乐垦区和第六师五家渠垦区的人工防雹减灾效果经统计检验， 显著度均为0.05，防雹减灾效果显著。