机器学习在人工增雨效果统计检验中的应用

利用福建省古田人工增雨试验基地2014年1月—2023年1月小时自然降水数据,结合线性拟合、多项式回归和样条回归等多种数学统计方法,开展决策树、支持向量机(SVM)和卷积神经网络(CNN)3种机器学习方法在估测目标区自然降水中的应用研究。目标区和对比区自然雨量关系模型对比结果表明:以区域平均面雨量为统计变量时,CNN和四项式回归效果相对较好,其中CNN的确定系数为0.516,均方根误差为1.097 mm;对平均面雨量进行六次方根变换后,各模型的精准度大幅提升,CNN表现最优,确定系数为0.658,其次为SVM;为克服目标区和对比区雨量时间序列效应及空间分布不均等问题,以面雨量空间格点数据作为研究对象,采用CNN 3种优化器(自适应矩估计、均方根传递和梯度随机下降)算法进行对比,发现基于自适应矩估计优化器建立目标区和对比区雨量关系模型最优,其降水估测值与实测值更接近,均方根误差最小,为0.61 mm。因此,利用CNN方法能够进一步优化目标区和对比区雨量关系模型,可为定量评估人工增雨效果提供参考。

基于区域历史回归法的雷州半岛火箭增雨作业效果检验

利用ERA5再分析资料,区域自动站雨量资料以及双偏振雷达基数据,采用区域历史回归方法,对2020年7月4日雷州半岛火箭人工增雨作业进行物理检验和统计检验。结果表明:作业后作业区域云系云冰含量大幅增加,强回波区面积增大,回波顶高度升高,平均回波强度显著增加。选取1971—2000年作业影响区和对比区逐年7月的平均日降水量资料作为历史样本建立回归公式,结合作业当天区域自动站的雨量资料,计算得出日降水量和作业后3 h累积降水量的绝对增雨量分别为11.07 mm和2.32 mm,相对增雨率分别为51.08%和38.73%,均通过了置信水平为α=0.05显著性检验。因此,雷州半岛开展人工增雨作业对缓解气象干旱,满足水库蓄水等有重要意义。

聚类统计检验在人工增雨效果检验中的应用

将聚类统计检验分析引入原有的基于聚类的浮动区对比历史回归人工增雨效果检验方法中,减小站点分区的盲目性,聚为同一类的站点相似度更大,使聚类分析具有统计学意义。并把这种方法和未引入聚类检验的方法进行比较,通过对河南4月10次作业的效果评估表明,引入聚类检验提高了效果评估的功效。

2006年北京市人工增雨作业效果统计分析

利用区域历史回归方案对北京市2006年人工增雨作业效果进行统计评估,选择区域平均日雨量作为统计变量,北京市2006年共有43个催化作业日,其中41个为增雨作业日,作业区域位于北京市北部,面积大约为100 km×50 km。评估结果表明,北京市2006年人工作业相对增雨13%,绝对增雨39 mm,但增雨效果不显著。本文根据催化技术状况对作业日进行分类统计分析,得到21个地面催化充分作业日相对增雨34%,显著度较高,u检验达0.019;29个地面和飞机催化充分作业日相对增雨37%,u检验显著度为0.022;8个飞机作业日相对增雨48%,增雨显著度较低;12个催化不充分作业日相对减雨49%;2个过量播撒消雨作业日相对减雨12%,结果也不显著。分类统计分析表明,对目标区进行充分催化是获得好的催化效果的前提。

飞机人工增雨分层历史回归效果检验方法探讨

在飞机人工增雨中,为提高作业决策和效果检验的客观性,用冰面饱和区、0℃层以上水汽积分量≥9mm区域和水汽向上输送区作为确定作业目标区指标;用碘化银粒子浓度q≥10L-1的区域作为确定作业影响区的范围;用作业目标区、总雨量等值线和相关系数检验等约束条件选择对比区。在建立回归方程时,用天气系统分型和相同作业时段等方法确定回归样本。采用单次活动对比区和影响区分层历史回归方法建立飞机人工增雨效果检验系统并在业务中使用,该方法物理意义明确,在决策作业和效果检验的实践中有重要意义。

东北冷涡云系人工增雨作业效果的检验和分析

根据辽宁地区的东北冷涡降水天气过程的规律和特点,利用气象台站网的常规观测资料,用事后划分影响区和对比区的移动分区区域回归方法,对东北冷涡降水云系的人工增雨作业效果进行了综合分析.结果表明：（1）辽宁省1992-2004年6～8月对东北冷涡云系人工增雨作业的平均增雨效果为22.44%.（2）有95%以上的可信度证明辽宁省的人工增雨有正效果.（3）物理检验分析证明,作业方法及催化部位基本是合理的,催化作业是有效的.

人工增雨效果检验的研究进展

人工增雨效果检验主要分为统计检验和物理检验,统计检验又分为随机化检验和非随机化检验,而非随机化试验通常分为序列实验、区域对比试验、区域历史回归、区域控制模拟试验等。笔者对国外一些著名效果检验计划进行了简要介绍,同时就人工增雨效果检验的前景进行了探讨。

邯郸地区年降水量统计特性

运用线性回归分析与Mann-Kendall趋势检验法对邯郸地区及各水资源分区的降雨资料进行分析,揭示了该地区及各水资源分区年降水量不断减少的变化趋势及显著性水平,并得出如下结论:各水资源分区年降水量变化规律不一致;随着海拔高度的降低,区域年降水量变化趋势越明显;低海拔区域年平均降水量减少是海河流域年径流量减少的重要原因。

商丘地区高炮增雨效果分析

用不同统计单元统计分析了河南省瓦权县1991－1992年高地作业的增雨效果。以田雨量为统计单元，33个作业日中76％（25天）显著地增加了雨量，2年共增雨329．lmm。以月、季为统计单元，作业期间增雨显著的为48％以上，而增雨效果不显著或雨量减少的为21％以下。但总的看，以年雨量为统计单元，民权县的人工增雨作业年均增雨14％，两年共增雨172．Zmm。

区域降水量与经纬度及海拔关系的分析

利用地理加权回归(GW R)和混合地理加权回归(MGW R)方法主要分析了我国部分区域降水量与经纬度及海拔关系的空间变化特征.

江西省人工增雨统计检验系统设计与实现

介绍了基于VB6.0数据库编程技术的江西省人工增雨统计检验系统的设计思路、实现方法及具备的功能,阐述了区域历史回归和双比分析两种统计分析方法在人工增雨效果检验中的应用。选取2008年贵溪市开展的2次人工增雨作业进行效果检验及系统应用检验,利用系统提供的区域历史回归分析方法,计算得到人工增雨作业相对增雨率约31.9%,增雨效果显著。

石羊河上游地面人工增雨效果统计检验分析

为深入了解石羊河上游的人工增雨效果,评估不同月份的人工增雨效果,利用统计方法对2010—2019年4—10月石羊河上游地区的人工增雨作业效果进行了检验和分析。结果表明:石羊河上游4—10月平均绝对增雨量为4.7 mm,检验结果通过0.05的显著性检验。春季(4—5月)和秋季(9—10月)人工增雨效果明显好于夏季(6—8月);4月增雨效果最好,相对增雨率在35%以上。区域历史回归分析的结果介于序列分析和区域对比分析之间,相对客观。初步结果显示,人工增雨使石羊河上游年降水增加13.5%,人工增雨效果显著。

江西省对流云火箭增雨作业个例分析

利用基于日雨量和小时雨量资料的区域历史回归分析方法和基于雷达探测的作业云体单元和对比云体单元的时间序列对比分析方法对江西省两次对流云火箭增雨作业个例进行综合分析,结果表明:两次增雨作业的区域历史回归分析结果均为正效果,且均通过显著性水平检验,但使用日雨量资料和小时雨量资料分析得到的增雨效果差异较大,原因可能是两种雨量资料的时空分布差异较大,火箭作业期间两种雨量资料包含的时间长度不一致;利用雷达探测资料,基于相似理论找出与作业云体单元最相似的对比云体单元,对比分析作业云体单元和对比云体单元在作业前后雷达探测的5个物理量的时间序列变化发现,两次增雨作业中,作业云体单元的5个雷达探测物理量相对于对比云体单元出现了明显的正偏离现象,其中作业云体单元回波体积增加趋势最为突出,增雨效果的物理证据明显。两次对流云火箭增雨作业的雨量区域历史回归分析的正效果与雷达探测的作业云体单元和对比云体单元作业前后时间序列变化的正偏离现象互为印证,较好地展示了对流云火箭作业的增雨效果。

随机森林算法在人工增雨效果统计检验中的应用研究

评估人工影响天气的效果通常需通过一定的方法近似求出未作业时的降水量,传统的人工影响天气效果的统计检验方法以线性回归为主,这种方法能够较好地建立目标区和对比区的历史回归方程。但实际上,降水量受多种因素影响,通过历史回归方法无法解决降水量非线性的问题。为解决降水估算中存在的非线性问题,提高降水量估算精度,引入了当下流行的机器学习算法——随机森林算法。使用优选出的多个与降水量相关的预报因子,分别构建了月、日降水估算模型,然后利用江西省南昌市1961-2010年降水数据及环流指数数据,并结合2012-2014年南昌市地面增雨作业信息,验证所建模型估算降水的可行性和人工增雨作业效果统计检验的适用性。结果表明,随机森林模型估算精度较高、泛化能力强,能较准确地估算月、日降水量,对于稳定性降水的估算准确率达90%;但随机森林模型对汛期的月降水量和强对流天气影响下的日降水量估算结果较观测值偏低,有待进一步订正和研究。总体来说,随机森林模型具有精度高、稳定性好、收敛快、不用进行数据预处理、参数少、操作便捷等特性,在综合性能上具有一定优势和可推广性。

江淮对流云人工增雨作业效果检验个例分析

江淮对流云是安徽省夏季开展人工增雨作业的主要作业对象,不同于经过严格试验设计的随机试验,大多采用非随机的地面火箭、高炮或者烟炉的作业方式。由于对流云存在生命期较短局地性强、自然变差较大等特点,对其作业效果进行客观、科学、定量的效果评估存在一定困难。利用安徽省国家级地面气象站降水量日值数据和覆盖目标区的SA多普勒雷达资料,将区域历史回归分析统计检验方法和播云多普勒雷达识别追踪及物理检验方法相结合对2012年6月28—30日江淮对流云增雨作业效果进行个例分析。结果表明,作业后目标区绝对增雨37.2 mm,相对增雨65.18%,统计显著度α<0.1;基于雷达探测基数据识别追踪作业单元,选取合适对比单元,对比分析作业单元与对比单元作业前后雷达回波参量的变化差异给出了对应统计检验结果的物理证据。

湖南省人工增雨统计检验系统设计与实现

介绍了基于Delphi 7.0数据库编程技术的湖南省人工增雨统计检验系统的设计思路、实现方法及具备的功能,阐述了区域历史回归和聚类分析2种统计分析方法在人工增雨效果统计检验中的应用。选取2009年长沙市开展的2次人工增雨作业进行效果检验及系统应用检验,利用系统提供的区域历史回归分析方法,计算得到人工增雨作业相对增雨率约为31.90%,增雨效果显著。

祁连山及周边降水分布聚类检验和典型流域增雨效果评价

祁连山及周边区域地形复杂,降水分布极不均匀,如何科学地分区分型,对把握研究区域降水分布特征具有极为重要的意义。利用该区域31个国家基本站1961—2020年5—9月降水量资料,采用主成分分析方法(PCA)对该区域降水量进行分析,再通过聚类分析(CAST)对该结果进行显著性检验,最后将分区分型结果应用于人工增雨作业效果评估。结果表明:(1)祁连山及周边可分成7个区域(Z1~Z7),累积方差贡献率超过78%。(2)这7个区域分别以乐都、海晏、野牛沟、武威、高台、临泽、刚察为中心点,划分结果与降水量、地理地形、海拔高度显著关联。(3)依托区域历史回归统计方法对人工增雨作业效果进行评价,发现1992—2020年石羊河流域5—9月绝对增雨量、相对增雨率分别为8.91 mm、6.51%,其中7月最高(6.30 mm、21.86%),8月次之(5.44 mm、16.11%)。基于地面降水量的作业效果评价往往受对比区选择的影响,聚类检验方法不仅有助于复杂地形下降水量的分区研究,还为科学选择对比区提供了客观依据。

天山巴音布鲁克盆地汛期水资源变化趋势及其影响因素分析

利用1982—2018年巴音布鲁克气象站逐日气象资料和开都河上游大山口水文站逐月径流量资料,采用Morlet小波分析、气候敏感与水量平衡法、时间序列分析等,分析了汛期(5—9月)巴音布鲁克盆地地表径流量变化趋势及气候变化与人工增水作业对径流量的影响。结果表明:近37年巴音布鲁克盆地汛期地表径流量呈增加趋势,突变年份为1989年,存在14、22、4和7a的周期变化,具有17~27、11~16 a和4~8 a的丰枯位相交替变化特征。降水量是影响径流量变化的主导气候因素,对径流量变化的平均影响率为73.1%。因人工增水因素影响,盆地的降水可分为自然降水和人工催化降水,其中自然降水在历史期(1982—1993年)为69.5%,作业前期(1994—2006年)为59.28%,作业后期(2007—2018年)为74.56%,而人工催化降水在人工增水期(1994—2018年)对径流量变化的平均影响率为7.93%,表明径流量对降水的依赖程度正大幅增加,同时人工增水作业对径流量也有一定增加作用。

基于区域历史回归法的成都地区人工增雨效果检验

为了评估成都市人工增雨作业效果,采用区域历史回归统计方法,对成都地区2011—2019年冬半年人工增雨效果进行统计检验。结果表明:成都市冬半年平均各月增雨量为0.14~3.53 mm,相对增雨率为2.14%~32.14%,其中2月和11月增雨效果最佳,平均绝对增雨量分别为2.74 mm和3.53 mm,平均相对增雨率分别为32.14%和28.06%,而1月增雨效果最差。近9 a冬半年累计人工增雨量为88.8 mm,多年平均为9.9 mm,相对增雨率为19.06%,增雨效果显著。这对科学开展成都地区飞机增雨作业、提高增雨效率有指导作用。