人工影响天气效果评估系统

技术领域

本发明属于气象技术领域，具体涉及一种人工影响天气效果评估系统。

背景技术

人工影响天气(简称人影)工作在服务农业生产、缓解水资源紧缺、防灾减灾、保护生态环境以及保障重大活动等方面具有重要作用。为了提高人影作业指挥效率和科技水平能力，效果评估是人工影响天气作业中一个必须进行的重要环节，需要通过效果评估系统来检验人工影响天气作业的效率。

人工增雨等效果评估方式主要分为物理评估、统计评估和数值模式，目前国内外学者主要采用经典非随机化效果评估方法、区域比较方法、对比区历史回归方法等手段来实施对人影作业的效果评估工作。但是上述方法工作效率以及容错稳定性并不是很高，而且也无法科学反映人工影响天气作业的效率。

因此，以当前人影发展情况来看，为提高人影作业指挥现代化水平和临近预报精细化服务水平，切实提高气象业务的科学水平和工作效率，研发一个能够客观反映人工影响天气作业的效率的效果评估系统已经成为本学科亟待解决的难题。

为提高人影作业指挥现代化水平和临近预报精细化服务水平，切实提高气象业务的科学水平和工作效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种人工影响天气效果评估系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种人工影响天气效果评估系统，包括信息采集模块、增雨效果评估模块和防雹效果评估模块；

信息采集模块用于采集作业信息、天气形势、雷达观测数据、自动站、探空数据、雨量资料污染标记、评估结果数据；

增雨效果评估模块用于自动识别云体，并对结果进行展示和查看；

防雹效果评估模块用于校验分析防雹效果，并将分析结果导出进行展示和查看。

优选的，信息采集模块包含第一信息采集单元和第二信息采集单元；

第一信息采集单元用于通过大数据云平台接收自动站、天气形势、探空数据、雷达观测数据；

第二信息采集单元用于从人影现有业务系统中通过服务接口方式接收作业信息、评估结果、雨量资料污染标记数据。

优选的，增雨效果评估模块包含增雨物理效果评估单元和增雨统计效果评估单元；

增雨物理效果评估单元用于实现对作业过程合理性分析、雷达探测物理量计算、确定作业云、作业云识别追踪、催化作业对云体影响判别、确定物理学证据；

增雨统计效果评估单元用于实现对作业过程合理性分析、区域平均降雨量计算、确定作业影响区、确定对比区、统计变量正态检验和正态变换、建立区域历史回归方程、计算绝对增雨量和相对增雨率、统计检验结果显著性检验。

优选的，增雨物理效果评估单元包含作业合理性分析子单元、雷达探测物理量计算子单元、作业云体子单元、作业云识别追踪子单元、催化作业对云体影响判别子单元和物理学证据确定子单元；

作业合理性分析子单元用于根据获取的作业信息，对待检验的作业个例的播云作业过程进行合理性分析；

雷达探测物理量计算子单元用于通过分析作业信息，收集时间和空间覆盖整个作业过程的天气雷达探测基数据，并对雷达回波参量进行计算；

作业云体子单元用于根据作业过程的详细作业信息，准确定位作业位置或作业区域，以确定作业云；

作业云识别追踪子单元用于根据地面作业点的经纬度准确定位作业位置；

催化作业对云体影响判别子单元用于对作业云回波参量进行分析，以判别催化作业对云体的宏观特征产生的影响；

物理学证据确定子单元用于通过效果评估报告，得出作业促使云体单元变化的物理学证据，并通过预先设定的模板及服务平台报告制作服务生成检验报告。

优选的，增雨统计效果评估单元包含作业过程合理性分析子单元、区域平均降雨量计算子单元、作业影响区确定子单元、对比区确定子单元、显著性检验子单元、增雨效果检验子单元、绝对增雨量和相对增雨率计算子单元、作业效果显著性检验子单元；

作业过程合理性分析子单元用于对作业样本进行作业过程合理性分析；

区域平均降雨量计算子单元用于对于区域平均降雨量进行计算；

作业影响区确定子单元用于通过读取人影作业信息资料，确定作业点位置，并确定影响区的范围；

对比区确定子单元用于通过影响区和对比区的地形相似性分析，确定对应对比区的位置；

显著性检验子单元用于正态分布和非正态分布的显著性检验；

增雨效果检验子单元用于计算增雨效果，并对增雨效果进行显著性检验；

绝对增雨量和相对增雨率计算子单元用于计算绝对增雨量和相对增雨率；

作业效果显著性检验子单元用于对作业历史已检验的作业效果进行显著性检验。

优选的，防雹效果评估模块包含预选作业子单元、作业合理性判断子单元、作业过程确定子单元、增雨效果分析子单元和云体识别子单元；

所述预选作业子单元用于选定作业的区域范围；

所述作业合理性判断子单元用于用于根据获取的作业信息，对待检验的作业样本的作业过程进行合理性分析；

所述作业过程确定子单元用于根据作业过程的作业信息和作业过程的雷达探测基数据资料，在雷达探测回波图上准确定位作业位置或作业区域，确定作业云；

所述增雨效果分析子单元用于根据作业期作业影响区自然降水量的估计值与实测值进行比较，以确定增雨效果；

所述云体识别子单元用于根据地面作业点的经纬度在雷达探测图上准确定位作业位置，结合作业时间、作业方位角和仰角，根据作业时刻的雷达回波图判定地面火箭或高炮作业是否合理。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明提供的人工影响天气效果评估系统，通过采用统计变量正态检验和正态变换、建立区域历史回归方程、统计检验结果显著性检验的手段，对人影效果评估过程中目标区与对比区如何科学选定、评估模式选择、气象数据容错机制等关键问题进行了分析，并建立了验证系统，根据验证系统测试情况，通过作业过程合理性分析结果和物理检验分析结果验证了相关技术结合研究范围内气象理论知识在效果评估系统上的可行性；本发明能够提高效果评估的科学性、工作效率以及容错稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中的信息采集模块的工作流程图；

图2为本发明实施例中的增雨物理效果评估单元的增雨效果物理检验流程图；

图3为本发明实施例中的作业合理性分析子单元的工作流程图；

图4为本发明实施例中的雷达探测物理量计算子单元的工作流程图；

图5为本发明实施例中的作业云单体识别追踪图；

图6为本发明实施例中的合理性检验图；

图7为本发明实施例中的确定影响区图；

图8为本发明实施例中的确定对比区图；

图9为本发明实施例中的区域历史回归分析图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被直立阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种人工影响天气效果评估系统，采用B/S架构，通过气象专网从相关气象数据服务器读取，包括信息采集模块、增雨效果评估模块和防雹效果评估模块；

信息采集模块用于采集作业信息、天气形势、雷达观测数据、自动站、探空数据、雨量资料污染标记、评估结果数据；

增雨效果评估模块用于自动识别云体，并对结果进行展示和查看；

防雹效果评估模块用于校验分析防雹效果，并将分析结果导出进行展示和查看。

如图1所示，信息采集模块包含第一信息采集单元和第二信息采集单元；

第一信息采集单元用于通过大数据云平台接收自动站、天气形势、探空数据、雷达观测数据，具体为：

1)在接收到自动站数据后通过自动站解析程序，将自动站插值成网格数据以文本数据格式存储到本地文件夹中。将自动站分布数据解析成地图所需的空间分布格式数据存到本地文件夹中。

2)在接收到天气形势数据后，将其以文本方式存到本地文件夹中。

3)在接收到探空数据后通过探空数据解析程序，将解析的结果存入到人工增雨作业效果检验数据库中探空数据表中。

4)在接收到雷达数据后通过雷达解析程序，将数据解析成组合反射率图片、基本反射率图片、基本速度图片、回波顶高图片、垂直液态水含量图片存到本地文件夹中。

第二信息采集单元用于从人影现有业务系统中通过服务接口方式接收作业信息、评估结果、雨量资料污染标记数据。

增雨效果评估模块包含增雨物理效果评估单元和增雨统计效果评估单元；

增雨效果评估模块自动识别追踪作业前60分钟及作业后120分钟的云体，并将其结果在界面上展示，地图上默认按间隔30分钟显示一块云体位置，可根据选择雷达时次(每6分钟)数据查看逐6分钟的识别结果，并以曲线图的方式展示作业前60分钟及作业后120分钟的雷达回波参量逐6分钟的变化趋势。有双偏振观测的增雨个例提供云体双偏振参量垂直廓线、反演雨滴谱廓线、QPE参量的演变。

如图2所示，增雨物理效果评估单元用于实现对作业过程合理性分析、雷达探测物理量计算、确定作业云、作业云识别追踪、催化作业对云体影响判别、确定物理学证据；

增雨物理效果评估单元包含作业合理性分析子单元、雷达探测物理量计算子单元、作业云体子单元、作业云识别追踪子单元、催化作业对云体影响判别子单元和物理学证据确定子单元；

如图3所示，作业合理性分析子单元用于根据获取的作业信息，对待检验的作业个例的播云作业过程进行合理性分析；只有通过合理性分析，才可认为是播云作业过程基本合理的作业个例，进行物理检验。

雷达探测物理量计算子单元用于通过分析作业信息，收集时间和空间覆盖整个作业过程的天气雷达探测基数据，并对雷达回波参量进行计算；具体为通过分析作业信息，收集时间和空间覆盖整个作业过程的天气雷达探测基数据，作为物理检验的必备资料，计算雷达回波参量：包括回波顶高、回波体积、最大反射率和对应高度、垂直累积液态水含量；显示作业时及作业后2小时雷达回波参量随时间变化趋势，取作业后的回波参量与作业时的回波参量进行比较，以判别云体在催化后的宏观特征变化，如图4所示。

作业云体子单元用于根据作业过程的详细作业信息，准确定位作业位置或作业区域，以确定作业云；具体为根据作业过程的详细作业信息(地面火箭或高炮作业信息包括地面作业点经纬度、作业方位角和仰角、作业用弹量、作业起止时间)，基于覆盖作业过程的雷达探测基数据资料，在雷达探测回波图上准确定位作业位置或作业区域，以确定作业云。

作业云识别追踪子单元用于根据地面作业点的经纬度准确定位作业位置；具体为根据地面作业点的经纬度在雷达探测图上准确定位作业位置，结合作业时间、作业方位角和仰角，根据作业时刻的雷达回波图，可以判定地面火箭或高炮作业是否合理。如图5所示。

催化作业对云体影响判别子单元用于在对比云体单元识别追踪基础上，对作业云回波参量进行分析，以判别催化作业对云体的宏观特征产生的影响，如图7所示；

物理学证据确定子单元用于通过效果评估报告，得出作业促使云体单元变化的物理学证据，并通过预先设定的模板及服务平台报告制作服务生成检验报告，检验报告中包含：天气分析、作业过程、作业过程合理性分析、统计物理检验、自动点评内容(含促使云体单元变化的物理学证据内容)。

增雨统计效果评估单元用于实现对作业过程合理性分析、区域平均降雨量计算、确定作业影响区、确定对比区、统计变量正态检验和正态变换、建立区域历史回归方程、计算绝对增雨量和相对增雨率、统计检验结果显著性检验。

增雨统计效果评估单元包含作业过程合理性分析子单元、区域平均降雨量计算子单元、作业影响区确定子单元、对比区确定子单元、显著性检验子单元、增雨效果检验子单元、绝对增雨量和相对增雨率计算子单元、作业效果显著性检验子单元；

作业过程合理性分析子单元用于对作业样本进行作业过程合理性分析；

从人工增雨作业条件、作业时机和作业部位，不同类型催化剂和不同作业方式的适用条件方面对作业样本进行作业过程合理性分析，对满足作业合理性要求的作业样本进行作业效果统计检验或物理检验才有意义。

首先分析人工增雨作业条件，就天气条件来说，主要反映在天气形势和大气静力稳定度上；其次，针对不同类型云系(层状云、积状云、积层混合云)，从云的宏、微观结构方面考虑人工增雨作业条件、作业时机和作业部位。目前常用的催化剂为冷云催化剂，其中冷云催化剂又分为成冰剂和制冷剂，根据作业对象和不同类型催化剂作用原理及适用条件选择合适和适量的催化剂进行增雨作业。

开展人工增雨业务作业一般采用地面火箭作业，播撒含碘化银成冰剂的冷云催化剂实施催化，必须在含有丰富过冷水但缺少自然冰核的负温区进行，在其播云窗区作业效果最佳。地面火箭作业主要考虑发射仰角和方位角，保证火箭弹所含催化剂到达期望的云体部位。

对作业过程进行合理性分析，首先需要获取完整准确的作业信息和观测信息，包括精确的作业点经纬度、海拔高度、作业时刻、方位角、仰角、用弹量等。根据获取的作业信息，对待进行作业效果检验的人工增雨作业个例进行作业过程合理性分析。

对于地面火箭作业，首先根据地面作业站点的经纬度信息在地图上显示其具体位置，然后根据作业所用火箭弹型号结合作业仰角和方位角确定有效射程范围，同时叠加作业时刻的雷达回波，判定作业云系是否在火箭弹的有效射程以内，同时还可以利用雷达回波、微波辐射计观测以及距离最近的探空数据分析云的宏微观结构，分析作业云体是否具备催化作业条件。通过上述分析，初步判断该次作业过程是否合理。

如果分析认为作业本身有明显的不合理现象(如根据雷达回波确认地面火箭作业时有效射程范围内没有回波或基于探空数据分析云体垂直结构不具备催化作业条件)，则认为本次作业过程不合理，放弃对该个例的作业效果检验；如果分析认为本次作业过程基本合理，则确认并进行下一步的作业效果检验。如图6所示。

区域平均降雨量计算子单元用于对于区域平均降雨量进行计算；

假设作业期自然降雨量的空间分布在统计上是均匀的，以同期对比区实测降雨量作为作业影响区自然降雨量的估计值，然后与其实测降水量作比较，得出人工增效果。

相对增雨率：作业影响区作业期实测降雨量Y

绝对增雨量：作业影响区作业期实测降雨量Y

O

作业影响区确定子单元用于通过读取人影作业信息资料，确定作业点位置，并确定影响区的范围，具体为通过读取人影作业信息资料，确定作业点位置，结合雷达回波移向移速和影响时间计算作业影响距离(可手动调整影响距离)，以作业点为原点外推夹角30°至60°之间三角形区域定为影响区的范围；针对水库的影响区只考虑该水库流域面积，如图7所示。

对比区确定子单元用于通过影响区和对比区的地形相似性分析，确定对应对比区的位置，具体为主要通过区域平均雨量相关性分析和地形相似性分析，产生面积和形状与影响区一样的区域，且位于在影响区上游(左右侧范围内)产生多个区域，首先对影响区历史面雨量平均值与多个对比区的面雨量平均值求相关性分析(相关系数大于0.8)，再通过影响区和对比区的地形相似性分析，确定对应对比区的位置，如图8所示。

显著性检验子单元用于正态分布和非正态分布的显著性检验；

正态分布的显著性检验：对增雨作业效果(E)进行显著性检验，是指在降水量指标满足正态分布的前提下，增雨效果的显著性检验通常采用参量性检验如u-检验法和t-检验法。当正态总体标准差已知，样本平均值与总体平均值的比较以及两样本所在总体平均值的比较这类问题可用u-检验法；当样本容量足够大(如>30)，即使总体不服从正态分布，仍可近似用u-检验法；当正态总体标准差未知，对于大样本，以样本标准差近似代替总体标准差，仍可近似用u-检验法；但对小样本，在总体是正态分布的前提下，可用t-检验法根据样本平均值和标准差对总体平均值进行统计检验，分为单样本的t-检验法和成对样本的t-检验法。

非正态分布的显著性检验：当降水量指标分布形式未知或没有特定分布形式时，增雨效果的显著性检验常用非参量性检验，该类方法的比较是在分布之间而不是在参数之间。对于正态总体，t-检验法比秩和检验的精度要高，即要达到相同的效率，秩和检验比t-检验需要更多的观测资料。

增雨效果检验子单元用于计算增雨效果，并对增雨效果进行显著性检验；

区域历史回归分析是建立在作业期作业影响区与对比区降水量的统计相关关系与历史上二区降水量的区域相关性相同的假定基础上，借助于一个或一个以上的对比区，根据历史样本建立作业影响区与对比区自然降水量的回归方程，然后将作业期对比区的实测降水量代入方程求得作业期作业影响区自然降水量的估计值，并与实测值进行比较以确定增雨效果。

在系统中首先通过相关系数分析出人工增雨范围，再建立方程(Y＝a+bX)(其中Y为影响区自然雨量估计值，X为对比区实际雨量)，计算增雨效果＝(影响区实际面雨量-影响区的自然雨量估计值)*影响区面积/10(万吨)，同时对增雨效果进行显著性检验(每年或每季)，如图9所示。

绝对增雨量和相对增雨率计算子单元用于计算绝对增雨量和相对增雨率；

绝对增雨：将作业期对比区实测降水量代入回归方程求出作业期作业影响区自然降水量的估计值Y

绝对增雨量可以表示为：

O

相对增雨率可以表示为：

作业效果显著性检验子单元用于对作业历史已检验的作业效果进行显著性检验，具体为自动保存历史作业的评估结果，评估人员可基于作业信息列表，对一定时间段内的作业过程进行效果检验的显著性检验，采用t-检验法对作业历史已检验的作业效果进行显著性检验。

防雹效果评估模块包含预选作业子单元、作业合理性判断子单元、作业过程确定子单元、增雨效果分析子单元和云体识别子单元；

所述预选作业子单元用于选定作业的区域范围；具体以播撒起点到播撒终点形成的矩形范围，缓冲m暂定3公里，h暂定为1km的长方体作为识别雷达参量范围；

所述作业合理性判断子单元用于用于根据获取的作业信息，对待检验的作业样本的作业过程进行合理性分析；

所述作业过程确定子单元用于根据作业过程的作业信息和作业过程的雷达探测基数据资料，在雷达探测回波图上准确定位作业位置或作业区域，确定作业云，具体为根据作业过程的详细作业信息(地面火箭或高炮作业信息包括地面作业点经纬度、作业方位角和仰角、作业用弹量、作业起止时间)，基于覆盖作业过程的雷达探测基数据资料，在雷达探测回波图上准确定位作业位置或作业区域，确定作业云；

所述增雨效果分析子单元用于根据作业期作业影响区自然降水量的估计值与实测值进行比较，以确定增雨效果，具体为建立在作业期作业影响区与对比区降水量的统计相关关系与历史上二区降水量的区域相关性相同的假定基础上，借助于一个或一个以上的对比区，根据历史样本建立作业影响区与对比区自然降水量的回归方程，然后将作业期对比区的实测降水量代入方程求得作业期作业影响区自然降水量的估计值，并与实测值进行比较以确定增雨效果；

所述云体识别子单元用于根据地面作业点的经纬度在雷达探测图上准确定位作业位置，结合作业时间、作业方位角和仰角，根据作业时刻的雷达回波图判定地面火箭或高炮作业是否合理。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。