潘垣，于克訓(xùn)*

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 30074）

帶電粒子催化人工降雨雪新原理新技術(shù)及應(yīng)用示范（天水計(jì)劃）

潘垣，于克訓(xùn)*

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 30074）

“帶電粒子催化人工降雨雪新原理新技術(shù)及應(yīng)用示范（天水計(jì)劃）”（項(xiàng)目編號(hào)：2016YFC0401000）是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“水資源高效開(kāi)發(fā)利用”專項(xiàng)在非常規(guī)水資源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域首批啟動(dòng)項(xiàng)目，國(guó)家撥付經(jīng)費(fèi)3500萬(wàn)元。本項(xiàng)目由華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院于克訓(xùn)教授主持，項(xiàng)目集合了蘭州大學(xué)、南京水科院、甘肅省人工影響天氣辦公室、湖南省電力公司、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、中國(guó)氣象科學(xué)研究院、武漢華工激光工程有限責(zé)任公司等一批大氣水資源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)單位。

土地、水資源、能源以及受它們影響的生態(tài)環(huán)境，是一個(gè)國(guó)家特別是一個(gè)大國(guó)最基本、最重要的生存資源，它們直接關(guān)系著我國(guó)未來(lái)能否可持續(xù)發(fā)展。這其中尤以水資源最為基礎(chǔ)、最為重要，它直接影響著人類的基本生存、土地和能源的開(kāi)發(fā)利用，也是生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)之命脈。而我國(guó)人均水資源量?jī)H為世界平均水平的28%，且時(shí)空分布嚴(yán)重不均。破解我國(guó)水資源短缺問(wèn)題，確保我國(guó)水安全，正是當(dāng)今和未來(lái)我國(guó)最為迫切的重大需求。

水資源也是本世紀(jì)國(guó)際戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。隨著人口增加、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全球氣候加速變暖的影響，全球水資源形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，已經(jīng)引起世界各國(guó)的高度重視。2015年達(dá)沃斯年會(huì)全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告指出，對(duì)人類影響最大的威脅就是全球水供應(yīng)危機(jī)。水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)惡化、水資源供需矛盾及水資源利用中的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題已成為影響世界政治經(jīng)濟(jì)格局和主導(dǎo)國(guó)家關(guān)系的重要因素。美國(guó)科技界預(yù)測(cè)，水資源將成為21世紀(jì)戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的重大科技課題。

圖1 項(xiàng)目技術(shù)路線圖

陸地淡水資源由大氣水、地表水和地下水三個(gè)部分組成。大氣降水是地表水和地下水的最終補(bǔ)給來(lái)源，在陸地水循環(huán)和淡水資源演化中具有舉足輕重的作用。從水資源總量來(lái)看，我國(guó)大氣水年均資源總量達(dá)18萬(wàn)億噸，地表和地下水資源總量分別約為2.7萬(wàn)億和1萬(wàn)億噸，大氣水資源非常豐富。但多年氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，只有16%～18%的水汽能形成自然降水降落地面，大氣水資源利用率嚴(yán)重不足。若能將大氣水資源利用率提高若干個(gè)百分點(diǎn)，也必將顯著提升我國(guó)有效水資源總量，具有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益潛力。

人工降水是大氣水資源開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)手段。傳統(tǒng)人工增雨主要是基于20世紀(jì)40年代發(fā)展起來(lái)的播云技術(shù)，其基本原理是通過(guò)飛機(jī)、火箭等向云中播撒碘化銀、干冰等催化劑，促進(jìn)云滴迅速凝結(jié)或碰并增大成雨滴，形成降雨。近年來(lái)，隨著水資源供需矛盾日益突出，傳統(tǒng)人工增雨技術(shù)的一些不足限制了大氣水資源開(kāi)發(fā)的成效和規(guī)模。中國(guó)氣象局編制的《全國(guó)人工影響天氣發(fā)展規(guī)劃（2014—2020年）》指出，我國(guó)目前的人工影響天氣工作存在“科技支撐不足，自主創(chuàng)新能力有待加強(qiáng)”等突出問(wèn)題，“系統(tǒng)性的人工影響天氣研究與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)滯后，作業(yè)效率明顯低于先進(jìn)國(guó)家”。

進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)展基于電效應(yīng)的新型人工降雨技術(shù)研究，并在墨西哥、阿聯(lián)酋、阿曼等干旱地區(qū)進(jìn)行了成功的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。其基本原理是使空氣中部分氣溶膠帶電。這些帶電氣溶膠粒子的靜電場(chǎng)對(duì)其他中性水分子簇團(tuán)存在極化效應(yīng)，產(chǎn)生帶電氣溶膠粒子對(duì)被極化的水分子簇團(tuán)的非接觸的電場(chǎng)凝聚力，促使其凝結(jié)速率增加，促進(jìn)降雨的形成。

華中科技大學(xué)自2011年起，自籌資金近千萬(wàn)元，在國(guó)外機(jī)構(gòu)對(duì)相關(guān)技術(shù)嚴(yán)加保密，國(guó)內(nèi)無(wú)其他單位開(kāi)展研究的情況下，自主開(kāi)展了基于帶電粒子催化人工降雨雪理論、技術(shù)和實(shí)驗(yàn)相關(guān)基礎(chǔ)研究：提出了帶電粒子催化人工降雨雪的單粒子物理模型，在1m3云室中實(shí)驗(yàn)表明，帶電粒子催化可將帶電液滴與中性液滴之間的碰撞效率，相比于傳統(tǒng)人工增雨技術(shù)中基于隨機(jī)熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)的自然重力沖并，可至少提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)；利用自主研發(fā)的帶電粒子發(fā)生裝置，在國(guó)家電網(wǎng)公司電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的15 000m3大型云室中實(shí)現(xiàn)了可控的帶電粒子催化人工降雨雪（溫度高于0℃時(shí)降中雨，低于0℃時(shí)降中雪），且形成降雨雪的溫濕度窗口大大拓寬，驗(yàn)證了帶電粒子催化降雨雪技術(shù)的科學(xué)、高效、可行性。

“帶電粒子催化人工降雨雪新原理新技術(shù)及應(yīng)用示范（天水計(jì)劃）”項(xiàng)目擬在前期研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開(kāi)展帶電粒子催化降雨雪科學(xué)規(guī)律、關(guān)鍵技術(shù)與裝備，大氣水資源水汽通道與通量、帶電粒子催化降雨雪選址，以及帶電粒子催化降雨雪系統(tǒng)集成與應(yīng)用示范研究。擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)包括帶電粒子在復(fù)雜氣象條件下實(shí)現(xiàn)人工降雨雪的機(jī)理及規(guī)律，基于電暈等離子體、電子束等的帶電粒子催化降雨雪關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)，大氣水資源時(shí)空分布及大氣水汽輸送規(guī)律與演變趨勢(shì)解析，人工降雨雪過(guò)程的高精度模擬和綜合效應(yīng)評(píng)估，新型人工降雨雪影響下空陸一體化的區(qū)域水資源適應(yīng)性調(diào)控，帶電粒子催化降雨雪系統(tǒng)集成與綜合應(yīng)用示范等。通過(guò)上述研究，旨在從理論創(chuàng)新、技術(shù)突破、裝備研發(fā)、系統(tǒng)集成到應(yīng)用示范進(jìn)行全鏈條創(chuàng)新，全面開(kāi)展基于帶電粒子催化的人工降雨雪新理論與新技術(shù)研究，最終形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效率、規(guī)模化大氣水資源開(kāi)發(fā)與調(diào)控技術(shù)體系。

“帶電粒子催化人工降雨雪新原理新技術(shù)及應(yīng)用示范（天水計(jì)劃）”項(xiàng)目的順利實(shí)施，一方面將填補(bǔ)國(guó)際上帶電粒子催化降雨雪理論體系的空白，揭示帶電粒子催化人工降雨雪內(nèi)在物理規(guī)律，具有重大的科學(xué)意義；另一方面將促進(jìn)我國(guó)大氣水資源新技術(shù)開(kāi)發(fā)和裝備制造，使我國(guó)在大氣水資源開(kāi)發(fā)中處于國(guó)際領(lǐng)先地位。該項(xiàng)目技術(shù)的推廣應(yīng)用，可顯著提升我國(guó)有效水資源總量，對(duì)于長(zhǎng)江黃河水源保證、緩解華北西北干旱缺水和西部生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，都具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義和重大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.03.115

*責(zé)任作者： 于克訓(xùn)（1961—），男，教授，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ?，E-mail：kexunyu@163.com。