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（天水計劃）”（項目編號：2016YFC0401000）是國家重點研發(fā)計劃“水資源高效開發(fā)利用”專項在非常規(guī)水資源開發(fā)領(lǐng)域首批啟動項目，國家撥付經(jīng)費3500萬元。本項目由華中科技大學(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、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、中國氣象科學(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發(fā)領(lǐng)域的優(yōu)勢單位。

土地、水資源、能源以及受它們影響的生態(tài)環(huán)境，是一個國家特別是一個大國最基本、最重要的生存資源，它們直接關(guān)系著我國未來能否可持續(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、土地和能源的開發(fā)利用，也是生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)之命脈。而我國人均水資源量僅為世界平均水平的28%，且時空分布嚴重不均。破解我國水資源短缺問題，確保我國水安全，正是當(dāng)今和未來我國最為迫切的重大需求。

水資源也是本世紀(jì)國際戰(zhàn)略競爭的熱點。隨著人口增加、社會經(jīng)濟發(fā)展和全球氣候加速變暖的影響，全球水資源形勢日趨嚴峻，已經(jīng)引起世界各國的高度重視。2015年達沃斯年會全球風(fēng)險報告指出，對人類影響最大的威脅就是全球水供應(yīng)危機。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)展問題已成為影響世界政治經(jīng)濟格局和主導(dǎo)國家關(guān)系的重要因素。美國科技界預(yù)測，水資源將成為21世紀(jì)戰(zhàn)略競爭的重大科技課題。

圖1 項目技術(shù)路線圖

陸地淡水資源由大氣水、地表水和地下水三個部分組成。大氣降水是地表水和地下水的最終補給來源，在陸地水循環(huán)和淡水資源演化中具有舉足輕重的作用。從水資源總量來看，我國大氣水年均資源總量達18萬億噸，地表和地下水資源總量分別約為2.7萬億和1萬億噸，大氣水資源非常豐富。但多年氣象統(tǒng)計數(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重不足。若能將大氣水資源利用率提高若干個百分點，也必將顯著提升我國有效水資源總量，具有巨大的社會和經(jīng)濟效益潛力。

人工降水是大氣水資源開發(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)展起來的播云技術(shù)，其基本原理是通過飛機、火箭等向云中播撒碘化銀、干冰等催化劑，促進云滴迅速凝結(jié)或碰并增大成雨滴，形成降雨。近年來，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發(fā)的成效和規(guī)模。中國氣象局編制的《全國人工影響天氣發(fā)展規(guī)劃（2014—2020年）》指出，我國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”等突出問題，“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)效率明顯低于先進國家”。

進入本世紀(jì)以來，歐美發(fā)達國家相繼開展基于電效應(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)進行了成功的外場實驗。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對其他中性水分子簇團存在極化效應(yīng)，產(chǎn)生帶電氣溶膠粒子對被極化的水分子簇團的非接觸的電場凝聚力，促使其凝結(jié)速率增加，促進降雨的形成。

華中科技大學(xué)自2011年起，自籌資金近千萬元，在國外機構(gòu)對相關(guān)技術(shù)嚴加保密，國內(nèi)無其他單位開展研究的情況下，自主開展了基于帶電粒子催化人工降雨雪理論、技術(shù)和實驗相關(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云室中實驗表明，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)中基于隨機熱力學(xué)運動的自然重力沖并，可至少提高兩個數(shù)量級；利用自主研發(fā)的帶電粒子發(fā)生裝置，在國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)輸變電設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室的15 000m3大型云室中實現(xiàn)了可控的帶電粒子催化人工降雨雪（溫度高于0℃時降中雨，低于0℃時降中雪），且形成降雨雪的溫濕度窗口大大拓寬，驗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（天水計劃）”項目擬在前期研究的基礎(chǔ)上，重點開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)問題與關(guān)鍵技術(shù)包括帶電粒子在復(fù)雜氣象條件下實現(xiàn)人工降雨雪的機理及規(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)，大氣水資源時空分布及大氣水汽輸送規(guī)律與演變趨勢解析，人工降雨雪過程的高精度模擬和綜合效應(yīng)評估，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)用示范進行全鏈條創(chuàng)新，全面開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產(chǎn)權(quán)的高效率、規(guī)模化大氣水資源開發(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（天水計劃）”項目的順利實施，一方面將填補國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；另一方面將促進我國大氣水資源新技術(shù)開發(fā)和裝備制造，使我國在大氣水資源開發(fā)中處于國際領(lǐng)先地位。該項目技術(shù)的推廣應(yīng)用，可顯著提升我國有效水資源總量，對于長江黃河水源保證、緩解華北西北干旱缺水和西部生態(tài)環(huán)境恢復(fù)，促進我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，維護社會穩(wěn)定，都具有深遠的戰(zhàn)略意義和重大的經(jīng)濟與社會效益。

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.03.115

*責(zé)任作者： 于克訓(xùn)（1961—），男，教授，主要研究方向為電氣工程，E-mail：kexunyu@163.com。