潘垣，于克訓*

（華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 30074）

帶電粒子催化人工降雨雪新原理新技術及應用示范（天水計劃）

潘垣，于克訓*

（華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 30074）

“帶電粒子催化人工降雨雪新原理新技術及應用示范（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電氣與電子工程學院于克訓教授主持，項目集合了蘭州大學、南京水科院、甘肅省人工影響天氣辦公室、湖南省電力公司、中國科學院合肥物質科學研究院、中國氣象科學研究院、武漢華工激光工程有限責任公司等一批大氣水資源開發(fā)領域的優(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、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，正是當今和未來我國最為迫切的重大需求。

水資源也是本世紀國際戰(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險報告指出，對人類影響最大的威脅就是全球水供應危機。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)濟格局和主導國家關系的重要因素。美國科技界預測，水資源將成為21世紀戰(zhàn)略競爭的重大科技課題。

圖1 項目技術路線圖

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)的主要技術手段。傳統(tǒng)人工增雨主要是基于20世紀40年代發(fā)展起來的播云技術，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鍵技術研發(fā)滯后，作業(yè)效率明顯低于先進國家”。

進入本世紀以來，歐美發(fā)達國家相繼開展基于電效應的新型人工降雨技術研究，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，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，促使其凝結速率增加，促進降雨的形成。

華中科技大學自2011年起，自籌資金近千萬元，在國外機構對相關技術嚴加保密，國內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、技術和實驗相關基礎研究：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)人工增雨技術中基于隨機熱力學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)輸變電設備防災減災國家重點實驗室的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的科學、高效、可行性。

“帶電粒子催化人工降雨雪新原理新技術及應用示范（天水計劃）”項目擬在前期研究的基礎上，重點開展帶電粒子催化降雨雪科學規(guī)律、關鍵技術與裝備，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)集成與應用示范研究。擬解決的關鍵科學問題與關鍵技術包括帶電粒子在復雜氣象條件下實現(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鍵技術及裝備研發(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)域水資源適應性調控，帶電粒子催化降雨雪系統(tǒng)集成與綜合應用示范等。通過上述研究，旨在從理論創(chuàng)新、技術突破、裝備研發(fā)、系統(tǒng)集成到應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研究，最終形成具有自主知識產(chǎn)權的高效率、規(guī)?；髿馑Y源開發(fā)與調控技術體系。

“帶電粒子催化人工降雨雪新原理新技術及應用示范（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在物理規(guī)律，具有重大的科學意義；另一方面將促進我國大氣水資源新技術開發(fā)和裝備制造，使我國在大氣水資源開發(fā)中處于國際領先地位。該項目技術的推廣應用，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，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

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