带电粒子催化人工降雨雪新原理新技术及应用示范（天水计划）

潘垣，于克训*

（华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 30074）

带电粒子催化人工降雨雪新原理新技术及应用示范（天水计划）

潘垣，于克训*

（华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 30074）

“带电粒子催化人工降雨雪新原理新技术及应用示范（天水计划）”（项目编号：2016YFC0401000）是国家重点研发计划“水资源高效开发利用”专项在非常规水资源开发领域首批启动项目，国家拨付经费3500万元。本项目由华中科技大学电气与电子工程学院于克训教授主持，项目集合了兰州大学、南京水科院、甘肃省人工影响天气办公室、湖南省电力公司、中国科学院合肥物质科学研究院、中国气象科学研究院、武汉华工激光工程有限责任公司等一批大气水资源开发领域的优势单位。

土地、水资源、能源以及受它们影响的生态环境，是一个国家特别是一个大国最基本、最重要的生存资源，它们直接关系着我国未来能否可持续发展。这其中尤以水资源最为基础、最为重要，它直接影响着人类的基本生存、土地和能源的开发利用，也是生态环境和农业之命脉。而我国人均水资源量仅为世界平均水平的28%，且时空分布严重不均。破解我国水资源短缺问题，确保我国水安全，正是当今和未来我国最为迫切的重大需求。

水资源也是本世纪国际战略竞争的热点。随着人口增加、社会经济发展和全球气候加速变暖的影响，全球水资源形势日趋严峻，已经引起世界各国的高度重视。2015年达沃斯年会全球风险报告指出，对人类影响最大的威胁就是全球水供应危机。水资源短缺、水环境污染、水生态恶化、水资源供需矛盾及水资源利用中的可持续发展问题已成为影响世界政治经济格局和主导国家关系的重要因素。美国科技界预测，水资源将成为21世纪战略竞争的重大科技课题。

图1 项目技术路线图

陆地淡水资源由大气水、地表水和地下水三个部分组成。大气降水是地表水和地下水的最终补给来源，在陆地水循环和淡水资源演化中具有举足轻重的作用。从水资源总量来看，我国大气水年均资源总量达18万亿吨，地表和地下水资源总量分别约为2.7万亿和1万亿吨，大气水资源非常丰富。但多年气象统计数据表明，只有16%～18%的水汽能形成自然降水降落地面，大气水资源利用率严重不足。若能将大气水资源利用率提高若干个百分点，也必将显著提升我国有效水资源总量，具有巨大的社会和经济效益潜力。

人工降水是大气水资源开发的主要技术手段。传统人工增雨主要是基于20世纪40年代发展起来的播云技术，其基本原理是通过飞机、火箭等向云中播撒碘化银、干冰等催化剂，促进云滴迅速凝结或碰并增大成雨滴，形成降雨。近年来，随着水资源供需矛盾日益突出，传统人工增雨技术的一些不足限制了大气水资源开发的成效和规模。中国气象局编制的《全国人工影响天气发展规划（2014—2020年）》指出，我国目前的人工影响天气工作存在“科技支撑不足，自主创新能力有待加强”等突出问题，“系统性的人工影响天气研究与关键技术研发滞后，作业效率明显低于先进国家”。

进入本世纪以来，欧美发达国家相继开展基于电效应的新型人工降雨技术研究，并在墨西哥、阿联酋、阿曼等干旱地区进行了成功的外场实验。其基本原理是使空气中部分气溶胶带电。这些带电气溶胶粒子的静电场对其他中性水分子簇团存在极化效应，产生带电气溶胶粒子对被极化的水分子簇团的非接触的电场凝聚力，促使其凝结速率增加，促进降雨的形成。

华中科技大学自2011年起，自筹资金近千万元，在国外机构对相关技术严加保密，国内无其他单位开展研究的情况下，自主开展了基于带电粒子催化人工降雨雪理论、技术和实验相关基础研究：提出了带电粒子催化人工降雨雪的单粒子物理模型，在1m3云室中实验表明，带电粒子催化可将带电液滴与中性液滴之间的碰撞效率，相比于传统人工增雨技术中基于随机热力学运动的自然重力冲并，可至少提高两个数量级；利用自主研发的带电粒子发生装置，在国家电网公司电网输变电设备防灾减灾国家重点实验室的15 000m3大型云室中实现了可控的带电粒子催化人工降雨雪（温度高于0℃时降中雨，低于0℃时降中雪），且形成降雨雪的温湿度窗口大大拓宽，验证了带电粒子催化降雨雪技术的科学、高效、可行性。

“带电粒子催化人工降雨雪新原理新技术及应用示范（天水计划）”项目拟在前期研究的基础上，重点开展带电粒子催化降雨雪科学规律、关键技术与装备，大气水资源水汽通道与通量、带电粒子催化降雨雪选址，以及带电粒子催化降雨雪系统集成与应用示范研究。拟解决的关键科学问题与关键技术包括带电粒子在复杂气象条件下实现人工降雨雪的机理及规律，基于电晕等离子体、电子束等的带电粒子催化降雨雪关键技术及装备研发，大气水资源时空分布及大气水汽输送规律与演变趋势解析，人工降雨雪过程的高精度模拟和综合效应评估，新型人工降雨雪影响下空陆一体化的区域水资源适应性调控，带电粒子催化降雨雪系统集成与综合应用示范等。通过上述研究，旨在从理论创新、技术突破、装备研发、系统集成到应用示范进行全链条创新，全面开展基于带电粒子催化的人工降雨雪新理论与新技术研究，最终形成具有自主知识产权的高效率、规模化大气水资源开发与调控技术体系。

“带电粒子催化人工降雨雪新原理新技术及应用示范（天水计划）”项目的顺利实施，一方面将填补国际上带电粒子催化降雨雪理论体系的空白，揭示带电粒子催化人工降雨雪内在物理规律，具有重大的科学意义；另一方面将促进我国大气水资源新技术开发和装备制造，使我国在大气水资源开发中处于国际领先地位。该项目技术的推广应用，可显著提升我国有效水资源总量，对于长江黄河水源保证、缓解华北西北干旱缺水和西部生态环境恢复，促进我国经济社会的可持续发展，维护社会稳定，都具有深远的战略意义和重大的经济与社会效益。

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.03.115

*责任作者： 于克训（1961—），男，教授，主要研究方向为电气工程，E-mail：kexunyu@163.com。