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“空中调水”的“天河工程”:到底是创新构想还是当代神话?

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  用人工干预方式改变大气水汽分布,把长江流域的水资源调往黄河流域,这就是科学家提出的“天河工程”,这究竟是创新构想还是当代神话?
  每年一到夏天,中国南方很多地方就会饱受洪涝灾害的困扰,而在中国的西北,缺水干旱依旧是一种常态。有没有可能把中国南方过多的雨水资源调一些到北方?我们又不是孙悟空,这样的想法听起来有一些疯狂。现在中国的一支科学家团队下定决心来试一把了。
  这个科研团队的领衔者是中国科学院院士、青海大学校长王光谦,从2014年底开始,他带领的主要由清华大学、青海大学两所大学研究人员构成的一个研究团队就启动了这个疯狂的构想。他们给这个项目取了一个好听的名字——“天河工程”,实际上就是基于天基的一种跨流域调水新模式。
  王光谦说,在大气边界层至对流层范围内,也就是大气层中10公里以下的中低层,存在稳定和有序的水汽输送通道,他们将其形象地称为“天河”。
  “天河工程”也是一个比喻说法,通俗地说,就是通过空中搬运水汽到干旱地区降雨,供给缺水地区以水,满足人们的生活和生产需求。
  2016年9月9日至11日,“天河工程”论证启动会暨第一次专家组会议在青海省西宁市举行,项目旨在科学分析大气中存在的水汽分布与输送格局,进而采取人工干预手法,实现不同地域间大气、地表水资源再分配。

  在黄河流域和长江流域的分水岭实施

  在该工程的构想中,课题组认为可在中国三江源的黄河流域和长江流域的分水岭实行空中调水,改变云水资源在两个流域间的转化,以增加黄河流域的降水量。
  三江源是青藏高原上长江、黄河和澜沧江的源头汇水区域。科学研究发现,本来大多涌向东南的水汽在这里要经过黄河流域和一部分内流区(注:最终流入内陆湖泊或在内陆断流的河流叫内流河,而内流河所在的区域为内流区)。王光谦等研究人员构想,如果能在水汽涌向东南长江流域之前就“拦截”下一部分,沿着黄河干支流送往北方,就可以在不修建地面渠道的情况下达到“南水北调”的效果。
  在气象学中,衡量水汽输送大小的物理量是“水汽通量”,表示在单位时间内流经某一单位面积的水汽量。三江源高空的水汽输送情况如何呢? 
  青海省气象局研究员级高级工程师李生辰等人利用由美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作的NCEP/NCAR再分析资料和青藏高原三江源地区的降水资料,分析了三江源地区的水汽输送特征。研究表明:在东亚和印度季风驱动下的西南暖湿气流是三江源地区空中主要水汽来源,其次是来自西边界中东高压中的偏西气流和西风带中的偏北气流,这3种大尺度环流背景的气流汇集到三江源区,使该地区6—9月处在水汽辐合区内(“辐合”指的是,在地面这个低压中心,气流从四周向中心流动),同时在高原大地形的动力作用下,三江源地区近地面层长时间维持着切变线(风向或风速发生急剧改变的狭长区域)、低涡等天气系统,源源不断的降水为这一区域形成江河源头创造了条件。
  1965-2004年的40年内,我国6-9月气候平均的 “天河”(整层水汽通量)如下图所示:

 

  这是一张整层水汽通量的水平分布图,红色圈内是我国东南地区,黑色框内即是三江源区。图上的每一个格点都有一个小箭头,箭头的方向代表水汽输送的方向,长度代表水汽输送的大小。我们可以想象较粗的绿色箭头就是图中最大的“天河”,它将孟加拉湾的水汽输送到红色圈内,为我国东南地区,也就是长江、珠江流域带来了丰沛降雨。而三江源地区,其南边界恰好是大“天河”支流的末端(较细的绿色箭头),另外其西部和北部边界也有水汽输入,只是量级很小而已。
  王光谦研究团队认为,如果“天河工程”能够在人工干预天气的技术上,有效利用南边界甚至西、北边界的水汽输送,那么就“有望每年在青藏高原的三江源地区增加降水25亿”。简单地说,就是利用黄河上源偏西南的这一地理特性,选择恰当的位置搞人工降雨,把东南用不完的水汽提前转移到黄河流域。这相对于黄河每年600多亿立方米的径流量,相对南水北调(中线)每年95亿的规划流量,已经相当不可忽视了。
  另外在三江源北面的祁连山和柴达木地区,由于高空的水汽输送相对较少,“天河工程”预期可以实现的年增水分别在“2亿和1.2亿立方米”。记者了解到,这也是“十三五”期间,“天河工程”规划的调水目标,而根据他们的设想,“天河工程”中远期有望实现每年跨区域调水50亿立方米,这大约相当于300个西湖的蓄水量。这样宏伟的目标能够实现么?我们先看下面的分析。

  “天河工程”三种可参考的模板

  科研人员现在提出的“天河工程”设想有三种可以参考的模板:一是神话,二是人工影响天气技术,即通过科学手段实施人工降雨、人工增雨作业,三是改造当地自然环境形成新的天地水循环系统。
  神话的模板以《西游记》的描写为典型。在车迟国里,孙悟空帮师傅求雨,请来雨神,后者挟持几朵云彩到车迟国就降下雨来。这种神话的调水非常完美,不仅可以确定降雨地点、降雨量、还能确定降雨的时辰。
  人工增雨通常是以飞机或导弹为载体,向大量的积雨云中撒播催化剂(盐粉、干冰或碘化银等),成为云中水滴的凝聚核,使水滴在其周围迅速凝聚,增大到一定程度后降落到地面,形成降水。
  第三种方式是重造自然的水循环系统。云南的哈尼梯田倒是一个典型的例子。这里森林、村寨、梯田、水系“四素同构”,形成了一套生态循环系统,这些其实不是天然形成的,而是哈尼族人民世世代代开山凿石创造出来的。与其他梯田不同,哈尼梯田的灌溉不是通过抽水,而是通过一套自然水循环系统:在亚热带季风气候下,红河及山脚水渠蒸发的水汽在沿着哀牢山上升的过程中与来自南边海洋上空温暖而湿润的气流相遇,由于气流随气温的逐渐下降而冷凝成雾和雨,降落到原始森林,形成涓涓细泉下泄江河。哈尼人在靠近森林的地方挖筑大沟,把下泻之水悉数截流,引大沟之水灌溉梯田,水又沿层层梯田注入江河,在这个过程中,稻田、沟渠、和河道中的水再度蒸发升空,形成了一个完整的水系循环。


云南的哈尼梯田是人工重造自然的水循环系统的一个典型

  在三种模板中,第一种目前还只是人类美好的愿望而已。第三种方式的实现具有一定的偶然性,其发生完全是个小概率事件,并且跨越的地区和空间不大。王光谦等科研人员能够使用的也只有人工影响天气技术了。这是现在我们国家可以在一定范围内实施的技术。
  而现在,王光谦院士等科研人员要通过天河实现不同地域之间的水的搬运,科研人员要通过对大气中水汽含量及迁徙路线的监测,掌握水汽迁徙规律,并在有条件的地区进行人工干预,把能够形成降雨的水汽搬迁到缺水的北方地区。这在现有的科技水平下能够做到吗?

  人工增雨对气团运动有多大影响?

  专家们认为,如果跨区域的水汽搬运没有办法解决,“天河工程”就无法实施。现在关键的问题是,中国气象学界有专家认为这样的工程在现有科技水平上根本就做不到。
  “现在的确有人工增雨、人工降雨式的人工影响天气作业,但是都有能够形成降雨的前置条件,就是空中必须要有云,要有大量富含水汽的云,并且一般也只有10%-20%的增量,如果天上没有云和水汽,撒播再多的催化剂也变不出雨水。”北京市气象局研究员吴正华在接受北京科技报记者采访时表示。


从技术角度讲,人工增雨只能在小范围内实施

  吴正华同时强调,这种作业目前人类还只能小范围内予以实施,比如在5平方公里、10平方公里的范围进行操作,但是大范围内,比如要想将海淀中心区下的雨赶到昌平中心区去下,现在我们的技术还做不到。
  “因为朝富含水汽的云中撒催化剂,是将气态的水汽变成液态的水滴,其要么就是其凝聚成的水滴降下来了,要么就是作业无效,人工降雨、人工增雨作业效果一般不可能影响到太远的地方去。而三江源地区这样跨度达到上万平方公里以上的区域的空中调水构想,更是难上加难。”吴正华说。
  吴正华提出疑问,在三江源的长江流域人工增雨、降雨作业,云和水汽怎么调往黄河流域?用什么方式来调呢?云和水汽不是你想往什么地方调它们就会朝那里跑的。
  其实这些年,已经有不少人提出过通过转移水汽的空中调水方案,但是因为缺乏可操作性,最后都不了了之。据报道,为了开发空中的大气水资源,安徽、吉林、辽宁、四川、河南等地纷纷投入巨资抛出“空中水库”计划,为大规模地开发大气水资源做准备,但并没有取得多大的效果。
  中国气象科学研究院人工影响天气研究所高级工程师张纪淮也对记者表示,2008年北京奥运会,为了保证8月8日晚上鸟巢的开幕式不下雨,北京市当天动用了10架飞机、1100多发火箭弹在北京市及北京市周边实施大规模的人工消雨作业,也才消掉了鸟巢周边及北京市部分城区当晚的降雨,尽管让下雨的位置发生了一些移动,但并没有能够做到大范围的消雨,同样,如此规模的人工增雨作业也不会产生太大的影响。
  中国气象科学研究院的一位专家表示,目前针对空中的云水资源的开发还有很多问题不能解决。“虽然目前我国人工增雨作业已经进行了几十年,但是依旧处在一种实验阶段,对人工增雨的具体运行机制我们还不是很清楚。大范围改变和控制云水资源的分布不可能,这需要改变地球上的热力场分布,不仅一个国家做不到,从目前来讲,就是全世界联合起来也做不到。” 该专家表示,要是这个问题能够解决,我们的沙漠就要变绿洲了。
  “云的运动是大自然中气流运动的结果,就现在而言,我们人类的人工增雨作业对气团运动的影响是非常小的。”张纪淮说,人工增雨是一项科学,我们应该认识到它的作用,但是也不能过于夸大,并产生一些异想天开的幻想,目前一些地方过于夸大人工增雨的作用的苗头需要予以注意。“大自然有它自己的运行规律,很多人梦想着如同神话中说的一样能够呼风唤雨,这是很不现实的,这是应该予以破除的科学迷信。”

  三江源为何新增300个西湖水体容量?

  来自青海省人工影响天气办公室的信息显示,2013年他们在总面积达到30余万平方公里的三江源地区,通过人工增雨作业增加降水42.91亿立方米,相当于300个西湖水体容量。所以王光谦团队认为“天河工程”要达到的增水目标还是有可能实现的。

 
三江源地区被称为“中华水塔”

  但是2013年增加的300个西湖水体容量真的是人工影响天气的结果吗?吴正华表示,这个根本就没有办法估量,因为人工降雨这东西是效果很不好评价的一个东西。尽管三江源搞人工降雨有不少年了,但是这个效果,比如西北地区降水增加、湖泊面积扩大等,究竟是人工降雨搞出来的,还是西边气候变暖湿搞出来的,这是个说不清的问题。
  清华大学水利水电工程系副研究员钟德钰在接受记者采访时也承认,厘清这个问题当前还是一个世界级的难题,还没有任何一个国家能够做到。
  就“天河工程”而言,这样的操作范围,工程成本也是一个问题。比如一枚人工降雨火箭弹的价格大致在2000-4000元之间。这些年国内一些地方,一个春季增雨作业,火箭弹打个一两千枚很正常。但是对于春旱灾情缓解,经常还是起不到多少作用。也就是说人工降雨、人工增雨能否成功还是要看老天心情,并不是说火箭弹打的越多下的雨就越多。因为大气运动和天上的云常常很“任性”,它们并不听从人类的摆布。于是气象学界的一些玩笑说,就是拿钱买雨,老天也不一定卖。这也正是目前人工降雨的技术难点,除了降雨的前置条件,这种作业还需要在作业前对本地区上空云的发生发展、上游云的移速移向做出准确的预测,抓住有效作业时间,才能减少不必要的物资浪费。而“天河工程”这么大的范围,如果是使用火箭弹,要多少才能有效,这还不说该项工程所要的导弹、卫星等更高成本的开销,这样的成本又如何承担得起?
  最近,也有人对王光谦院士和他研究团队的研究背景提出了质疑,因为他本人长期以来是搞水力学和泥沙等水利工程研究的,他的核心团队也都是搞水利的,并没有气候学方面的权威专家。因此他们搞人工干预天气受到很多人的质疑。
  不过,钟德钰表示,他们的这个项目现在是有一些气象领域的单位参与其中。记者了解到,此话倒是不假,比如青海省气象局就深度参与其中。钟德钰说,在未来,更多的气象专家也将会参与进来。

  有些地方争相人工造雨争夺水资源

  中科院寒区旱区环境与工程研究院研究员陈广庭在接受北京科技报记者采访时表示:“从理论上讲,在一定时期内,同一片云系的云水资源如果没有及时从大气循环中得到补充,其拥有的空中水资源就是恒定的,如果在一个地方实施人工增雨,其云系下游的地方降雨就必然要减少,下游即使实行人工增雨,成效也会受到影响。”
  尽管“天河工程”现在还只是处于论证阶段,该工程实施后的负面影响也是不能忽视的方面。这些年,为了争夺更多的雨水资源,国内一些地方开始明争暗抢争相实行人工增雨作业。尤其是在干旱区,只要有机会,一些地方政府就纷纷组织人工增雨作业争夺雨水资源,已经出现了很大的负面效应。
  中国气象科学研究院一名不愿透露姓名的研究人员在接受记者采访时表示,如果一个处在云水资源上游的地方实施人工增雨作业,那么处在下游区域的一些地方实施人工增雨时降雨量会大大减少,或者干脆没有下雨。
  李生辰等人的研究表明,青藏高原三江源地区主要水汽输入边界的水汽通量近40年来呈现减少的变化趋势,这将影响到三江源地区未来的降水变化。根据研究统计,通过南边界进入三江源地区的水汽量近40年呈波动减少,也最为厉害,减少幅度为每10年7.7×106kg/s,西边界水汽输入呈缓慢下降趋势,每10年减少4.7×106kg/s,北边界也呈减少趋势,幅度为每10年3.5×106kg/s。这样的趋势下,流入三江源地区的“天河水”是越来越少的。
  可能有人会说,这些年三江源地区的水汽盈余不减反增:前10年(1965-1974年)净盈余46.4×106kg,后10年(1996-2005年)净盈余增加到56.1×106kg。实际上,总水汽量的增加是通过东边界的“节流”所得,每年自东边界水汽输出的减少幅度较大,达18.6×106kg/s。也就是说,三江源地区的水汽的盈余这些年有很多都是东边界的“节流”导致。这样如果只“节流”不“开源”,利用三江源上空的“天河”水就存在两大隐患:第一种是“天河”水越用越少不可持续,第二种是输出到下游的水汽总量已经呈减少趋势,再“人工截流”之后,对下游水资源和气候生态造成的影响如何量化呢?
  另外在知乎上,也有网友提出一些疑问需要研究,比如降水改变目的地后,原目的地的生态影响、生活影响、社会影响如何?凭什么要影响他们,原目的地是否有表达反对的权利以及如何补偿?如果因为这种改变,导致本来少雨的地方大面积暴雨、泥石流怎么办?
  吴正华表示,水汽“人工节流”问题倒是不用太担心,因为“天河工程”中的“天河”是一个长的水汽通道,往南要延伸到印度洋甚至是南半球,水汽被“人工截流”之后,后面还有新的会源源不断地补充进来。只是这仍不足以表明“天河工程”能够调水成功。

  从天地一体的角度找到西部调水新路

  将中国南方云水资源引向北方并不是中国科学家们一时的脑洞大开。事实上这些年有不少中国的研究人员甚至是企业家一直在琢磨这样的事情,只是一时没有找到合适方式。


论证会上,王光谦介绍“天河工程”基础理论和前期工作

  被媒体称为中国“首骗”的南德公司总裁牟其中就在1997年提出“炸喜马拉雅山救黄河”的疯狂想法。当年,他向中央献策,将喜马拉雅山脉炸开50公里的口子,让印度洋暖湿气流北上湿润中国干燥的大西北,根本改变气候。该惊世骇俗的观点一出就饱受炮轰,其可操作性、后果还没有被人予以研究,而后随着他的入狱,方案也就完全被人当成了笑话。
  在南水北调工程中,目前东线和中线工程一定程度上已缓解了华北地区“干渴”局面,西线工程尽管是解决我国西北水资源短缺的一个方案,但是由于操作难度大、工程耗资巨大,这个工程多年来一直都只是在进行论证,并没有提上行动的日程。
  “也就是在研究西线工程的过程中,我们拓展思路,看看能不能从天地一体的角度找到一条西部调水的新路。”钟德钰解释说,目前我们的水利工程都是以地面工程为主,但是不管是拦坝蓄水,还是南水北调,都依旧无法满足我国北方社会经济的发展,并且我国西北缺水的问题更加严重,但是西北欠发达地区的经济和社会也需要考虑长远的发展,他们最初的想法是,能不能构建一个空中水资源和地表水资源协同起来利用的体系。
  记者了解到,在前不久的论证会上,青海省副省长韩建华、十位“两院”院士及部分高校、科研院所专家、相关水行政主管部门负责人出席了会议,并主要从利用航天技术对大气中的水汽“迁徙”进行人工干预可行性方面,对“天河工程”和“天河星”进行论证。
   钟德钰告诉记者,2014年底到2015年初,他们有关“天河工程”的研究就已经展开。通过前期论证、协调和部署后,2015年,由清华大学、青海大学、青海省气象局联合开展的“天河工程”人工增雨科学试验在三江源地区已经进入作业实验阶段。
  根据公开的信息,目前“天河工程”团队已经开展了云监测卫星及星座初步论证、地面实施系统初步构想,针对云水资源监测需求完成了有效载荷需求分析及卫星初步方案,开展了采用火箭、导弹实现中远程人工降雨实施方案的研究。

  仍处于研究和实验阶段

  王光谦研究团队认为,“天河工程”及未来南水北调“空中走廊”的构想如果得以实施,有助于实现青藏高原地区生态效益最大化,促进全国特别是北方经济社会发展。
  中国科学院院士、国际宇航科学院院士、中国航天科技集团公司科技委主任包为民甚至认为,这种新方案,对于改善黄河流域水资源短缺现状,开拓黄河流域水资源来源,对于保护三江源生态安全屏障等都具有重要作用。
当前,水资源短缺已成为全球性问题。我们不能忽视的是,近三十年,黄河、海河、淮河三大流域河川径流呈下降趋势。据联合国世界水发展报告,2025年,中国北方或将面临物理性缺水的严重压力。这意味着想办法解决中国北方水资源短缺已经成为绕不开的问题。


水资源缺乏是一个全球性难题

  王光谦说,面对中国北方未来水资源短缺的挑战,寻找和探索新的水资源调控理论和方法势在必行,“天河工程”这样的想法为何就不能试一试呢?况且现在也不是工程上马,只是科研研究的一个项目而已。
  但是最后是否真的有实施的可能性,该研究团队也没有给出肯定的答复。“大尺度范围内人工影响天气作业还是一个世界性的难题,不管是中国,还是美国、以色列等部分进行人工影响天气研究的国家,都还没有取得实质性的突破,大家都还在进行研究。我们也还只是在论证这个事情,这个事情到底行不行,需要的规模有多大还需要继续论证。”钟德钰表示。
  “‘天河工程’还在研究和实验阶段,可从正反两方面讨论。”在接受记者采访时,王光谦还在国外,9月18日半夜里,他在给记者发来的一条短信中说。 
  也就是说,王光谦团队自身也没有排除这个构想最后没有办法操作的可能性。其实目前他们刚刚结束的只是 “天河工程”第一次专家组会议,以后随着后续论证的开展和信息的披露,关于工程的可持续性和潜在的风险,也应该会有更明确的说法。
  科学界一些人认为,如果单从研究的角度而言,他们的这项工作还是具有一定的价值,因为目前世界范围内对空中水汽资源利用的研究还处于初级阶段,也缺乏系统的研究,该项研究说不定能够搞出一些有价值的东西出来。另外,如果“天河工程”在工程技术、生态环境和经济问题等方面都考虑进去以后,最后论证依然利大于弊,试试倒也无妨。
  不过陈广庭表示,解决中国北方的旱灾及水资源严重短缺问题,当前最主要的还是节水和地表上的南水北调,并使用先进的技术进行灌溉。大气水资源虽然可以通过人工增雨的方式进行利用,但不是解决北方干旱问题的根本方法。

  文/记者 李鹏  图文编辑/陈永杰
  参考文献:
  1、王光谦, 钟德钰, 李铁键, 等. 天空河流: 发现、概念及其科学问题[J]. 中国科学: 技术科学, 2016, 46: 649–656.
  2、李生辰, 李栋梁, 赵平,等. 青藏高原“三江源地区”雨季水汽输送特征[J]. 气象学报, 2009, 67(4):591-598.

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