李會超：天河工程真能實現“空中調水”嗎？

【文/ 科工力量專欄作者 李會超】

我國是一個水資源相對匱乏的國家，且水資源在國土全境的分佈極不均勻。在黃河、海河、淮河流域所在的我國北部地區，水資源量僅佔全國總量的7.2%，卻承載了全國人口和GDP的約35%。為了緩解這一地區的水資源短缺問題，我國實施了“南水北調”工程，從水量相對充沛的長江流域向這一地區調水。

目前，南水北調的中線和東線工程已經投入運行，源源不斷的長江水滋潤着包括首都北京在內的北方地區。而在剛剛閉幕的珠海航展上，由青海大學、航天八院等單位提出實施的”天河工程”試圖通過空中的水汽輸運實現水資源的另一種跨區調配途徑，被一些媒體解讀為“空中南水北調”。

這一解讀給人的印象，彷彿我國已經掌握了控制天氣的秘密武器，已經可以實現大範圍、大規模的天氣氣候干預。但實際上，該工程將要準備發射的衞星，其目的是探測大氣中水汽的輸運情況而不是直接實施干預。而即便該工程的設想最終得以實現，”調水“的幕後推手仍然是大自然，而該工程要做的則是首先搞清水汽的輸運路徑，進而以某種方式將天空中的“河水”中途截留，轉換為降雨。

“天空河流”新概念

降雨，是大氣中冷凝的水汽以不同的方式下降到地球表面的天氣現象，因此充沛的水汽補給是形成降水的必要條件。在以往的探測研究中，研究者們發現了大氣對流層中存在這水汽輸送量較高的條帶狀區域。這些區域就像天空中的河流一樣，將水汽源源不斷的從一個區域輸送到另一個區域中。

然而，之前的研究者們所探測到的這些水汽輸運帶，其壽命往往較短，最長也不超過40個小時。同時，它們的行蹤不定，出現的位置受到局地天氣情況影響，有較強的隨機性。

2016年，我國學者在《中國科學》上發表論文，提出了“天空河流”的概念。天空河流關注的仍然是大氣中的水汽輸運帶，但與之前無法捕捉水汽輸運帶行蹤的研究和概念所不同的是，我國學者提出使用統計系綜的方法，找出水汽輸運帶的分佈概率。

也就是説，他們試圖回答的是“水汽輸運帶最有可能出現在哪裏”，而不是“水汽輸運帶一定在哪裏”，進而掌握天空河流出現和變化的規律。基於以往觀測數據的再分析，這些學者發現水汽輸運帶的出現雖然具有隨機性，但在長期統計後發現其也所在位置存在規律性。

因此，可以通過探測和研究，搞清最有可能出現水汽輸運帶的天空河流位置，以及天空河流中的水汽從哪裏來、到哪裏去、輸運強度是多少的問題。而完成這些任務，需要天氣學、氣象學、水文學、河流動力學等學科的交叉與合作。

（我國學者初步給出的天空河流在全球的分佈情況）

衞星能夠從天空中俯視地球，獲得一定區域的大氣情況全貌，因此十分適合用來探測天空河流的演化規律。我國的“風雲”系列氣象探測衞星具備探測水汽的能力，但運行在距離地面36000公里的地球同步軌道上的風雲二號、風雲四號，雖然能夠對我國國土進行持續監測，圖像的分辨率卻難以滿足精細分析要求。而運行在高度較低的極軌上的風雲一號和三號，雖然觀測分辨率能夠達標，但對某一地區進行一次觀測後，再次“重訪”該區域所間隔的時間較長，不能有效的解析天空河流隨時間變化的情況。

（天河工程衞星系統概況）

從目前公佈的新聞看，天河工程將採用重量為20-30公斤的微衞星執行觀測任務。微衞星是小衞星家族中重量較小的一類。相對動輒數噸的大型衞星，小衞星具有成本低、部署靈活的優勢，特別適合多顆衞星組網運行，形成衞星星座。這些衞星的軌道可以相互配合，使得一顆衞星劃過感興趣的區域不久後，另一顆衞星就接着造訪同一地區，從而能減小衞星的重返週期，在保證圖像精度的情況下不斷獲得新鮮數據，從中分析天空河流隨時間的變化情況。

截流水汽靠人工增雨

天河工程所使用的衞星只搭載了波温濕度計、降水測量雷達、雲水探測儀這些被動探測水汽和降雨情況的儀器，不具備任何主動釋放能量干預天氣變化的可能。同時，這種微衞星要滿足自身工作對電能的需求都要精打細算，更不可能由額外且足夠的能量來干預天氣。在使用衞星探測數據探明天空河流的變化規律後，還要靠人工增雨將水汽轉換成我們實際能夠利用的水資源。

目前，人工增雨一般採用向大量的積雨雲中撒播鹽、乾冰或碘化銀等物質方式，使這些物質成為雲中水滴的凝聚核，讓水滴在其周圍迅速凝聚，形成降水。在未來，或許還會開發出更有效的人工增雨方式。

從發表的文獻看，天河工程並不謀求通過人類的能力在天空中“搬雨”，而是用人工增雨截斷已經存在的天空河流。當研究者們搞清天空河流的出現和演化規律後，就能在水汽傳輸的路徑上實施人工降雨，部分截流天空中的水汽輸運，使他們以降雨的形式轉化為可利用的水資源。據該工程的科研工作者計算，三江源地區的水汽含量約6000億噸，在水汽在其區域內轉化為降水的效率不高，大部分水汽都被輸運到了區域之外，因此具有較強的應用潛力。

由於技術難度較大、預計投資較高，南水北調工程規劃中的西線工程仍處於論證截斷。如果天河工程的構想能夠取得成功，通過截流“天空河流”來增加西部地區黃河流域的降雨，則可極大的緩解西北地區的水資源短缺問題。

天河工程基於全新的設想和概念提出，難免會面臨科學、技術乃至社會問題層面的不確定性。然而，目前天河工程實際將要實施的建設內容僅僅還是用於探測的衞星和發射衞星的火箭。微衞星的一大優勢是製造和發射的成本都比較低，因此目前提出的從兩顆星到六顆星的探測計劃，相比於一般的空間項目投資並不會十分高昂。

同時，對於三江源地區的衞星探測，即便真的不能使天河計劃“更立西山石壁，截斷巫山風雨”的構想實現，也能給有關的科學研究帶來高時空分辨率的珍貴數據。因此可以説，天河計劃的衞星系統將帶來確定性的回報。

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