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王光谦院士 | 关于“天河工程”若干关注问题的说明
2018-12-14 11:40

王光谦院士:关于“天河工程”若干关注问题的说明


注意到近日媒体有关“天河工程”的报道和讨论,作为“天河”研究团队的负责人,感觉有义务对大家关注的若干问题做些说明。


非常感谢社会各界对“天河”相关研究的关心和讨论。这将促进我们更全面、更严谨、更深入地探索这一复杂的问题。天河研究开展的挑战性在于对一些未知领域的探索的不确定性,正因如此我们一直将之定位在研究探索层面,同时在对未来充满期待的激动驱动下开展了一些野外观测与人工降雨新途径的探索。在这里,我对有关这项工作的推进过程概要梳理如下。

一、天河工程设想


水循环是地球物质循环的重要组成部分,既包括地表和地壳表层水文过程,也包括空中水汽输运和降水转化。水利学科以研究陆地水循环为主,而通常将空中水物质产生的降水作为陆地水循环的输入。在观测、模拟技术快速发展的背景下,我认为空-地整体研究是学科发展的必然趋势,也是未来水利、气象、信息等学科交叉融合的内在需求,天河研究超越了传统水利学科,但也是水循环研究的自然延伸。


由于水资源分布时空分布不均衡,水资源丰枯变化、高效利用及调控技术一直是水利行业关心和研究的核心问题之一,江河安澜和健康两利也是水利人追逐的梦想。上世纪90年代之前的黄河,从历史上“三年两决口”演变为“四年三断流”,尤其是上世纪70~90年代末,“断流”频发。在国家高度重视下,水利行政部门采取了强有力的措施,2000年以来实现了黄河不断流。但是,要确保黄河下游的长治久安、维持河口生态功能和更好地支撑黄河流域及黄河两岸经济社会可持续发展,仍面临着巨大挑战,这也是水利科技工作者的心病。根据第二次全国水资源评价成果,黄河的多年平均天然径流量已由第一次评价时的580亿立方米减少为535亿立方米,将来还可能进一步减少。在全球气候变化导致水文情势变化、未来仍有极大的不确定性背景下,维持黄河下游河道的过流能力,实现黄河从一般意义上的“不断流”向“功能性不断流”转变,形势依然严峻。如果到2050年时的黄河水资源量再减少几十亿立方米,怎么办?这些问题大家都在关注、思考和研究。我们认为,不管从水利的角度还是从气象的角度,任何有希望解决问题的办法都是值得尝试的。


“黄河之水天上来”。青海是黄河水的主要来源区,近49%的水量来自于青海。而在三江源区,云水资源量丰富,具备良好的空中水资源降水转化条件和利用潜力,如果能在源区通过有效的技术手段适当干预,适度增加降水,将是对黄河水源的有效补充,这就是我提出“天河”猜想和“天河工程”设想的初衷。


在应对干旱、洪涝灾害和水资源短缺方面,水利和气象从来都是并肩战斗的。国家和一些地方气象部门专设人工影响天气办公室,研发人工影响天气技术并开展实际作业,取得了显著成效。但是,我国的水资源的需求和来源在时空上并不匹配,比如黄河上游的主要用水集中在宁夏和内蒙古灌区,但水资源主要来源于黄河源区;用水和产水的季节也不匹配,7~9三个月的水量占全年总水量一半以上,而春灌时节的水资源短缺,就需要修建水利工程进行调节。水利行业传统上,通过筑坝蓄水方式对流域内水资源的时间分布不均匀性进行调控,而流域间则通过跨流域调水实现水资源的统筹配置,这两者是水资源时空调控与配置的主要手段,在我国的水资源开发、利用实践中也取得了举世瞩目的成就。


除筑坝蓄水、跨流域调水两种水资源保障的传统手段外,是否还有第三条可能的路线呢?事实上,气象部门长期开展的人工影响天气工作给予我们启发:水在天上,可以通过人工影响天气增加降水量。气象部门长期实践也告诉我们,系统性的空中水资源的开发利用,可能是一条解决水资源短缺的新的途径。我们设想:通过精细地确定适宜地域,在合适的地区和恰当的时节,可以将人工影响天气增加降水量与水利工程调节水资源的工作结合起来,主动挖掘利用一部分空中的水资源,实现空-地联合的水资源调配(例如:在水汽条件较好的黄河源区增加降水量,通过时空转换和地面调节,可增加黄河中下游的可用水量,缓解中下游的水资源短缺形势)。基于此,我们提出了“天河工程”的设想,从水利的角度来寻找一条利用空中水资源的途径.

二、水利工程视角下的天河

气象学对水汽输运及与之相关的天气过程进行了深入的研究,比如“大气河流”就是其中的一个典型,有助于理解水汽输运对极端水文过程的认识。我们在论述天河设想的学术论文中也引用了相关的研究成果(参见:Study on sky rivers: Concept, theory, and implications. Journal of Hydro-environment Research, https://doi.org/10.1016/j.jher.2018.09.003)。但是,从水利科学与工程的角度看,我们不仅关心空中水物质的输运及附带的天气过程,同时还关心与之相应的降水转化、水资源形成与开发利用的可能。


根据全国科学技术名词审定委员会公布的《水利科技名词》(科学出版社,1997)的定义,水资源是指地球上具有一定数量和可用质量,能从自然界获得补充并可资利用的水。显然,空中的水物质也是水资源。由于空中水资源无法直接通过水利工程纳入水资源的调控与配置体系,因此,在国家十三五重点研发计划“水资源高效利用”重点专项中,将雨洪水、再生水、矿井水、苦咸水、海水和大气水等列入非常规水资源。区别于地表径流稳定的通道和流量过程,空中水物质在时空上的迁移转化具有更大的随机性,即便是大气河流,也是具有强随机性的水汽输运通道,目前通过人工影响天气产生的降水也具有很强的随机性,无法统筹利用,从而造成了空中水资源开发利用效率偏低。


我们认为,结合空地条件,优选适宜的时机、地点和方式进行人工影响天气的作业,使降水转化率、流域产流系数、流域水资源调控能力三者间能够相互匹配,构建空中-地表联合的水资源利用体系,是缓解局部区域水资源短缺形势并实现水资源的高效利用的可能途径之一。为此,我们提出了“天河”的概念:在水汽集中输运通道,且具备转化为降水潜力的区域,意为地表水之根源(参见“天空河流: 发现、概念及其科学问题”,中国科学,2016,第46卷,第6期,649-656),并进一步对天河的力学内涵进行了研究(参见:Study on sky rivers: Concept, theory, and implications Journal of Hydro-environment Research,https://doi.org/10.1016/j.jher.2018.09.003)。在此认识指导下,开展了开发空中水资源的模式(即天河工程)的研究,其核心是分析大气中的水物质分布与输送格局,利用已有成型技术并研发新型高效人工干预技术、空-地联合的水物质监测技术,为实现空中水资源与地表水资源的耦合调控和统筹利用提供科学和技术支撑,其核心目标是如何在局部区域用好人工影响天气适度增加地表径流,而非改变大气环流(参见:“天河工程:空中水资源开发利用的机遇与挑战”,中国学科发展战略—水利科学与工程前沿,北京:中国科学出版社, 2017.4, 122-138;“空中水资源及其降水转化分析”,科学通报, 2018, 63(26): 2785–2796.doi:10.1360/N972018-00162)。

三、学科融合视角下的天河

水利科学一直关注地表水物质的输运及其附带的洪涝和干旱灾害问题及对策。正如水利科学与地貌学、环境学、生态学、管理学、经济学等众多学科的交叉融合,形成了众多的交叉科学,为解决日益复杂的水问题提供了理论和技术支撑。气候变化导致的水文情势的变化和不确定性日益显著,水利科学与工程伴随着理论研究的进步、观测手段的发展,逐渐从河流研究演变为流域研究,进而演变为全球水循环的研究,水利科学与气象科学的交叉不再仅限于气象水文学,构建气象、水利、信息深度融合的学科不仅是科学研究的需要,也是我国水资源安全保障的需求。


天河研究需要用到水利、气象、地理、信息等多学科的知识,是多学科的交叉和融合,从空-地耦合的角度认识水循环,探索认识空中水资源的演变规律和对地表水资源变化的影响。从天河这一概念出发,将为我们认识空中水资源的形成、迁移、转化提供新的更好的物理图景和分析工具。

四、天河设想不等于天河工程

天河(Sky River)的定义与美国提出的大气河流(Atmospheric River)异曲同工,虽然中英文术语的不同是由于文化背景不同产生的,但都是指的大气流动中水汽传输的特殊边界层通道。但是,中国“天河工程”中的“天河”从一开始就是从水资源利用的角度提出的,关心的是统计意义上的结构特征及其对海陆间水资源空中输送的贡献。


不是空中所有水物质都称为“空中水资源”,特指具备降水转化潜力的那部分空中水物质,阶段性地作为空中水资源的定量指标。从水资源的角度,这些研究工作是水利人抬头看天的尝试,目的是为了更好地开展水循环和水资源研究,也学习借鉴气象领域的已有成果。


从水资源角度看,空中是否有部分水可以通过有效途径加以开发利用?自然就是从“天河”走向“天河工程”,我们提出“天河工程”是想把一个“猜想”走向实用,而不是只停留在概念或理论研究上。当然,现阶段“天河工程”还是研究项目,并非“南水北调”等大型水利工程建设项目。取名为“天河工程”,主要是“天河”已有很多指向,比如神话传说中的“天河”、现实社会中的“天河”计算机等。为与已有以“天河”命名的其它项目区分,才用了“天河工程”,本质上还是“天河”相关理论的研究,这在我们采用的英文名称可以体现出,我们用的是“Sky River”,而不是“Sky River Project”。


目前,国内外多个气象科研单位和气象科学专家参与了共同研究,在2018年6月在北京召开了第一届全球水循环与天河研究国际学术研讨会,我们在开篇就向与会的各国专家正式说明了天河(Sky River)和大气河流(Atmosphere River)的异同,大家一致认同研究“天河”的必要性和可行性,共同发起成立了“天河国际研究网络”(Initiative of the Sky River International Research Network),全球10余个国家的50多名水利和气象专家参加了会议。

五、监测与卫星

空-地水循环一体化监测对多个领域的研究具有重要意义。纳入卫星气象监测体系的天河一号卫星,在卫星轨道设计、载荷配置、研发周期等方面进行了权衡优化,有助于弥补现有气象卫星监测能力的不足,并强化了对三江源及同纬度地区的观测重访能力。卫星载荷采用的是气象业务与科研卫星常用的水汽、云、降水观测仪器,包括微波温湿度计、降水测量雷达等。卫星发射组网后,其机动观测能力可为台风等灾害天气提供观测、研究、预警和天河研究等服务。

六、关于科研项目

团队目前承担的是科学研究项目,目的是探索研究相关现象的机理、研发新技术。


2016年2月,科技部发布了国家重点研发计划“水资源高效开发利用”重点专项的第一批项目申报指南,其中“2. 非常规水资源开发利用技术”下面设置了“2.2 大气水资源开发新技术”方向,要求“研发人工降水新技术及装备,研发大气水资源规模化开发新技术和成套技术装备,开展应用示范”。本人以青海大学作为牵头单位,联合多家气象、地理、水文等领域优势科研院所,以“云水资源开发利用关键技术、装备与应用示范”为项目名称申请该项目;同时竞争申报该项目的还有其他科研团队,经过层层审核和专家评审,本人申报的“云水资源开发利用关键技术、装备与应用示范”并未获立项,是另外一个团队申请的同类型项目获批。


2016年12月,科技部发布了“战略性国际科技创新合作”重点专项项目申报指南,本人作为负责人,以清华大学作为牵头单位,联合中国气象科学研究院、中国科学院大气物理研究所、青海大学、澳大利亚气象局、墨尔本大学、奥克兰大学和俄克拉荷马大学等单位,共同申报并获批了“全球水循环及‘天河工程’理论与关键技术国际大科学计划”项目,项目研究的主要目标是全球水循环与“天河”相关的科学探索和国际创新引领。


2017年国家重点研发计划“水资源高效开发利用”重点专项的第二批项目申报指南,其中,“2.非常规水资源开发利用技术与设备”中设置了“2.2 河源区及干旱区降雨径流挖潜与高效利用技术”,我们团队以青海大学牵头、清华大学等单位参与,联合申报了“河源区及干旱区降雨径流挖潜与高效利用技术”项目,经过形式审查、专家网评、专家会议评审和公示等程序后获批立项。据了解,同时还有另外一个团队也申报了该方向,参与竞争。


项目获批以来,研究团队严格按照有关科研项目管理的要求稳步推进,编制了项目任务书,组织召开了任务书审查、项目启动会、实施方案论证会等,参与论证的专家涵盖水利、气象、生态等领域专家。项目重点围绕空-地水资源形成转化规律、空-地水资源联合利用技术等开展探索性研究。项目组秉承严谨治学之精神,扎实工作,研究进展和成果将通过学术论文、专利等形式发表。本人会坚守一名科技工作者的操守,珍惜用好科研经费。


应该指出,我们研究的部分初步成果虽已有在国内外学术期刊发表,但离实际规模性应用尚有很大距离,探索之旅刚刚开始。研究团队成员仍在踏实工作,青海大学和清华大学的青年教师和学生团队40多人,今年的中秋和国庆节节都还在海拔4200多米的高原野外试验场度过。天河工程目前还定位在观测与探索,有的想法还显幼稚,有的方法还不成熟,有的领域专家还未来得及沟通和前去请教,有的论证还远没有结束,我们诚挚地欢迎广大科研工作者和社会各界提出批评和建议,使我们的团队在不断学习中进步。