李会超：天河工程真能实现“空中调水”吗？

【文/ 科工力量专栏作者 李会超】

我国是一个水资源相对匮乏的国家，且水资源在国土全境的分布极不均匀。在黄河、海河、淮河流域所在的我国北部地区，水资源量仅占全国总量的7.2%，却承载了全国人口和GDP的约35%。为了缓解这一地区的水资源短缺问题，我国实施了“南水北调”工程，从水量相对充沛的长江流域向这一地区调水。

目前，南水北调的中线和东线工程已经投入运行，源源不断的长江水滋润着包括首都北京在内的北方地区。而在刚刚闭幕的珠海航展上，由青海大学、航天八院等单位提出实施的”天河工程”试图通过空中的水汽输运实现水资源的另一种跨区调配途径，被一些媒体解读为“空中南水北调”。

这一解读给人的印象，仿佛我国已经掌握了控制天气的秘密武器，已经可以实现大范围、大规模的天气气候干预。但实际上，该工程将要准备发射的卫星，其目的是探测大气中水汽的输运情况而不是直接实施干预。而即便该工程的设想最终得以实现，”调水“的幕后推手仍然是大自然，而该工程要做的则是首先搞清水汽的输运路径，进而以某种方式将天空中的“河水”中途截留，转换为降雨。

“天空河流”新概念

降雨，是大气中冷凝的水汽以不同的方式下降到地球表面的天气现象，因此充沛的水汽补给是形成降水的必要条件。在以往的探测研究中，研究者们发现了大气对流层中存在这水汽输送量较高的条带状区域。这些区域就像天空中的河流一样，将水汽源源不断的从一个区域输送到另一个区域中。

然而，之前的研究者们所探测到的这些水汽输运带，其寿命往往较短，最长也不超过40个小时。同时，它们的行踪不定，出现的位置受到局地天气情况影响，有较强的随机性。

2016年，我国学者在《中国科学》上发表论文，提出了“天空河流”的概念。天空河流关注的仍然是大气中的水汽输运带，但与之前无法捕捉水汽输运带行踪的研究和概念所不同的是，我国学者提出使用统计系综的方法，找出水汽输运带的分布概率。

也就是说，他们试图回答的是“水汽输运带最有可能出现在哪里”，而不是“水汽输运带一定在哪里”，进而掌握天空河流出现和变化的规律。基于以往观测数据的再分析，这些学者发现水汽输运带的出现虽然具有随机性，但在长期统计后发现其也所在位置存在规律性。

因此，可以通过探测和研究，搞清最有可能出现水汽输运带的天空河流位置，以及天空河流中的水汽从哪里来、到哪里去、输运强度是多少的问题。而完成这些任务，需要天气学、气象学、水文学、河流动力学等学科的交叉与合作。

（我国学者初步给出的天空河流在全球的分布情况）

卫星能够从天空中俯视地球，获得一定区域的大气情况全貌，因此十分适合用来探测天空河流的演化规律。我国的“风云”系列气象探测卫星具备探测水汽的能力，但运行在距离地面36000公里的地球同步轨道上的风云二号、风云四号，虽然能够对我国国土进行持续监测，图像的分辨率却难以满足精细分析要求。而运行在高度较低的极轨上的风云一号和三号，虽然观测分辨率能够达标，但对某一地区进行一次观测后，再次“重访”该区域所间隔的时间较长，不能有效的解析天空河流随时间变化的情况。

（天河工程卫星系统概况）

从目前公布的新闻看，天河工程将采用重量为20-30公斤的微卫星执行观测任务。微卫星是小卫星家族中重量较小的一类。相对动辄数吨的大型卫星，小卫星具有成本低、部署灵活的优势，特别适合多颗卫星组网运行，形成卫星星座。这些卫星的轨道可以相互配合，使得一颗卫星划过感兴趣的区域不久后，另一颗卫星就接着造访同一地区，从而能减小卫星的重返周期，在保证图像精度的情况下不断获得新鲜数据，从中分析天空河流随时间的变化情况。

截流水汽靠人工增雨

天河工程所使用的卫星只搭载了波温湿度计、降水测量雷达、云水探测仪这些被动探测水汽和降雨情况的仪器，不具备任何主动释放能量干预天气变化的可能。同时，这种微卫星要满足自身工作对电能的需求都要精打细算，更不可能由额外且足够的能量来干预天气。在使用卫星探测数据探明天空河流的变化规律后，还要靠人工增雨将水汽转换成我们实际能够利用的水资源。

目前，人工增雨一般采用向大量的积雨云中撒播盐、干冰或碘化银等物质方式，使这些物质成为云中水滴的凝聚核，让水滴在其周围迅速凝聚，形成降水。在未来，或许还会开发出更有效的人工增雨方式。

从发表的文献看，天河工程并不谋求通过人类的能力在天空中“搬雨”，而是用人工增雨截断已经存在的天空河流。当研究者们搞清天空河流的出现和演化规律后，就能在水汽传输的路径上实施人工降雨，部分截流天空中的水汽输运，使他们以降雨的形式转化为可利用的水资源。据该工程的科研工作者计算，三江源地区的水汽含量约6000亿吨，在水汽在其区域内转化为降水的效率不高，大部分水汽都被输运到了区域之外，因此具有较强的应用潜力。

由于技术难度较大、预计投资较高，南水北调工程规划中的西线工程仍处于论证截断。如果天河工程的构想能够取得成功，通过截流“天空河流”来增加西部地区黄河流域的降雨，则可极大的缓解西北地区的水资源短缺问题。

天河工程基于全新的设想和概念提出，难免会面临科学、技术乃至社会问题层面的不确定性。然而，目前天河工程实际将要实施的建设内容仅仅还是用于探测的卫星和发射卫星的火箭。微卫星的一大优势是制造和发射的成本都比较低，因此目前提出的从两颗星到六颗星的探测计划，相比于一般的空间项目投资并不会十分高昂。

同时，对于三江源地区的卫星探测，即便真的不能使天河计划“更立西山石壁，截断巫山风雨”的构想实现，也能给有关的科学研究带来高时空分辨率的珍贵数据。因此可以说，天河计划的卫星系统将带来确定性的回报。

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