中國網/中國成長門戶網訊 水資本是保持生態均衡、保證生物多樣性的要害要素，同時也是農業、產業和辦事業成長的基本資本。水資本的可連續應用直接關系到經濟社會的高東西的品質成長。跟著全球天氣變熱，我國正面對區域性干旱、水資本時空分布不均和生態體系退步等嚴重挑釁。傳統水利工程，如水庫蓄水和年夜型調水工程在支撐農業生孩子緩和解水資本缺乏等方面施展了主要感化，但其扶植周期長、經濟投進宏大，對復雜多變的水文天氣格式的順應性缺乏，且存在必定的生態周遭的狀況影響，促使人們追求加倍機動、環保和高效的處理計劃。跟著相干範疇迷信認知和技巧才能的成長，空中水資本逐步進進水資本維護與應用研討的視野。
2020年11月，《國務院辦公廳關于推動人工影響氣象任務高東西的品質成長的看法》指出，“積極展開人工影響氣象功課”“加大力度基本實際研討，衝破要害技巧研發”。展開空位一體化水資本應用，將空中水利工程與空中水資本應用深度融會，具有主要性、需要性和可行性。從主要性看，該形式打破了傳統水資本應用的時空局限，構建起“空中水、地表水、地下水”協同應用的平面系統；從需要性而言，面臨天氣變更招致的極端氣象增多、水資本時空分布格式轉變等挑釁，空中水利工程難以知足需求，有需要借助空六合一體化手腕完成對空中水資本的靜態監測與過度應用；從可行性來講，我國在景象衛星監測、鄰近氣象預告、人影功課設備等範疇已具有成熟技巧，可以或許完成對空中水資本的監測、猜測和人影功課的及時決議計劃。
本文率先提出“以水換碳匯”的理念，聯合團隊立異研發的低頻強聲波增雨技巧和裝備在青海省海南躲族自治州（以下簡稱“海南州”）展開持續3年的現場示范，評價其在空中水資本自動應用方面的效能與生態經濟效益。在此基本上，進一個步驟挑選我國低頻強聲波增雨技巧應用空中水資本的合適安排區域，測算響應的增雨潛力和生態經濟效益，從而為我國水資本可連續治理應用、生態體系辦事效能加強、碳匯才能晉陞、助力“雙碳”目的完成供給新的途徑。
空中水資本界說及其開闢應用技巧近況
降水是海洋水資本的重要起源，空中水汽資本是降水的物資基本。藍水是河道、湖泊和地下蓄水層中的水，綠水是源于降水、存儲于泥土并經由過程蒸發、蒸騰進進到年夜氣中的水汽，降水量是藍水和綠水總和。王光謙院士團隊率先提出了空中水資本的概念和定量評價方式，在空中水物資凈出入量與降水、蒸發和徑流量之間的均衡關系中，將空中水汽作為要害要素；以其能否具有降水潛力為判定根據，將空中水物資通量分化為白水通量和佈景水通量。白水是水汽中具有降水潛力的空中水物資（通量），佈景水為降水經過歷程無法應用的部門（圖1）。
全球上空年夜氣中瞬態存在的水物資總量約1.3萬平方千米，降水轉化率總體不到30%，在我國東南地域不到15%。空中水資本開闢應用是經由過程人工增雨、云霧攔阻等技巧手腕，優化干涉天然降水經過歷程，輔助具有降水潛力的白水下降至空中，從而晉陞降水效力。同時，空中水資本開闢應用還可在汛期提早耗費云層水汽，下降暴雨災難風險，完成水資本的“削峰填谷”。
傳統人工增雨重要經由過程剖析云層特徵，以空中熄滅爐、飛機、高炮、火箭等功課方法播撒碘化銀等冷云、熱云催化劑，從而影響水輪迴要害環節，完成降水效力的晉陞。盡管我國在催化劑播云實驗方面積聚了豐盛經歷且技巧絕對成熟，但實在際利用存在技巧限制，如飛機功課存在空域限制，風險氣象下人工進云功課風險高，一些化學催化劑的應用不難激發大眾對年夜氣周遭的狀況負面影響的言論等。
近年來，跟著技巧的提高，新的人工增雨方法——低頻強聲波增雨技巧惹起了普遍追蹤關心。這一方式有奇特的上風：經濟性，無航空和對空發射功課，具有低門檻、低本錢上風；無空域限制，不需求升空載具，操縱時無需報批空域請求，也不受風險氣象前提等限制，可以或許在短時光內疾速呼應；可控性，可停止地基定點功課，便利與地表水利舉措措施兼顧利用；環保性，是一種物理增雨手腕，不應用任何催化劑，具有持久功課無淨化的上風；機動性，裝備操縱便捷，運輸便利，可支持固定點位持久功課和變動位置式應急功課形式。
低頻強聲波增雨技巧與裝備研發
道理
低頻強聲波增雨技巧是基于聲波感化下雨滴的同向團圓效應、共輻射壓感化、聲波尾流效應等道理，向云層發射低頻高強度聲波，晉陞云中粒子的碰撞團圓效力，從而打破熱云的膠性穩固狀況，增進尺寸增加并構成洪流滴，進而拓寬云滴譜，終極啟動重力碰撞機制，將水汽轉化為洪流滴，經由過程聲波的直接動力學感化和直接熱力學感化，增進降水產生。
王光謙院士團隊經由過程深刻研討聲波與云層的彼此感化機制，構建了聲波影響云雨經過歷程的實際模子，發明了低頻強聲波發射技巧可加年夜空中水汽轉化效力，為聲波增雨技巧研發供給了迷信根據；在云霧物理試驗室的云室中展開了大批的模仿試驗，不雅測到特定頻率聲波可招致云滴間碰撞增加和聚合效應，證明了聲波能影響云滴的發展，為聲波增雨技巧的可行性供給了試驗根據。
技巧與裝備研發
團隊勝利研制出功率到達500千瓦的低頻強聲發射車，并把握了寬域聲聚焦、高功率聲波的多點同步把持、聲波的時空調制、云霧物理特征的空間掃描丈量等一系列要害焦點技巧，研發了成套的聲波增雨裝備；霸佔了聲波團霧打消的要害技巧瓶頸，應用強聲波的尾流場與同向團圓效應，引誘微米級水霧顆粒產生碰撞聚合，使其粒徑不竭增年夜，終極天然沉降，在青海年夜學、玉珠峰等地展開現場實驗，驗證了聲波增雨的能夠性。
經由過程實際剖析、數值模仿、室內試驗和野外實驗的方法，研發超高功率聲波增雨體系，建成聲波產生器道理樣機及主要部件，并在青海、新疆、內蒙古、河南、陜西以及廣東等地展開了數百場現場試驗（圖2），按部就班完成了體系性低頻強聲波增雨技巧與裝備研發。
低頻強聲波增雨裝備分為：固定式（圖3），裝置在特定地址，經由過程發射聲波來影響過往的云層，以期到達增雨的目標；變動位置式（圖4），可以依據云層前提，變動位置式展開聲波增雨功課，以補充固定式裝備在機動性和靈活性方面的缺乏。
青海省海南州低頻強聲波增雨實行
基地選址
青海省是長江、黃河、瀾滄江的起源地，是我國甚至亞洲主要的生態平安樊籬，具有修養水源、固碳釋氧、保持生物多樣性等要害性生態辦事效能。水輪迴是三江源生態體系要害因果鏈最主要的構成部門。
2015年以來，王光謙院士團隊在青海展開了空中水資本基礎狀態及分布紀律研討，發明青海省全域的空中水資本應用潛力取值范圍為0.268—129毫米，最年夜值在青海省台灣東邊地域，其次是祁連山脈和青海省西北部區域，再次是三江源其他區域，柴達木盆地的潛力最小。是以，經由過程低頻強聲波增雨技巧的利用，進步青海省空中水資本降水轉化率，對于青海省生態維護包養與修復、晉陞生態體系天然碳匯增益，具有主要的意義。
青海省海南州位于青海省台灣東邊，作為黃河下游的主要區域，其生態樊籬的扶植和水資本的治理對保護黃河道域的生態平安具有主要感化。海南州總面積4.45萬平方千米，地處高原年夜陸性天氣區，水資本分布不均，日照時光長、太陽輻射強，年降水量少，蒸發量年夜。跟著海南州生齒和經濟的疾速成長，用水需求急劇上升，水生態、水周遭的狀況懦弱、水資本缺乏題目已成為制約海南州經濟和生態高東西的品質成長的主要原因。
低頻強聲波增雨技巧的聲波發射點選址普通需求知足以下3個準繩：①高海拔頂風坡山區；②闊別人群的空闊區域；③接近河道水庫的區域。綜合剖析海南州地輿天氣特征，經現場查勘，選擇在海南州興海縣海拔3 400米擺佈的河卡鎮北15千米處扶植空中水資本應用示范基地（圖5）。基地三面環山，西北側為平原出口，接近海南州共和縣塔拉灘地域。塔拉灘地域曾面對嚴重的荒涼化題目，周遭的狀況惡劣，風沙頻仍。經由過程聲波增雨，可以有用增添該地域的降水量，改良泥土濕度，增進植被發展，進而改良全部區域的生態周遭的狀況。
實驗基地占地約200平方米，Ka雷達裝置在間隔聲波發射點直線間隔5米的地位，確保聲波感化中間云層與Ka雷達監測云層堅持分歧，采用Ka雷達停止24小時監測云降水全經過歷程數據。在聲波發射點周圍隨機平均布置30余個雨量筒（圖6），構成一個半徑為8千米的圓形監測區域，用于丈量空中降水時空分布情形。
實驗計劃與後果查驗方式
實驗采用隨機化對比design，將合適功課的氣象機遇隨機分派為2組，以打消報酬客觀判定的影響。斟酌夜間功課職員平安題目，實驗基地僅在日間展開聲波增雨實驗。
采用雙比剖析法和Mann-Whitney U明顯查驗法對增雨後果停止查驗，以聲波發射點為圓心，依據泰森多邊形外擴法慢慢增添影響區的雨量站，確保影響區是持續的。影響區之外的區域被界說為對照區。從原點開端，將接近聲源的雨量站區域作為影響區肇端點，然后慢慢將與該區域相鄰的雨量站歸入影響區；同時停止雙比成果的明顯性查驗，采取補線法構成閉合泰森多邊形盤算最斷定影響區增雨面積和最年夜影響區增雨面積。若新參加的某一雨量站進步雙比成果的明顯性最顯明或下降明顯性最不顯明，則將該站點參加影響區；重復以上操縱，直至新加站點招致雙比明顯性程度低于預設的臨界前提（如p值<0.1）時為止。在p值達到最小值時，將此時的影響區定義為最確定影響區；當p值最后一次符合臨界條件時則定義最大影響區。
從植被發展狀態與碳接收才能2個維度對聲波增雨的生態效應展開評價，應用葉面積指數（LAI）和加強型植被指數（EVI）作為生態效應的植被綠度評價目標，應用近紅外反射率（NIRv）和總低級生孩子力（GPP）作為植被生孩子力的評價指包養網標。
實驗實行後果剖析
在海南州河卡鎮聲波增雨實驗基地，持續3年實行聲波增雨實驗。勝利停止了107次聲波增雨功課，聲波總功課時長到達340小時。持續3年聲波增雨後果明顯，并且跟著聲波裝備的迭代進級和功課計劃的更換新的資料完美，成果表白2024年聲波增雨後果最佳。
2024年海南州河卡鎮聲波增雨實驗基地對照實驗成果顯示，實驗點斷定影響區面積85平方千米（p=0.01），增雨面積內的增雨比例為18%，最年夜影響區面積96平方千米（p<0.1），增雨面積內的增雨比例為16%。2023年增雨試驗區面積為78平方千米，增雨比例14%；相比2020—2021基準年LAI、EVI、NI包養平臺推舉Rv、GPP分辨晉陞了15.84%、6.94%、9.66%、8.00%，增雨實驗區外0—10千米范圍（628平方千米）LAI、EVI、NIRv、GPP值分辨晉陞了13.70%、3.79%、6.06%、7.02%。2024年增雨實驗區比擬2020—2021基準年LAI、EVI、NIRv、GPP分辨晉陞了10.39%包養、1.94%、3.95%、5.82%，增雨實驗區外0—10千米范圍（660平方千米）分辨晉陞了7.41%、1.64%、4.92%和5.68%。
按包養網價錢照2024年海南州聲波增雨實驗後果停止猜測，若全年在海南州河卡鎮實驗基地展開聲波增雨功課，最斷定影響區增雨潛力為81.7毫米（694萬立方米），最年夜影響區增雨深潛力為72.6毫米（697萬立方米）。
實驗顯示，在海南州荒涼區展開的低頻強聲波增雨示范，使區域內植被籠罩率獲得進步，生態周遭的狀況獲得改良，植被的增添削減了風沙對周邊地域的侵襲，進步了生態體系的穩固性和生態辦事價值，同時為水電開闢供給更豐盛的基本資本，可以或許晉陞水力發電的穩固性和發電量。
全國增雨潛力與生態經濟效益評價
低頻強聲波增雨野外實驗成果表白，在年降水量約為500毫米的半干旱地域，單臺聲波增雨裝備可完成約20%的年均降水增量，籠罩區域年增雨量可到達1 000萬立方米。經由過程多臺裝備的協同安排，可構成區域性增雨網格體系，明顯晉陞降水的空間平均性和連續時效。這種協同功課形式特殊實用于中國東南干旱區、華北平原地下水超采區、云貴高原石漠化管理區和長江下游生態修養區等水資本治理重點區域。是以，切磋聲波增雨技巧在全國的利用潛力，重點剖析其合適安排區域的空間分布，并評價其在農業節水、碳匯加強等方面的經濟社會生態效益很是有需要。
合適安排區域及增雨效益評價
針對我領土天時用近況，采用GIS空間疊加剖析方式，剔除無增水潛力的極端干旱區（年降水量低于134毫米）、城市建成區（某一單位內建成區占比跨越10%）、生態敏感天然維護區和峻峭山崖、高海拔區域（海拔>5 000米）和年夜型水體（如湖泊、河道）等區域（圖7），初步斷定我國合適安排聲波增雨裝備的區域（圖8），總面積約579.5萬平方千米，實際上可支撐安排約5.8萬臺聲波裝備。基于2000—2022年降水數據和已有實驗參數，構建最年夜安排情形，預算年增雨量可達8 585.7億立方米，依據地表徑流區域轉化率模子，綜合斟酌泥土類型、植被籠罩和地形坡度，假定全國降水轉化為地表徑流的有用轉化率為10%—20%、東南干旱區的轉化率約為10%、南邊高降水區的轉化率為15%—20%，獲得在實際最年夜安排情形下有用蓄水量可達858.6億—1 717.2億立方米。
節水效益
聲波增雨對緩解農業用水缺乏具有主要意義。近年來，我國農業澆灌年均用水量約為3 400億立方米，經濟本錢昂揚。全國澆灌農田面積跨越58萬平方千米，此中位于裝備合適安排區且集中連片澆灌區（每100平方千米內澆灌農田占比超10%）約40.3萬平方千米。斟酌在集中連片澆灌區優先安排約1.4萬臺聲波增雨裝備，可以明顯削減對藍水的澆灌需求，完成年均節儉澆灌用水664.2億立方米。若周全安排5.8萬臺裝備后，可完成年均節儉澆灌用水811.5億立方米，這也將明顯減緩華北平原地下水超采區、黃土高原和東南內陸等水資本嚴重區域的用水壓力。
碳匯效益
公道的水資本再分派有利于海洋植被進步固碳才能。聲波增雨經由過程進步降水轉化率，可明顯加強碳匯才能，進而發生碳買賣潛伏收益。碳匯增量受降水增添量、植被類型、泥土前提和睦候佈景的綜合影響，幻想情形下聲波增雨增添的碳匯百分比取為10%。在實際最年夜安排情形下（5.8萬臺裝備），依據曩昔20多年（2001—2024年）海洋生態體系生孩子力預算年均增添的碳匯量可到達8.27億噸CO₂當量。在減往裝備燃油耗費發生的CO₂排放量后，凈碳匯量仍有8.19億噸CO₂當量。參考以後碳買賣市場價錢（50—100元/噸CO₂），年碳匯經濟效益為410億—819億元。參考以後單元碳匯本錢為24.8元/噸CO₂，遠低于主流碳往除技巧，如生物動力碳捕集與封存（BECCS，700—1 400元/噸CO₂）、造林與再造林（AR，36—360元/噸CO₂）和直接空氣捕集（DAC，700—2 100元/噸CO₂）等。增添的碳匯收益不只晉陞了聲波增雨的經濟價值，也為完成“雙碳”目的供給了低本錢的天然天氣處理計劃。
綜合經濟效益
聲波增雨無需航空器的應用和本錢保護，無需購置大批的催化劑等耗費品，經濟效益可不雅。經綜合測算，單臺聲波增雨裝備在應用柴油作為動力源時，單月運營本錢為7.5萬元；若采用風電或太陽能等乾淨動力作為動力源，單月運營本錢可進一個步驟下降至6萬元。在分歧天氣區和季候前提下，若單月增雨量跨越75萬立方米，增雨本錢可把持在每立方米0.1元以下，斟酌可功課時光限制等原因，年運轉本錢可把持在20萬元擺佈。今朝情形下，單臺聲波增雨裝備造價為150萬元，將來聲波增雨裝備財產化后，無望將造價本錢把持在100萬元以內。
在實際最年夜安排情形下，初始投資總額為870億元，年運轉本錢116億元，10年總本錢約為2 030億元。依據上文的預算，最年夜安排情形下的年水資本增量為8 585.7億立方米，有用蓄水量為858.6億—1 717.2億立方米，10年單元有用水資本本錢最年夜值為0.24元/立方米，與傳統水利工程比擬，具有明顯的經濟上風。
低頻強聲波增雨技巧年夜範圍推行利用面對的挑釁與提出
挑釁
盡管低頻強聲波增雨技巧已獲得長足提高，但其年夜範圍推行利用仍面對不少挑釁。
人工增雨後果受氣象前提限制較年夜，對云層的溫度、厚度、水汽含量等前提請求刻薄，降水量和蓄水量的現實轉化效力受景象、地形和下墊面前提的制約，功課機會的掌握至關主要。
聲波增雨技巧在全國范圍內的合適安排區域、潛伏增雨總量，以及對農業、生態和碳匯的綜合效益尚需體系評價；需求進一個步驟完美監測和評價系統，需求更年夜範圍的實地實驗以驗證模子預算的正確性。在聲波增雨功課區及周邊區域，需求設置持久的景象不雅測站、水文監測站和生態監測站，搜集降水、徑流、泥土濕度、植被籠罩等數據，經由過程對照剖析增雨功課前后的數據變更，正確評價增雨後果和經濟效益。
裝備運轉的低頻聲波對動植物持久潛伏影響也待進一個步驟持久不雅測和評價驗證。
提出
為加快聲波增雨技巧的範圍化利用，增進其體系工程效益更好施展，需進一個步驟加大力度部分協作，推進技巧研發與立異，展開大眾宣揚與教導等任務，本文提出以下3點優先成長標的目的。
體系協同安排：推進聲波增雨與水庫調蓄、抽水蓄能和聰明水利體系的深度耦合，構建“水—能—碳”協同調控系統，晉陞資本應用效力。
區域試點示范：在華北平原、東南干旱區等水資本缺乏地域增添試點平臺，驗證明際增雨後果和生態經濟效益，為全國推行積聚經歷。
政策與核算支撐：將聲波增雨的碳匯效益歸入國度生態碳匯核算系統，推進其作為天然天氣處理計劃歸入政策東西，增進碳買賣市場成長。
（作者：陳敏，清華年夜學 水圈迷信與水利工程全國重點試驗室、水利部黃河下游生態維護和高東西的品質成長試驗室；李鐵鍵，清華年夜學 水圈迷信與水利工程全國重點試驗室；黃躍飛，清華年夜學 水圈迷信與水利工程全國重點試驗室、青海年夜學 土木水利學院、水利部江河源區水生態管理與維護重點試驗室、水利部黃河下游生態維護和高東西的品質成長試驗室；陳國昕，青海年夜學 土木水利學院、水利部江河源區水生態管理與維護重點試驗室；《中國迷信院院刊》供稿）
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