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天山山区人工增雨雪关键技术研发与应用

2017-04-01

水资源是基本保障性自然资源和战略性经济资源,更是社会经济发展的命脉和生态环境变化的主导要素。新疆维吾尔自治区平均年降水量165毫米,蒸发能力为降水量的1020倍;水资源约占全国的3%。但按单位面积产水量来计算,却只有51毫米,位居全国倒数第二。国内外有关研究结果表明,从现在到本世纪中期,未来西部地区干旱化的总格局不可能有根本的改变,甚至有进一步加剧的趋势;天山及昆仑山的小冰川都将趋于消失,近十年已累计缩小10%15%,缺水将严重威胁人类的生存。近40年来,虽然新疆总体上存在增湿趋势,但温度升高导致的蒸发增强抵消了变湿的有利影响,并不能改变新疆干旱缺水的本质,水资源匮乏仍然是长期制约经济社会可持续发展的主要因素。

2011年,国家发布《关于加快水利改革发展的决定》,明确提出了要加强人工增雨雪作业示范区建设,科学开发利用空中云水资源。同年,在国家科技主管部门的大力支持和新疆维吾尔自治区科技主管部门的积极组织下,由中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所牵头,联合中国兵器科学研究院、中国科学院物理研究所共同承担的“天山山区人工增雨雪关键技术研发与应用”项目正式列入国家科技支撑计划并启动实施。项目以天山山区为试验区,以天山云水资源开发利用潜力、发展天山典型云系人工增雨雪的作业模式等为研究内容,建立人工增雨雪示范基地,研发多种增雨装置,以期增加山区冰雪积累,提高河川径流,改善荒漠环境。项目包括“天山云水资源潜力评估与增雨(雪)技术开发应用”“人工影响天气探测作业一体化无人机系统”和“超短脉冲激光人工引雷降雨技术与设备研究”3个课题。

一、天山云水资源潜力评估与增雨(雪)技术开发应用

该课题归纳了天山地区云降水过程的大尺度环流特征,研究了天山山区水汽与气候变化的关系,分析了天山地区云量的时空变化特征及其与降水的关系,完成了天山山区大气水循环特征研究,给出了天山山区面雨量时空分布、水汽输送和降水转化率特征,撰写了天山山区云水资源开发潜力评估报告。在天山山区开展了云降水及积雪物理特性的综合观测试验,建立了巴音布鲁克人工增雨雪示范基地,实施了人工增雨雪大型外场科学试验,探索了多源新型观测资料在天山山区云降水过程及人工增雨雪试验中的应用技术方法,深入研究了天山山区典型层状云降水过程微物理结构特征。分析了天山地区有利于人工增雨雪的最佳区域,完成了天山山区降水云系时空分布及分类方法、天山山区地形云系的降水机理研究,揭示了天山典型降水云系结构和云降水形成发展的物理过程,提出了天山山区连续性降水云系人工增雨雪概念模型,建立了天山山区连续性降水云系人工增雨雪的中短期潜势预报指标及短时作业指标,制作了天山山区连续性降水云系人工增雨雪预报流程,建立了天山山区人工增雨雪作业指挥系统。完成多弹型增雨雪火箭发射装置的研制,并进行实地增雨雪火箭发射试验。确定了评价人工增雨雪效果的实验对比区域,建立了增雪效果与积雪存储效果评价地面实验站,开展了天山山区人工增雨雪效果检验与评估,建立了适合于天山区域的积雪积累及融雪模型。

课题获得实用新型专利“人工增雨防雹火箭发射架地面缓冲底座”(专利号: ZL201420523791.1),计算机软件著作权3项(新疆自动气象观测站数据查询系统V1.0,新疆气象台预报评分查询系统V1.0,风廓线雷达产品显示及监测预警系统V1.0)。

二、人工影响天气探测作业一体化无人机系统

人工影响天气探测作业一体化无人机系统系人工影响天气领域智能化无人作业系统。据查证,除美国之外,尚无第三个国家拥有该技术。

相关技术获得实用新型专利“人工影响天气机载布撒器”专利号:ZL201320543250.0)、“中兵新型人

工影响天气系统”(专利号:ZL201320834113.2)、

“人工影响天气探测作业无人机系统”(专利号:ZL201320833930.6),发明专利“一种人工影响天气探测作业综合系统”(专利号:ZL201310481193.2)。

三、超短脉冲激光人工引雷降雨技术与设备研究

发展了易搬运的飞秒激光器,包括飞秒光纤激光器和飞秒钛宝石激光器。其中飞秒钛宝石激光器能输出能量大于80兆焦耳、脉冲宽度最短为40飞秒、对应峰值功率大于2太瓦的激光,非常适合长距离运输以及野外环境运行。

将激光器运到新疆某气象站,在野外环境下,将飞秒激光打到空气中,不用聚焦透镜,在空气中自由传输一定距离后产生自聚焦,并形成长达2公里以上的等离子体通道。通过对该等离子体通道内的电子密度进行测量和诱导高压放电测量,证实了长距离等离子体通道的产生。

相关技术获得发明专利“高对比度飞秒激光脉冲产生装置”(专利号:ZL201210037173.1)。

2016年6月30日,“天山山区人工增雨雪关键技术研发与应用”项目顺利通过了财务验收和技术验收。该项目自实施以来,完成了天山人工增雨雪的潜力评估和人工增雨雪存储对天山冰雪水资源补给作用及其效果检验;在巴音布鲁克建立了人工增雨雪示范基地;完成了多弹型增雨雪火箭发射装置的研制,并进行了多次实地增雨雪火箭发射试验;建立了无人机探测作业一体化综合系统,并研发出相应的智能化人工影响天气技术装备;研制了基于钛宝石晶体的飞秒激光系统和发射装置。在野外环境中观察到了长度大于2千米的等离子体通道,在空气中形成的等离子体通道寿命大于100纳秒,有利于引雷降雨。项目共获得专利授权15项(发明专利7项,实用新型专利8项)、计算机软件著作登记权4项,完成并报批国家技术标准1项、行业技术标准2项;发表核心期刊论文120篇,出版专著3部;培养博士研究生15名、硕士研究生17名。