2024-01-01 18:15

气候变暖对水安全的重新思考:增雨作为一种创新的增雨技术


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能得到所有的努力和挑战

在考虑将增强降雨作为整体水安全战略的一部分时,必须能够验证效率和功效。在效能方面,世界气象组织人工影响天气专家组最近对全球增雨活动进行的回顾表明,从飞机平台上进行人工降雨通常比其他增雨技术(如地面发电机、定制火箭和炮弹)更有效。在几个国家开展的基于飞机的播云项目记录了降水量和云寿命平均百分比增加的不同范围。然而,值得注意的是,最近基于物理的研究,如播种和自然地形冬季云:爱达荷实验(SNOWIE5)或怀俄明州人工影响天气试点项目(wwmpp6,7),都没有显示出如此大的影响(10-30%)。在斯诺伊的工作中,将降水直接归因于人工降雨的少数情况是在自然降水很少的风暴中。在这种情况下,人们可能把相当大比例的降水增加归因于播种,但这只是因为分母(自然降水)很小。这就导致了Flossmann等人讨论的“缩放问题”。确定全流域播种影响的估计需要综合各种风暴,因为目前还不存在对播种效果的良好物理估计。这突出了为什么继续研究是至关重要的,但也突出了为什么仔细考虑如何向决策者和一般科学界提出估计是至关重要的。

云性质在空间和时间上的复杂变异性使得很难准确量化人工降雨代替自然降雨的影响。与用于临床试验的方法部分相似,长期随机云播种实验是必要的,以便在目标(播种)云和对照(未播种)云中得出具有统计意义的比较结果。然而,与人类患者相比,特定的云条件是短暂的,不易获得,这使得重现随机云播实验变得特别困难。

为了克服田间试验的局限性,利用历史降雨记录的控制目标回归进行了长期统计分析,以评估播种影响。然而,这种分析完全依赖于当地雨量计的测量,无法捕捉到气候环流中可能影响当地降雨模式的潜在变化,而这些变化远远超出了播种效应。因此,结合物理分析和统计分析来研究人工降雨的效果,被认为是评估人工降雨实验最系统的方法,这对于进一步证明人工降雨的效果是至关重要的。

关于人工降雨效率和功效的最新见解

考虑到增加降雨的潜力,也许没有比阿拉伯联合酋长国(UAE)更好的地方了。这个国家在过去几十年里的快速增长,加上气温上升,使本已有限的可再生水资源更加紧张——阿联酋的年平均降雨量不到80毫米——这就需要改进对可用降雨量的监测和捕获。自2002年以来,阿联酋已经实施了一项基于飞机的云播种计划,以增加其自然降雨量。

云播种计划由阿联酋国家气象中心(NCM)实施,利用传统的方法,从靠近上升气流核心的对流云底部的飞机上点燃由天然盐(主要是氯化钾)组成的吸湿耀斑。该项目运营着四架比奇国王航空公司的C90飞机,基地设在与阿曼接壤的哈贾尔山脉山麓附近的艾因机场,那里夏季频繁的对流细胞是目标。考虑到该地区可预测的下午对流日循环和孤立地形云的发展,所有的云都是在这个对流热点上播种的。该计划还针对全国全年所有中尺度对流系统。

最近的一项研究报告首次尝试客观地评估阿联酋人工降雨计划的长期影响。该研究采用了一种混合方法,结合了对播种计划启动之前(1981-2002年)和之后(2003-2019年)的长期雨量计记录的统计和物理分析,以及天气雷达数据中的云特性。基于雷达的物理分析比较了未播种(87)和播种(65)风暴样本的风暴特性档案,并显示在播种后15-25分钟内风暴特性的一致性和系统性增强。这些结果为了解人工降雨对阿联酋的长期影响及其对类似干旱和超干旱地区水资源的贡献提供了重要见解。

仍然有太多的多尺度和特定区域的未知因素,无法报告播云作业造成的季节性(和年度)降水增加的具体百分比。WMO关于全球降水增强活动的同行评议报告13参考了不同项目报告的平均季节性降水增加幅度在5%至25%之间。我们使用这个范围来提供阿联酋上空云播所产生的降雨量的初步量化。此外,尽管提到了阿联酋上空所有可播种云的全年目标,但我们假设目标率为50%来估计可播种降雨量。阿联酋的历史年平均降雨量约为67亿立方米(BCM),基于83,600平方公里的表面积和80毫米的年平均降雨深度。将种子雨量增加幅度(5-25%)和50%的目标率应用于67亿立方米的年(自然)雨量,每年的种子雨量可达1.68亿至8.38亿立方米。我们进一步将这些水量减少了大约50%14,由于直接蒸发和土壤水分在不饱和区保持,导致估计可收获水量在84 MCM到419 MCM之间。同样,这些都是高水平的估计,需要在当地流域尺度上进一步研究,以解决引言中提到的“尺度问题”。

说到人工降雨的效率,成本是一个主要的驱动因素。在阿联酋和其他海湾合作委员会国家,水费得到大量补贴,并不能反映实际生产成本。然而,迪拜电力和水务局(DEWA)估计,其最先进的Hassyan海水反渗透工厂的淡化水生产成本为每立方米0.31美元,低于不同淡化方法和国家报告的每立方米0.45至1.9美元的单位成本范围15。另一方面,根据NCM进行的播云任务每飞行小时的费用高达8000美元,2020年进行了390次飞行,每次平均持续时间为1小时。考虑到播种可收获降雨量的确定范围(84 MCM至419 MCM),播种可收获降雨量的单位成本估计在0.01美元至0.04美元/立方米之间,比基于dewa的海水淡化单位生产成本(0.31美元/立方米)低30倍。

为了充分利用播云技术作为可靠和具有成本效益的可再生水源的潜力,有必要在雨水收集和地下水补给系统以及有效的传输系统方面进行平行投资。这类似于正在解决的太阳能储存和传输的关键挑战。需要进行进一步的研究,以进行全面的成本效益分析,包括云播技术全生命周期中涉及的多个部门。

因此,必须强调,增雨技术不应被视为水安全的其他关键组成部分的替代品,例如海水淡化和废水回收和再利用。相反,它应该被视为一种可靠的补充水源,在有针对性的农业和有管理的含水层补给等领域有具体的应用。

加强雨量的未来路向

尽管前景看好,但基于飞机的播云技术尚未成为一种广泛讨论的水安全方法。作为回应,2015年在NCM下建立了阿联酋增雨科学研究计划(UAEREP16),以刺激和促进该领域的科学进步和新方法和技术的发展。为此,UAEREP向国际科学界提供有管理的赠款援助,目标是在增雨应用方面进行创新和跨学科的研究。该计划的一个关键优先事项是促进该研究领域的国际合作,超越传统的基于飞机的人工降雨。

迄今为止,共有11个项目被授予,目标是多尺度过程,包括陆地-大气反馈、生物地球工程、气溶胶-云-降水相互作用和混合相云微物理。这些项目的跨学科性质利用了材料科学和纳米技术的最新进展来开发新型播种材料,自主无人机系统(UAS)用于更强大和更具成本效益的播种任务,用于云内电气化的智能传感器,用于刺激人工上升气流和对流的逆向工程热系统,以及用于更有效的云预测和目标系统的机器学习工具。图1显示了UAEREP在2016年至2023年的4个奖励周期中资助的11个项目的信息图。

图1:Co混合相云和行星边界层的概念表示。
figure 1

每个UAEREP奖励周期(1-4)的编号标签都用颜色编码。11个UAEREP项目中的每一个都按照国家(国旗)、机构名称和项目名称(从上到下)进行了介绍。

为了使降雨增强,更具体地说是云播,成为国家和区域水安全战略的核心组成部分,我们提出以下主题是最重要的进一步研究:

  1. (1)

    增加目标云的数量和精度(时间和位置)的播种任务;

  2. (2)

    确定最佳增雨应用和必要条件(即气溶胶播种、雾滴充电或混合方法)

  3. (3)

    部署雨水收集、储水和传输系统。

重要的是,这些主题具有全球相关性,其成果包括中东等干旱地区降雨增加和撒哈拉以南非洲干旱缓解。从长远来看,像UAEREP这样将降雨科学与新技术和操作方法相结合的项目,甚至可以实现一个总体愿景,即使用由人工智能驱动的无人机,这些人工智能是在基于物理的天气模型(在超级计算机上运行)的合成数据上训练的,以部署最先进的纳米材料和其他技术(例如,电荷分散)在世界任何地方刺激降雨,而不完全依赖训练有素的工作人员和飞行员。这将对熟练人力资本短缺但水安全挑战丰富的国家产生重大影响。

这些研究和技术的发展需要仔细考虑当前和不断发展的伦理问题。关于人工降雨计划,一个反复出现的伦理问题与“区域外”效应有关,也就是说,人工降雨是否能影响超出目标时间或空间范围的天气。为了解决这些问题,需要进行进一步的定量研究,同时考虑到在指定目标地区评估播种影响的不确定性。此外,在人工影响天气应用中使用自主无人机是一个最近发展起来的领域,需要仔细考虑不同国家和地区具体的法律和道德因素22。此外,考虑到开发新的云播材料和策略的兴趣增加,需要高分辨率的化学命运和运输模型来研究这些化合物的所有毒理学途径和停留时间。基本途径包括播种材料从空气和降水中沉积到土壤和地表水中,人类和动物摄入或被生物群吸收,以及深入渗透到含水层中。

提出的技术和伦理评估只能通过国际研究合作和在降雨增强领域的有针对性的投资来解决。阿联酋被选为2023年联合国气候变化大会(第28届缔约方大会,COP28)的主办国,为该地区展示其应对气候变化和促进可持续发展的承诺提供了一个重要机会。阿联酋在增雨方面的努力,加上该国主办的第28届联合国气候变化大会(COP28),是推动增雨领域发展的一个机会,可以作为一个可行的贡献者,解决气候变化对区域和全球水和粮食安全日益严重的影响。


目录

能得到 所有的努力和挑战
关于人工降雨效率和功效的最新见解
加强雨量的未来路向
数据可用性
参考文献。
致谢。
作者信息
道德声明






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