北半球的风在减少吗?

作者: 王素 周春江

来源: 科学大院

发布日期: 2020-05-12

本文探讨了风能的来源、分布、利用及其在全球变暖背景下的变化趋势,特别是北半球风能资源减少的现象。文章详细介绍了风能发电的原理和挑战,以及风能资源评估的方法和数据局限性。同时,文章还提到了全球气候模式在风能资源预估中的重要性,强调了正确评估风能资源对于可持续发展的重要性。

“还记得昨天,那个夏天 ,微风吹过的一瞬间,似乎吹翻一切, 只剩寂寞肯沉淀。”一首《被风吹过的夏天》可以说唤起的是90后共同的童年了。但仔细品味歌词,可能会被其中“微风吹翻一切”的“煽情”搞得哈哈大笑了。的确,若是微风力量都这么大,那冬天塞北的狂风怕是要“倾覆你的世界”了。

那么在实际情况中,我们怎么评估风的能量呢?世界上风能资源又是如何分布的?风能会随时间发生变化吗?就让我们化身“追风者”,去探寻“看不见的”风能背后的秘密吧。

风能是太阳能的一种转化形式,是指由太阳辐射使得地球表面受热不均,进而引起大气层受热不均匀,空气就会沿着水平方向运动,空气流动所形成的动能。只要有空气的冷暖差异,风就不会停息。因此风可以说是气象要素中的的“常驻嘉宾”,近些年来风又多了一重身份,那就是全球新能源发电中的“新秀”。

风力发电的原理其实很简单,“大风车呀吱悠悠地转”,风车是我们小时候就很熟悉的玩具之一。

风力发电机其实就是风车“PLUS”,我们利用风力带动风车叶片旋转,再通过增速机将旋转的速度提升,根据能量守恒,动能转换就能促使发电机发电了!由于风能资源可再生、无污染的特性克服了传统化石能源在环境污染、不可再生等方面的不足,顺应了当今世界可持续发展的需求。

根据全球风能协会(GWEC)预测,未来五年全球风电累计装机量将保持10%以上的增长速度,预计到2021年全球累计装机容量将达到817GW,将成为全球绿色能源发电的重要来源!发展风力发电技术可以说是“one world, one dream”了。

风能不像太阳能,它可以24小时不间断发电,如果可以完全加以利用,岂不是能源问题就解决了一大半?然而现实总要比理想骨感得多,风能的利用存在着许多困难。

首先风能的能量密度低,大约是水能的1/816。想获得与水能相同的功率,风轮的直径就要比水轮的大许多倍,一般风机叶片可以达到50-60米长。最大的风机叶片直径已经超过70米,相当于一架波音飞机的翼展。其次,风的脾气时好时坏,小宇宙爆发起来就是“狂风呼啸”;心情愉悦时则“微风习习”。风这样古怪的性格可让风力发电机十分头疼:风速很小时,风力机根本无法启动。

当风速超过20米/秒(或27米/秒)时,会影响到风力机的安全,不得不停止运行。因此,由于受到安装环境,规模开发、设备成本和风的不稳定性等的影响,风力发电真正运行起来还是一个字——难。

一般而言,受气候大背景以及地形地貌等诸多因素的影响,风能分布往往不均衡,且波动性非常大。根据世界气象组织发表的风能资源估计分布图,按平均风能密度和相应的年平均风速将全世界风能资源分为10个等级。

8级以上的风能高值区主要分布在南半球中高纬度洋面和北半球的北大西洋、北太平洋以及北冰洋的中高纬度部分洋面上;大陆上风能一般不超过7级,其中以美国西部、西北欧沿海、乌拉尔山顶部和黑海地区等多风地带较大。我国的东南沿海、内蒙古、新疆和甘肃一带风能资源也很丰富。

想要对风能变化进行长期的研究,地基气象台站的历史资料是传统“武器”。

根据国家气候中心的初步研究,自 1950 年以来我国的风速变化较为显著,特别是1969年以后,每10年风速减小0.2m/s。柴达木盆地东部、吐鲁番以及青海等地风速每10年减小0.3m/s。中科院大气物理的田群和合作者基于全球站点,发现陆地尤其在北半球的大部分地区:北美、欧洲和亚洲都有风速下降的趋势,他们分别有30%,50%,和80%的站点在1979-2016年间失去了30%以上的风能资源。

由于再分析数据也是经过后期处理后的产品,因此使用不同的再分析资料对风能进行评估就会得出不同的“体检报告”。那么哪一份报告的结果更为可靠呢?正所谓“尺有所短,寸有所长”,不同气象要素在各种数据中表现不一,有好有坏,因此无法简单粗暴地给再分析资料排名次。目前较为常用的再分析资料有 ERA-Interim、JRA-55、CFS和MERRA-2。

ERA-Interim 由欧洲气象中心提供,时间序列从1979年1月至今,数据全,更新速度快;JRA-55 是由日本气象厅提供的再分析资料,对于中国的科研人员来说,精确度较好(因为日本靠近中国);MERRA-2由NASA(美国国家航空航天局)提供,CFS由NCEP(美国气象环境预报中心)提供,不仅包含的要素多,范围广,而且延伸的时段长,是一个综合的数据集。

北半球风能减少是全球变暖的“副作用”之一吗?在全球变暖的大背景下,极地增暖的速度更为明显,术语称为“北极放大”效应,其中的一个原因是北极增暖与海冰消融是一个互相促进的正反馈过程。前面提到,风是由于地球表面冷热不均而产生的空气流动,可以说温度差越大,产生的风速越大。而北极增暖则削弱了赤道与北极之间的温度梯度,因此北半球中纬度西风带风速整体减小。

一些模拟结果也表明,由于北半球中纬度地区南北侧的冷暖温差减弱,风暴系统的活动整体减少,也是风能资源减少的一个原因。

风能是目前最商业化和发展最迅速的可再生能源,也是一种相当不稳定的自然资源。由于风能的评估方法和采用数据总是存在不可避免的局限性,因此对风能资源开发进行风险评估时需要因地制宜,选择合适的方法和数据。

同时目前全球气候模式无法模拟出风能资源的长期变化趋势,因此利用全球气候模式进行风能资源预估时,一定要慎重再慎重。正确的风能评估可以避免不当的投资,制定合理的可持续发展举措。全球增暖是人类共同面临的问题,只有深刻地认识全球变暖对各个方面的影响,才能更好地积极地应对。

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