大規(guī)模修建風(fēng)電廠對(duì)氣候有何影響？

摘要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)就像一座高聳的“空氣攪動(dòng)機(jī)”，葉片在不停地?cái)噭?dòng)上下方的空氣，因此在垂直方向上會(huì)加強(qiáng)空氣的流動(dòng)，這就會(huì)對(duì)溫度造成影響。

 

本期嘉賓：中國(guó)氣象局專業(yè)氣象服務(wù)首席專家 湖北省氣象服務(wù)中心副主任 陳正洪

 

采訪人：中國(guó)氣象報(bào)記者 吳鵬

 

本期觀點(diǎn)：當(dāng)今，全球大規(guī)模修建風(fēng)電場(chǎng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)就像一座座高聳的“空氣攪動(dòng)機(jī)”，它使局地風(fēng)速明顯減小，而大氣層結(jié)穩(wěn)定度則決定著風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生增溫或降溫效應(yīng)。

 

撒哈拉沙漠面積900多萬(wàn)平方公里，這里地廣人稀，看起來一片荒蕪。然而荒蕪背后卻蘊(yùn)藏著巨大的寶藏。如果將這個(gè)寶藏充分開發(fā)出來，這一大片區(qū)域都可能發(fā)生巨大變化。

 

這個(gè)寶藏就是可再生能源。有研究表明，如果在此區(qū)域大規(guī)模修建風(fēng)電場(chǎng)或光伏發(fā)電場(chǎng)，其產(chǎn)生的電能是當(dāng)前全球每年消耗電能的四倍多。但更令人意想不到的是，此舉還可以使該區(qū)域的降水量翻倍，增加植被覆蓋率，而植被生長(zhǎng)又將進(jìn)一步增加降水，形成良性循環(huán)。但這樣的良性循環(huán)并不一定會(huì)發(fā)生在每個(gè)地方，如今，在風(fēng)力發(fā)電的潛力被普遍看好之后，越來越多的研究指向了更深一層的問題——大規(guī)模修建風(fēng)電場(chǎng)會(huì)對(duì)氣候產(chǎn)生怎樣的影響。

 

減小局地風(fēng)速

 

從直觀上看，風(fēng)電場(chǎng)群產(chǎn)生的最直接影響就是會(huì)改變風(fēng)速。“如果你去過風(fēng)電場(chǎng)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片很大，一般為幾十米長(zhǎng)，有的甚至超過百米。當(dāng)風(fēng)吹過葉片時(shí)，由于葉片橫截面的形狀上下不對(duì)稱，風(fēng)在通過葉片上方的時(shí)候流速大，下方的時(shí)候流速小。這就會(huì)導(dǎo)致葉片上方的壓強(qiáng)小，下方的壓強(qiáng)大，這種壓力差會(huì)產(chǎn)生升力，令葉片旋轉(zhuǎn)。”中國(guó)氣象局專業(yè)氣象服務(wù)首席專家、湖北省氣象服務(wù)中心副主任陳正洪說。他在最近發(fā)表的文章《近20年來風(fēng)電場(chǎng)（群）對(duì)氣候的影響研究進(jìn)展》中，對(duì)國(guó)內(nèi)外風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)氣候影響的相關(guān)研究成果進(jìn)行了總結(jié)。

 

可以想見的是，風(fēng)電場(chǎng)其實(shí)相當(dāng)于一道有縫隙的“屏障”，因此當(dāng)風(fēng)通過時(shí)會(huì)降低風(fēng)速。有研究者利用數(shù)值模擬方法，在900平方公里的范圍內(nèi)分別設(shè)置1、9、36個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，計(jì)算相應(yīng)風(fēng)速在不同位置的變化，最后發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)效應(yīng)使得風(fēng)速明顯衰減：進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速是8-9米/秒，風(fēng)電場(chǎng)最大衰減后風(fēng)速只有5米/秒，在20公里以外風(fēng)速開始回升。

 

陳正洪說，“風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，會(huì)吸收氣流的動(dòng)量，增加地表的摩擦力，這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部及下游地區(qū)的風(fēng)速衰減，并且風(fēng)速的恢復(fù)需要一定的距離。風(fēng)速衰減的影響范圍為 5-60公里，隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增加和擴(kuò)大，一般風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)速可減小8%-16%，并且隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而減小。”

 

多產(chǎn)生增溫效應(yīng)

 

風(fēng)力發(fā)電機(jī)就像一座高聳的“空氣攪動(dòng)機(jī)”，葉片在不停地?cái)噭?dòng)上下方的空氣，因此在垂直方向上會(huì)加強(qiáng)空氣的流動(dòng)，這就會(huì)對(duì)溫度造成影響。“在大氣層結(jié)穩(wěn)定的情況下，上層的空氣溫度更高，下層的更低，在葉片的攪動(dòng)下，上層的空氣被帶到下面，導(dǎo)致下層的空氣溫度升高。”陳正洪說，“另外，由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部和下游地區(qū)的風(fēng)速減小，如果這個(gè)區(qū)域的下墊面恰好又比較潮濕的話，蒸發(fā)就會(huì)減弱，從而導(dǎo)致溫度上升。”

 

目前大多數(shù)研究得出的結(jié)果都是風(fēng)電場(chǎng)具有地表增溫效應(yīng)，并且這種效應(yīng)夜間強(qiáng)于白天，夏季強(qiáng)于冬季，尤其以夏季夜間的增暖效應(yīng)最為強(qiáng)烈。不同規(guī)模大小的風(fēng)電場(chǎng)可使其地表溫度增加0.18℃-0.7℃。當(dāng)然，也有發(fā)現(xiàn)降溫效應(yīng)的。這主要取決于近地層大氣層結(jié)的穩(wěn)定度，不同的穩(wěn)定度造成風(fēng)電場(chǎng)對(duì)近地層氣溫產(chǎn)生或上升或下降效應(yīng)。

 

至于風(fēng)電場(chǎng)對(duì)降水量的影響，目前的研究還相對(duì)較少。風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)置改變了近地層的感熱和潛熱通量以及動(dòng)量和風(fēng)速，從而會(huì)間接改變降水量和云量。如前所述，在撒哈拉沙漠中大規(guī)模修建風(fēng)電場(chǎng)可以增加降水量。但在具體研究中需要綜合考慮熱量和水分傳輸、風(fēng)速變化、地形等多種因素才能知道局地降水量最終是增加還是減少。

 

風(fēng)電場(chǎng)的全球氣候效應(yīng)

 

如果未來風(fēng)能發(fā)電達(dá)到一定規(guī)模，比如占全球總發(fā)電量的10%甚至更高，那么這將對(duì)全球氣候產(chǎn)生何種影響？

 

研究者假定到2100年全球使用風(fēng)能占總能源的10%以上，即在全球大約5800萬(wàn)平方公里的陸地上（相當(dāng)于全球陸地面積的39%）設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)，沿海水深小于200米的地區(qū)（1000萬(wàn)平方公里左右）也設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)，考慮風(fēng)機(jī)設(shè)置高度不同，旋轉(zhuǎn)葉片直徑不同，以及風(fēng)機(jī)間距不同，做多組試驗(yàn)，從而產(chǎn)生不同的風(fēng)電量，模式各運(yùn)行60年。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陸地風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置使全球陸地年平均氣溫升高0.15℃，而沿海風(fēng)電場(chǎng)試驗(yàn)中全球年平均氣溫沒有變化。

 

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告結(jié)果顯示，在模擬的多個(gè)排放情景下，相對(duì)于1850年至1900年，21世紀(jì)末期（2081年至2100年）全球地表溫度變化可能超過1.5℃?？梢姡L(fēng)電場(chǎng)對(duì)全球造成的變暖效應(yīng)遠(yuǎn)低于人類活動(dòng)排放的溫室氣體造成的變暖效應(yīng)，但仍不可忽視。

 

當(dāng)前，全球能源系統(tǒng)正在發(fā)生深刻變革，隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電的成本將進(jìn)一步下降，最終可與傳統(tǒng)能源相抗衡。陳正洪認(rèn)為，風(fēng)能利用是減少碳排放的關(guān)鍵，我們需要加強(qiáng)影響機(jī)理的研究，找出主要的影響因子，構(gòu)建更加完善的模型，同時(shí)根據(jù)影響原理尋求可行的低影響風(fēng)電開發(fā)方案。