即时新闻

北半球风力减弱是真的吗?

来源: 北京日报     2019年05月15日        版次: 13     作者:

    ▲地面附近垂直风速变化。

    ▶夏季风的形成原理。

    黄刚 田群

    近期,一项由中国科学院大气物理研究所和美国普渡大学共同完成的研究指出,近40年来北半球风速减弱已经使得一半地区的风能资源减少了30%以上,研究论文发表在国际知名学术期刊《能源》杂志上。

    很多中年以上的读者都有体会,如今的风似乎不像以前那么多、那么大了。这是个人体验,还是客观事实?我们特邀此项研究的作者来和您聊一聊。

    风力减弱是怎么发现的

    风力减弱,在学术界的说法叫“大气减速”,是指近几十年来陆地近地面(10米左右)风速普遍减弱的现象。这个名词在2007年由澳大利亚科学家迈克尔·罗德里克等人提出,目前已经有超过一百篇学术论文的结果支持“大气减速”,这些论文使用不同的数据分别研究了北美洲、欧洲、亚洲、非洲、南美洲以及大洋洲的很多国家和地区,结果发现大部分国家和地区近地面风速都在近几十年内呈下降趋势,中国也是其中之一。“大气减速”目前已经成为气象学界的普遍共识。

    “大气减速”进入科学家的视野是在2005年前后,这个现象的发现缘起于对水循环的研究。1995年,一篇发表在国际顶级学术期刊《自然》的论文指出,地表蒸发量在美国和苏联出现普遍下降,表明这些地区的水循环已经发生变化,但原因尚不清楚。

    之后又有许多研究发现,在中国、加拿大、澳大利亚、新西兰、印度和泰国也有类似的情况。然而,令科学家们费解的是,从理论上讲,全球变暖会使得蒸发增加,而不是减少,因而这个现象被称为“蒸发悖论”。2007年,三位澳大利亚科学家对于“蒸发悖论”给出了合理的解释。他们指出,蒸发减少的原因在于风的普遍减弱,并提出“大气减速”这个概念。此概念提出后在气象学界引起广泛关注,相关研究不断涌现。

    2008年,俄罗斯科学家发现1936年至2006年间,俄罗斯64个地面观测站的风速平均下降了1.1米/秒。2009年,中国科学家发现中国317个观测站在1956-2005年间风速平均下降了0.55米/秒。同年,印度科学家发现印度133个观测站在1971-2002年间风速平均下降了0.86米/秒。此后美国、加拿大、德国、捷克、法国、瑞士等国也相继发现了风速下降的现象。风速下降的国家和地区遍布亚洲、欧洲、北美洲、南美洲、非洲、大洋洲等各个大洲。虽然也有国家和地区发现了风速上升,但这种情况非常罕见。至此,“大气减速”被普遍接受为是一个全球现象。

    “大气减速”的原因是什么?

    气象学家们对于“大气减速”的原因提出了几种解释。

    一种观点认为,全球变暖是其背后的主要原因。因为空气运动的动力来自于气压差(气压梯度),而温度的变化会改变气压差。以夏季风为例,通常情况下,陆地温度较高而海洋温度较低,在陆地上形成低压中心,在海洋上形成高压中心,气压差使得空气由海洋向陆地运动。如果在全球变暖的情况下,海洋变暖的速度快于陆地,海洋与陆地的气压差将会减小,从而使得风速变慢。

    另外一种观点认为,“大气减速”的原因不是动力变小了,而是阻力变大了,这种阻力可能来自于地面摩擦,也可能来自于大气内部的垂直动量传递。地面粗糙状况的变化可以引起地面摩擦的变化,比如一片旷野变成了高楼林立的城市,这个区域的地面摩擦就会增加,风速则会减小。大气内部的湍流引起动量的垂直传递,同样会改变风速。风速从高空到地面是逐渐减小的,在地面风速为零,即动量是从高空向下传递的,而湍流具有搅拌混合的作用,如果地面附近湍流变弱,地面附近的风通过湍流混合获得的高空传递下来的动量就会变少,风速就会减弱。

    “大气减速”如何影响能源

    “大气减速”无疑会对风能产生影响,然而这个影响究竟有多大,之前还没有定量的研究。此次中国科学院大气物理研究所黄刚教授团队和美国普渡大学戴夫·尼尤基的最新研究解答了这个问题。利用全球地面观测网的风速数据,他们计算了1979年以来北半球陆地的风能资源的变化。计算结果表明,在北美洲,有27%的站点损失了超过30%的风能资源,只有17%的站点风能增加了超过10%。在欧洲,52%的站点损失了超过30%的风能资源,仅有10%的站点风能增加超过10%。亚洲风能资源下降的情况最为明显,有超过65%的站点风能损失了超过30%。

    中国是全球风力发电能力第一的国家,2016年年底占到了全球风力发电能力的35%。然而近四十年来,有接近80%站点损失了超过30%的风能资源。值得注意的是,在中国东北和西北地区,如东北三省、内蒙古、甘肃北部、新疆等地,风能资源的损失较为明显,而这些地区同样也是近些年来风电场建设集中的区域。内蒙古拥有各省区中最大的风力发电能力,甘肃省北部有全国最大的风力发电厂——酒泉风力发电厂,新疆有全国第二大风力发电厂——达坂城风力发电厂。相比之下,东部沿海的山东、江苏、浙江风能资源减少的情况较为平缓。而广东、重庆和甘肃南部的风能资源则有所增加。在所有季节中,风能资源最丰富的是春季,因为春季的平均风速最大。然而,在新疆和东北三省,春季风能资源的损失也是四个季节中最快的。

    “大气减速”会持续吗

    今后“大气减速”的现象会持续吗?这是一个所有人都关心的问题。但遗憾的是,科学界还不能给出明确的答案。困难来自于几个方面。

    首先,我们预测未来的唯一工具——全球气候模式并不能很好地模拟出“大气减速”的现象,说明全球气候模式在模拟风速方面还存在不足。

    其次,尽管气象学家已经提出了各种理论来试图解释“大气减速”,但目前没有一个理论可以完全解释其发生的原因。目前气象学界更倾向于认为是地面附近的变化,如地面粗糙度增加或是湍流混合减弱造成了“大气减速”,但还需要更多研究去深入理解和定量分析这些因素对于“大气减速”的影响。

    在找出“大气减速”的主要影响因素之后,我们才可以通过预测这个影响因素的未来变化,来预测风速的变化。

    延伸阅读

    为什么要关注

    “大气减速”

    为什么全世界这么多科学家都关注“大气减速”,以至于发表了上百篇论文来分析这个现象?这是由于这一现象具有重要的科学价值和经济社会价值。

    在科学价值方面,风是大气的一个基本物理量,体现着空气的运动。几乎所有天气现象都与风有直接联系:比如升温和降温,即暖空气与冷空气的运动;降水通常伴随着大风,因为(锋面)降水发生在冷暖空气的交汇地带,这个地带的巨大温度对比会形成大风;台风登陆的时候也会带来狂风,因为台风本身就是一个横跨数百公里的巨大空气涡旋,气象学上称为“热带气旋”。因而风的减弱可能预示着这些天气现象的强度变小,比如冷暖空气的运动比之前更加缓慢,锋面系统比之前强度减小,或是台风的强度减小。

    在经济社会价值方面,首先,风是污染物扩散的主要原因。风的减小可能会使很多地方的大气污染问题更加严重。此外,风能是全世界一种主要的新型清洁能源,也是我国近年来大力发展的一种能源。风的减小会直接影响到风电场的发电效率,进而影响到整个风能产业。