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  • 北半球风力减弱是真的吗?

        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。

  • 神眼小V——慧眼帮你寻找走散同伴

        凌展鸿

        本届世园会得到多项互联网和人工智能技术的加持,由多家研究机构和知名高科技企业共同打造的“智能世园”项目更是其中的亮点,堪称史上最智慧的一届园艺盛会。

        以智能摄像头为例,这次的世园会就布设了上千路,但要从这浩如烟海的视频信息中收集整理真正有用的部分,用来完成日常运营、数据统计和安全预警的工作,只靠人力是不可能的任务。真正在运行指挥中心承担这个“看摄像头”任务的,是来自中科唯实的“神眼小V”产品。

        这个“神眼小V”着实不简单,它曾登陆央视《机智过人》节目,并完成节目组设置的极限挑战。当时,“神眼小V”在占地面积96平方公里的张家界天门山景区,在短短12分钟的挑战时间内,通过对景区内数百路摄像头的人物特征识别和比对,从景区的五万多名游客中锁定并排查出经过了多次换装的目标人物。

        “这次的世园会,‘神眼小V’系统从园区上千路智能摄像头中采集数据,能很清楚地知道当下园区内人有多少,哪里的密度更大,哪条道路上可能会发生拥挤,并能够根据人流走向等判断哪个区域可能有发生踩踏等事故的安全隐患,直接输出图标和关键数据,并提前为现场运营人员发出预警。”中科唯实项目总监刘申卓介绍,“在‘神眼小V’帮助下,运营人员一般不需要关心具体的某个摄像头,只需要关注它输出的数据和预警,制定运营策略和进行快速反应,大大减小了运营团队的工作压力。”

        在大型展会中,同伴或家人走散也是经常发生的事情,这也是“神眼小V”一展身手的时候。“它可以将园区各个监控镜头下的人员进行属性识别和分类,并进行记录,包括性别、年龄段、衣着颜色、穿戴物品、骑行工具、朝向等。” 刘申卓介绍,“如需要找寻某一特定属性的人员,我们能快速依据属性标签进行检索。比如说遇到老人或者小孩在世园会游玩过程中走散,我们就可以通过相应特征和系统数据快速从过往画面中提取匹配,就能看到要找的人最近在哪里出现过。”

        据悉,“神眼小V”所应用的多项相关算法曾多次获得国家技术发明、国家科技进步和国家自然科学奖、北京市科学技术进步奖等奖项,其多模态识别的正确识别率达到96%,人流密度报警检出率以及行人特征检索TOP5准确率均超过85%,都处于行业领先水平。

        不过这次世园会的项目数据量巨大,对速度和可靠性提出了很高的要求,中科唯实的小伙伴们专门花了近一年时间对“神眼小V”进行针对性的升级开发和算法优化,降低系统对算力的依赖,提升响应速度,确保系统的设计和建设满足世园会的需求。

  • 火星日出和日落

        叶倾城

        据国外媒体报道,美国宇航局“洞察号”着陆器从火星表面最新拍摄到令人惊叹的日出和日落景象。

        “洞察号”着陆器机械臂不仅拍摄到美丽壮观的火星地貌,还分别于火星时间4月25日早上5时30分和4月24日下午6时30分拍摄到日出和日落。

        太阳看上去非常小,因为火星比地球距离太阳更远,从而在火星角度观看太阳仅是地球角度观看太阳体积的三分之二。

        美国宇航局喷气推进实验室称,每张图像都有“原始照片”。色彩修正版的图像看上去呈现一种怪异蓝色,这是以人类视觉模拟观察的火星日出和日落。

        对于火星登陆器而言,拍摄火星日落是一种“仪式”。这种“仪式”可追溯至“海盗1号”登陆器,它于1976年8月拍摄到一张火星日落照片。

        1978年6月,“海盗2号”登陆器拍摄到火星日出和日落事件,这些景象也分别被“勇气号”“机遇号”“好奇号”火星车拍摄过。

  • “骨骼阑尾”在增多

        悠悠

        每个小学生都知道人类拥有206块骨骼,但目前教科书可能需要改写,之前科学家认为进化消失的一块骨骼,现已奇迹般复原。

        豆骨(fabella),是位于膝盖后方肌腱中的一块小骨骼,目前它在人体存在的概率是100年前的3倍。它的直径不足1.3厘米,是在我们灵长类祖先身体上发现的,它被称为“骨骼阑尾”,因为它的存在是毫无意义的。

        英国伦敦帝国理工学院的研究人员回顾了过去150多年进行的2.1万多项科学研究,其中包括研究人员扫描和解剖鉴定发现豆骨的存在。他们从中发现1918年全球11.2%居民体内存在豆骨,但依据发表在《解剖学杂志》的这篇评论报告,截至2018年,全球39%居民体内存在豆骨。

        目前科学家认为,现代饮食让人类变得更高、体重更大,也许我们的膝盖因此要承受更大压力,导致我们长出更多骨骼缓解压力。但是这将产生一个问题,膝骨骼会磨损重要的软骨组织,从而导致骨关节炎。

  • 婴儿天生爱利他?

        开麦拉

        几个世纪以来,哲学家们一直在争论人类本性是善还是恶。近期一项发展心理学研究表明,人性中可能存在一些天生“善念”,或者更专业地讲,至少孩子们能够在较早年龄段拥有道德判断。

        英国广播公司纪录片《婴儿的美妙世界》中一项研究表明,学步儿童倾向于“善念”行为。为了做到这一点,研究人员让不足1岁的婴儿观看木偶戏,木偶戏中不同颜色的木偶外形以不同方式进行表演,其表演行为可清晰地被识别出对错和善恶。一个红色圆形木偶挣扎地爬上一座小山,而“邪恶”的蓝色方形木偶试图将它推下山,与此同时,“善良”的黄色三角形木偶向上推动红色圆形木偶,试图让它爬山。

        木偶戏结束之后,婴儿们被问及最想要的木偶形状,是“邪恶”的蓝色方形还是“善良”的黄色三角形?他们都选择了后者,即表现出“乐于助人”和“大公无私”的三角形,甚至7个月婴儿也做出相同的选择。

        本版部分图片来源:视觉中国