大規(guī)模修建風(fēng)電廠對氣候有何影響？

摘要：風(fēng)力發(fā)電機就像一座高聳的“空氣攪動機”，葉片在不停地攪動上下方的空氣，因此在垂直方向上會加強空氣的流動，這就會對溫度造成影響。

 

本期嘉賓：中國氣象局專業(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：中國氣象報記者 吳鵬

 

本期觀點：當今，全球大規(guī)模修建風(fēng)電場。風(fēng)力發(fā)電機就像一座座高聳的“空氣攪動機”，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)電場產(chǎn)生增溫或降溫效應(yīng)。

 

撒哈拉沙漠面積900多萬平方公里，這里地廣人稀，看起來一片荒蕪。然而荒蕪背后卻蘊藏著巨大的寶藏。如果將這個寶藏充分開發(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)電場或光伏發(fā)電場，其產(chǎn)生的電能是當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，而植被生長又將進一步增加降水，形成良性循環(huán)。但這樣的良性循環(huán)并不一定會發(fā)生在每個地方，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)電場會對氣候產(chǎn)生怎樣的影響。

 

減小局地風(fēng)速

 

從直觀上看，風(fēng)電場群產(chǎn)生的最直接影響就是會改變風(fēng)速。“如果你去過風(fēng)電場就會發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力渦輪機的旋轉(zhuǎn)葉片很大，一般為幾十米長，有的甚至超過百米。當風(fēng)吹過葉片時，由于葉片橫截面的形狀上下不對稱，風(fēng)在通過葉片上方的時候流速大，下方的時候流速小。這就會導(dǎo)致葉片上方的壓強小，下方的壓強大，這種壓力差會產(chǎn)生升力，令葉片旋轉(zhuǎn)。”中國氣象局專業(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（群）對氣候的影響研究進展》中，對國內(nèi)外風(fēng)電場群對氣候影響的相關(guān)研究成果進行了總結(jié)。

 

可以想見的是，風(fēng)電場其實相當于一道有縫隙的“屏障”，因此當風(fēng)通過時會降低風(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個風(fēng)電場，計算相應(yīng)風(fēng)速在不同位置的變化，最后發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場效應(yīng)使得風(fēng)速明顯衰減：進入風(fēng)電場的風(fēng)速是8-9米/秒，風(fēng)電場最大衰減后風(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)電機運行過程中，會吸收氣流的動量，增加地表的摩擦力，這會導(dǎo)致風(fēng)電場內(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)電場規(guī)模的增加和擴大，一般風(fēng)電場內(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)電機就像一座高聳的“空氣攪動機”，葉片在不停地攪動上下方的空氣，因此在垂直方向上會加強空氣的流動，這就會對溫度造成影響。“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)電場內(nèi)部和下游地區(qū)的風(fēng)速減小，如果這個區(qū)域的下墊面恰好又比較潮濕的話，蒸發(fā)就會減弱，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)電場具有地表增溫效應(yīng)，并且這種效應(yīng)夜間強于白天，夏季強于冬季，尤其以夏季夜間的增暖效應(yīng)最為強烈。不同規(guī)模大小的風(fēng)電場可使其地表溫度增加0.18℃-0.7℃。當然，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)電場對近地層氣溫產(chǎn)生或上升或下降效應(yīng)。

 

至于風(fēng)電場對降水量的影響，目前的研究還相對較少。風(fēng)電場的設(shè)置改變了近地層的感熱和潛熱通量以及動量和風(fēng)速，從而會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)電場的全球氣候效應(yīng)

 

如果未來風(fēng)能發(fā)電達到一定規(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5800萬平方公里的陸地上（相當于全球陸地面積的39%）設(shè)置風(fēng)電場，沿海水深小于200米的地區(qū)（1000萬平方公里左右）也設(shè)置風(fēng)電場，考慮風(fēng)機設(shè)置高度不同，旋轉(zhuǎn)葉片直徑不同，以及風(fēng)機間距不同，做多組試驗，從而產(chǎn)生不同的風(fēng)電量，模式各運行60年。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陸地風(fēng)電場設(shè)置使全球陸地年平均氣溫升高0.15℃，而沿海風(fēng)電場試驗中全球年平均氣溫沒有變化。

 

IPCC第五次評估報告結(jié)果顯示，在模擬的多個排放情景下，相對于1850年至1900年，21世紀末期（2081年至2100年）全球地表溫度變化可能超過1.5℃。可見，風(fēng)電場對全球造成的變暖效應(yīng)遠低于人類活動排放的溫室氣體造成的變暖效應(yīng)，但仍不可忽視。

 

當前，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)電的成本將進一步下降，最終可與傳統(tǒng)能源相抗衡。陳正洪認為，風(fēng)能利用是減少碳排放的關(guān)鍵，我們需要加強影響機理的研究，找出主要的影響因子，構(gòu)建更加完善的模型，同時根據(jù)影響原理尋求可行的低影響風(fēng)電開發(fā)方案。