全球变暖使北半球风力会减弱：发展风力资源的最早警告

                                    杨学祥

关键提示：最新研究表明，酒泉等风电场潜力或下降。目前，世界最大的风力发电基地位于我国甘肃酒泉。截止到2012年，风电装机容量已超6000百万瓦特，相当于能供给英国全国的电力需求，而这一数字还在不断上升中。甘肃位于我国西北-蒙古地区风能富集带，常年风速较大，风能密度超过150瓦特每平方米，是我国投建风电厂的理想场所，也对当地就业、税收、经济发展起到了重要促进作用。若气候变暖持续，这一区域的风电潜力很可能随之下降，现有风电设备的潜力无法得到充分发挥。包括中国和美国两大能源消费巨头在内，北半球中纬度地带的许多国家都将面临同样的问题，这也将给人类节能减排目标的实现增添更多压力。

我们在2010年指出，北半球最近30年风速减慢的研究提出如下两个重要课题：其一，风速减慢是否与人为因素有关？其二，利用风能是否存在负面效应。

事实上，大陆集中在北半球，比森林高得多的城市高层建筑密布在沿海地区，阻挡陆海之间的季风循环，是北半球最近30年风速减慢的人为原因。密布在大陆内部的高架桥、高速公路、高速铁路如蜘蛛网，也是减慢内陆风速的重要原因。风力发电机利用风能发电，更是风速减慢的重要人为因素，这表明，天下没有免费的午餐，风能利用也要付出相应的代价。

由温差产生的大气环流是信风和季风形成的主要原因，其结果是均衡赤道和两级、大陆和海洋之间的温差，营造全球正常均衡的气候变化。人为降低风速，阻碍大气环流的正常运作，可造成热带地区更热、寒带地区更冷的极端气候频发，是严重气象灾害发生的根本原因。近年来频繁发生的城市内涝与城市减慢风速、云层阻挡在城市上空有关。由于城市减慢风速和改变风的方向，大城市的无序扩张将导致周围农村大气环流的改变和洪涝灾害的频繁发生，这些问题需要认真深入地研究和解决。

如果说目前全球变暖的主要原因是人为因素，那么。全球变暖导致的风力减弱也包含人为的主要因素：风力资源也不是取之不尽、用之不竭的自然资源，这表明，天下没有免费的午餐，风能利用也要付出相应的代价。

我们在2010年10月23日指出，风速减慢对风能利用也提出了新的挑战：

首先，从1979年到2008年，大部分地方的风速都有所下降，风速下降幅度介于5%到15%之间。这可能意味着风力发电机的发电能力同比下降5%到15%之间。

其次，过度的城市高层建筑开发和过度利用风能将导致大气环流功能的减弱甚至降低到影响人类正常生活的水平，城市扩张和开发风能也应该受到合理的限制。

第三，人类应该汲取浪费清洁的空气、无污染的淡水、净化环境的森林的无数教训，慎重对待风能的开发，重视能源利用的负面效应。

重要的启示是，破坏和阻挡大气环流的自然因素和人为因素同样是环境恶化的重要原因，城市高层建筑的无序扩张和风能利用也在其中。我们不能等到大气环流恶化了、风能利用受限制了、城市灾害频发了，再做事后的调整和修补。“发然而后禁，则悍格而不胜”，“预则立，不预则废”，科学研究必须要有预见性。

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与化石燃料相比，风力资源不仅有限，而且有极大的不确定性，盲目发展，急于取代化石燃料，将带来极大风险。

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全球变暖，北半球风力会减弱？

2018年01月10日07:56  来源：北京日报

编者导读

美国科罗拉多大学研究人员不久前在《自然·地球科学》期刊发表最新研究成果，指出全球变暖或将对世界范围内的风能资源分布产生深远影响。到本世纪中后期，北半球可供利用的风能资源将大量减少，南半球一些地区风能资源则可能急剧增加，风电开发潜力整体向南转移。

1.风能资源分布或向南半球转移

极地冷，赤道暖，南北半球中纬度地带常年盛行西风，也叫热成风。这一道风带中，平均风速比其他地方更大，聚集了大量的风能资源，并覆盖了包括中国在内的北半球许多国家。在气候变化的背景下，中纬度西风带的变化会直接影响风能资源的利用潜力。

美国科罗拉多大学的最新研究成果认为，全球变暖或将对世界范围内的风能资源分布产生深远影响。到本世纪中后期，北半球可供利用的风能资源将大量减少，南半球一些地区风能资源则可能急剧增加。

研究人员利用超级计算机的模拟结果，对未来两种不同的温室气体排放情景下风能资源的演变进行探讨。第一种是中等排放情景，假定碳排放量在本世纪中叶达到最高，随后保持稳定；到本世纪末，大气中二氧化碳浓度约为目前浓度的1.5倍，全球平均气温增暖1.1至2.6摄氏度。第二种是高排放情景，对应能源结构改善缓慢、缺乏气候应对措施的发展模式，碳排放量将持续增加，大气中二氧化碳浓度在本世纪末超过当前3倍，全球气温升高2.6至4.8摄氏度。

结果显示，无论在中等排放情景还是在高排放情景下，北半球的风能资源都将整体显著减少，尤其是包括中国西北、西伯利亚、东北亚、美国、加拿大、英国、地中海沿岸等在内的中纬度地区，即沿北半球西风带一线。在高排放情境下，到本世纪末，内蒙古至东北一带的风能资源甚至将减少10%到20%。

南半球的风能资源在中等排放情景下变化不大，在高排放情境下却将整体大幅增加。尤其在高排放情景下，到本世纪末，巴西东部和澳大利亚东北部的风能资源将迅猛增加超过40%。

2.原因在于南北极增暖幅度不同

这种差异的产生，或归根于全球变暖以不同方式影响南北半球的风带演变。在北半球，北极增暖与海冰消融是一个互相促进的正反馈过程，以至于在全球变暖的大背景下，极地增暖更为明显；于是，赤道与极地之间的温度梯度被削弱，中纬度西风带风速整体减小。一些模拟结果也指出，由于高纬度增暖显著，中纬度地区南北侧的冷暖对峙减弱，风暴系统的活动整体减少，也是风能资源减少的一个原因。

而在南半球，尤其在高排放情景下，南极增暖不如南美中部、非洲南部和澳洲的陆上增暖明显。这部分大陆与同纬度海洋间的温度梯度增大，成为主导风带强度变化的因素。陆地变暖更快，陆上热低压增强，海陆气压梯度增大，风速增大，风能资源因此增加。除南极洲外，南半球大陆主要分布在热带和副热带地区，所以整体风能资源的增加也以热带和副热带最为明显。而值得一提的是，在南美和澳洲的中高纬地区，风能资源仍趋于减少，和北半球类似。

3.北欧极端大风出现几率反而增高

西风带内常见南北冷暖气团的对峙，又叫锋面。如果大气中有小扰动发生，譬如某一方气团主动移向另一方，气团运动轨迹在地转偏向力的作用下发生偏转，就会诱生出大尺度的大气涡旋，又叫锋面气旋。从气候角度而言，锋面气旋频繁发生并通过的地区，便是“位于风暴轨迹上”的地区，平均风速也通常比其它区域更大。

但想要利用风能，并非风越大越好。极端的猛烈阵风反而会对风车造成破坏。风车的设计一般基于能应对若干年（譬如50年）一遇的最大风等等标准，这个标准跟当地气候背景的统计数据直接相关。

科学家们使用超级计算机对北欧的模拟结果表明，若全球气候变暖，中纬度的“风暴轨迹”会整体向北移动，锋面气旋的数量会减少，但单个风暴的强度增强。由此一来，北欧地区的极端大风出现频率会升高，强度也会增大。这对按过往气候数据标准设计的风车而言不是好消息，也意味着新建风电场必须考虑在将来承受更强的风暴袭击的可能性。

与可能增大的极端大风相对应，海上的极端大浪也会随之增大。对北大西洋未来风浪演变的研究表明，目前“20年一遇”的大浪，在2080年可能每4至12年就会出现一次；对欧洲北海的气候模拟显示，到21世纪末，海浪平均高度会上升5%至8%。由于陆上空间有限且摩擦阻力更大，海上风力发电正是当下发展的热门方向；而风和浪的双重考验，对中纬度地区近海风电场的建造提出了新的挑战。不过，在纬度稍低的地区，譬如地中海沿岸，由于风暴轨迹朝北移动，未来气候展望中的风浪反而会减小。

4.增暖对于高纬度地区是把双刃剑

在高纬度或北极地区，寒冷的天气是阻碍风能发电推广应用的一个原因。风车叶片暴露在零下温度的潮湿空气中存在结冰的风险，而一旦结冰，叶片将失去平衡、阻力增大，风电转换的效率将因此降低，而且存在安全隐患。据统计，在芬兰，9%-45%的风车停转事件都和结冰有关。当然，设计不易聚集冰雪的叶片、使用电流加热等方法，能一定程度上克服结冰的问题，但这也会让运行和维护的成本变高。

气候变暖对于这些地区而言可能是一个好消息。超级计算机模拟结果显示，无论假设的升温是大是小，在本世纪末，高纬度地区的霜期均会明显缩短，结冰频数大幅下降。在斯堪的纳维亚半岛的一些地方，结冰频率甚至将会下降100%。与此同时，由于风暴轨迹北移，高纬度带也会更频繁受锋面气旋系统影响，潜在风能资源变得更充足。于是，一些原本不适宜布局风电场的区域，将来可能成为开辟风能资源的新领地。

与气温上升相对应，高纬永冻土地带也会因而缩减，而这会带来利弊两方面的影响。一来由于冻土层的范围和深度减小，输电线路铺设、风电场建造等会变得更加方便；二来若冻土层持续消融，风车基座如何设计也成了问题，因为风车和土壤之间的受力和支撑关系将持续改变，稍不平衡就会有倒伏的风险。如何权衡其中得失，减小风险扩大效益，还得靠工程师们的智慧头脑。

不仅对陆上风电场，增暖对于高纬地区的海上风电场也有多重影响，尤其对海上风电场数量增长最快的区域——欧洲而言。对未来海冰演变的研究发现，北波罗的海及波的尼亚湾一带的海冰覆盖天数将从目前的130-170天减少到本世纪后期的0-90天，不少区域甚至将终年不封冻。而海冰减少会使海上风车的基座稳定性变差，且更易受到大风大浪的破坏。与此同时，海平面上升也会增加风车基座被淹没的风险。不过，冰川消融会使海水盐度降低，这将有利于减缓海水对风车基座和传输线路材料的腐蚀。

延伸阅读

酒泉等风电场潜力或下降

目前，世界最大的风力发电基地位于我国甘肃酒泉。截止到2012年，风电装机容量已超6000百万瓦特，相当于能供给英国全国的电力需求，而这一数字还在不断上升中。甘肃位于我国西北-蒙古地区风能富集带，常年风速较大，风能密度超过150瓦特每平方米，是我国投建风电厂的理想场所，也对当地就业、税收、经济发展起到了重要促进作用。若气候变暖持续，这一区域的风电潜力很可能随之下降，现有风电设备的潜力无法得到充分发挥。包括中国和美国两大能源消费巨头在内，北半球中纬度地带的许多国家都将面临同样的问题，这也将给人类节能减排目标的实现增添更多压力。

研究人员指出，当前风力发电能力的评估和布局大多基于过去的气候资料统计，而很少考虑受将来大气环流受人类活动影响发生变化后对风能资源分布的影响。新研究对未来风电厂布局的经济性和可持续性、为决策者衡量和规划替代能源的策略提供了新的参考。（周明灏）

(责编：左瑞、邓楠)

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[转载]《科学家》杂志： 2013年中国雾霾高发的气象原因初探

已有 3038 次阅读 2014-3-17 19:20

 2013年中国雾霾高发的气象原因初探

杨学祥，杨冬红

美国《福布斯》杂志网站2013年12月25日报道盘点了2013年全球各地在气候和能源领域的五大话题事件，中国雾霾排第一。2013 年1月以来全国平均雾霾日数为4.7天，较常年同期(2.4天)偏多2.3天，为1961年以来最多。今年黑龙江、辽宁、河北、山东、山西、河南、安徽、湖南、湖北、浙江、江苏、重庆、天津十三省市，雾霾日数均为历史同期之最。辽宁雾霾天数已经破了历史纪录。2013年雾霾高发的原因是什么？偶然还是必然？

雾霾天气的出现主要受两个条件的影响：一是大气颗粒物浓度，二是气象条件。

大气污染是雾霾发生的元凶，这是人们的共识，这里就不多讨论了。本文主要讨论雾霾发生的气象条件规律性，以便有效的预测和预防。

一、雾霾发生的半年周期和年周期

最近的研究表明，雾霾的发生有明显的季节性特征：每年11月至次年1月的潮汐组合类型有利于雾霾的形成，每年2月-4月的潮汐组合类型不利于雾霾发生；每年5-7月潮汐组合类型有利于雾霾发生，每年8-10月潮汐组合类型不利于雾霾发生，潮汐组合类型转化的周期为6个月。这个半年周期是固定的，每年都是这样。与雾霾季节性相叠加，雾霾频发期是每年的1月和12月。

吴兑等人根据1951-2005年中国大陆霾的时空分布特征得出同样的结论：就中国大陆而言，12和1月霾天气日数明显偏多，2个月霾日数的总和达到了全年的30%；9月霾天气日数最少，约占全年的5%。这一研究结果与潮汐类型的划分完全一致。2013年的中国雾霾首发在1月，并于12月进入高潮。预计2014年1月会仍保持高发态势。相关的检验数据发表在科学网上。

二、潮汐南北震荡的18.6年周期

美国科学家相信，即使没有温室效应, 地球自己的卫星月球也会使地球的温度上升。月球通过影响地球上的潮汐使地球的温度上升，是地球的恒温器。当日、地、月排成一线且相互距离最小时，日月引潮力相互加强而变为最大，地球海洋潮汐规模也最大，这时就有更多来自海洋深处的冷水被带到海面。这些冷水可以冷却海洋上的空气。当日、地连成的直线与月、地连成的直线相互垂直时，太阳潮汐减弱月球潮汐，使地球海洋潮汐变小，这时海洋深处的冷水很难被带到海面，世界就变得暖和。当月亮在南（北）纬28.6度（月亮赤纬角最大值）时，高潮区在12小时后从南（北）纬28.6度向北（南）纬28.6度震荡一次，大气和海洋的南北震荡将产生巨大的能量交换并搅动深海冷水上翻到海洋表面降低气温。这是以18.6年为周期的潮汐南北震荡作用比其他周期的潮汐震荡作用更显著的原因。太阳在南北回归线时也会产生潮汐南北震荡运动。

根据世界气象组织的统计数据，1998年是最热的年份，全球平均地表温度比1961年至1990年的平均温度14℃高0.54℃。2005年地表温度比这30年的平均值高出0.48℃，名列第二位 。全球最热年的排序：1998、2005、2002、2003、2004，2006年。由此可见，自1998年以后，全球气温呈波动下降趋势，难以恢复到1998年的水平。1998年是最热的年份，1995-1997年月亮赤纬角最小值产生的弱潮汐南北震荡是原因之一；自1998年以后，全球气温呈波动下降趋势，2005-2007年月亮赤纬角最大值产生的强潮汐南北震荡是原因之一。

中国气象局的数据显示，2013年12月初的雾霾波及25个省份，100多个大中型城市，安徽、湖南、湖北、浙江、江苏等13地雾霾天数均创下历史纪录。权威数据显示，今年以来，全国平均雾霾日数为29.9天，较常年同期偏多10.3天，达到52年来的峰值。2014-2016年月亮赤纬角最小值导致2013年雾霾高发，并将在今后三年持续高发。52年前，1959-1960年月亮赤纬角最小值导致前一周期的雾霾高发。

三、准60年“太平洋十年涛动”周期

“拉马德雷”现象是美国海洋学家斯蒂文·黑尔于1996年发现的，在气象和海洋学上被称为“太平洋十年涛动”（英文缩写为PDO）。“拉马德雷”是一种高空气压流，分别以“暖位相”和“冷位相”两种形式交替在太平洋上空出现，每种现象持续20年至30年。近100多年来，“拉马德雷”已出现了两个完整的周期。第一周期的“冷位相”发生于1890年至1924年，而1925年至1946年为“暖位相”；第二周期的“冷位相”出现于1947年至1976年，1977年至1999年为“暖位相”。第三周期的“冷位相”为2000－2035年之间。

在1947-1976年拉马德雷冷位相时期，西方工业化国家雾霾事件频繁发生：

1946、1948年在美国洛杉矶两次发生光化学烟雾事件；

1948年10月26-31日,在美国宾夕法尼亚州多诺拉镇发生因烟污染而导致43％的人受二氧化硫的刺激性气味而病倒, 17人死亡事件；

1952年12月5-8日, 伦敦烟雾事件,造成4000人死亡,8000多人得病；

1955年8-9月, 又在洛杉矶发生光化学烟雾事件, 造成400老人死亡, 在该地的250万辆汽车,日排1000多吨碳氢化合物石油烃废气、一氧化碳和氧化氮,铅烟进入大气与空气中其他化学成份反应产生浅蓝色烟雾, 由于地势使之长期滞留造成污染；

1970年7月8日, 在日本东京也发生光化学烟雾和二氧化硫废气使万人受害事件。

2013年中国雾霾事件频发也是在2000-2030年拉马德雷冷位相时期，显示了雾霾发生的拉马德雷周期性，也表明雾霾高发时间的长期性。在2030-2060年拉马德雷暖位相时期，雾霾事件将进入相对平静时期。

四、风速减弱是雾霾频发的重要原因。

一项研究表明，北半球最近30年风速减慢。法国和英国研究人员分析了欧洲、亚洲、北美的822个气象观测点的风速记录，结果显示，从1979年到2008年，大部分地方的风速都有所下降，风速下降幅度介于5%到15%之间。风速下降可能有多种原因，比如气候变化可能影响了气流的传统活动模式，导致风速下降。一些地方的森林植被恢复和增长使得地球表面更为“粗糙”，也会起到降低风速的效果。

澳大利亚Tim McVicar博士研究小组发现近30年来澳大利亚平均风速以每年0.009米每秒的速度递减，该递减的现象遍布88%的国土范围。不只是大洋洲，已有的文献表明，包括亚洲、欧洲和北美州在内的中纬度的世界，好像真的都正在变得风平浪静了。中国科学院地理科学与资源研究所莫兴国研究员的研究小组也发现华北平原风速在过去50多年有明显的下降趋势。

我们在2010年指出，北半球最近30年风速减慢的研究提出如下两个重要课题：其一，风速减慢是否与人为因素有关？其二，利用风能是否存在负面效应。

事实上，大陆集中在北半球，比森林高得多的城市高层建筑密布在沿海地区，阻挡陆海之间的季风循环，是北半球最近30年风速减慢的人为原因。密布在大陆内部的高架桥、高速公路、高速铁路如蜘蛛网，也是减慢内陆风速的重要原因。风力发电机利用风能发电，更是风速减慢的重要人为因素，这表明，天下没有免费的午餐，风能利用也要付出相应的代价。

由温差产生的大气环流是信风和季风形成的主要原因，其结果是均衡赤道和两级、大陆和海洋之间的温差，营造全球正常均衡的气候变化。人为降低风速，阻碍大气环流的正常运作，可造成热带地区更热、寒带地区更冷的极端气候频发，是严重气象灾害发生的根本原因。近年来频繁发生的城市内涝与城市减慢风速、云层阻挡在城市上空有关。由于城市减慢风速和改变风的方向，大城市的无序扩张将导致周围农村大气环流的改变和洪涝灾害的频繁发生，这些问题需要认真深入地研究和解决。

最典型的例子是"三北防护林"工程。三北防护林是防治沙尘暴的成果，也是2013年中国雾霾高峰的生成原因。近年来北京的沙尘暴确实减少了，但是，北京的雾霾也确实在突飞猛进：一种灾害的防治意味着另一种灾害的增强。灾害防治不能头痛医头脚痛医脚，应该综合防治，合理布局。

转载自《科学家》杂志2014年第三期90-91页

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-776836.html

杨学祥，杨冬红。2013年中国雾霾高发的气象原因初探。Meteorological Analysis of Reasons Causing China's Frequent Smog Weather in 2013.   科学家  Technology and life. 2014, (3): 90-91.