[科普中国]-全球变暖，北半球风力会减弱？-

北极增暖相对更为明显。

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。