[科普中国]-风电厂高影响天气

简介综合国际评估风电场对局地和全球气候变化的短期和较长期的可能影响，并且将其影响与人类排放的影响作简单的对比。大量的观测和数值模拟研究表明，风电场的运行明显减小下游风速，同时随局地近地层稳定度的不同也造成下游温度明显上升或下降。一些数值模拟研究表明，如果全球建立大量大型风电场，例如假定全球使用风能占总能源10%以上，即全球陆地的30%～40%和全球海洋浅水区均建有风电场，这些风电场的运行将可能造成全球变暖和风速减小。目前风电场对全球气候的影响尚具有很大的不确定性。

风电场的局地气候效应目前大多数的研究集中于风电场的局地气候效应，一般采用观测和数值模拟两种研究手段。这些研究表明，风电场的运行，吸收气流的动量，从而使下游地区风速明显减小20%～40%；风机的涡轮扰动改变垂直混合，最终改变局地温度，最大可增暖1 ℃以上，并使近地面空气变干，减小表面感热通量，同时也间接改变云和降水等其他气象要素。

风电场对局地气温的影响从1989 年6 月18 日到8 月9 日。上风位置和下风位置的测风塔给出的一日内各时刻的温度差异是很明显的，即风电场在凌晨（01—07时）具有增暖效应，在下午和晚间（13 — 21 时）具有降冷效应，通过95%～99% 信度检验。分析其原因，风电场在工作期间加强了垂直混合：对于夜间稳定大气，倾斜率是正的，即暖层在冷层之上，加强垂直混合，造成暖空气下行冷空气上行，导致近地面变暖；对于白天不稳定大气，倾斜率为负，即冷空气在暖空气上面，湍流促进混合，冷空气下行暖空气上行，造成近地面变冷。风电场对气温的影响取决于近地层大气层结的稳定度，不同的稳定度造成风电场对近地层气温或上升或下降的效应。

数值模拟结果验证了观测结果。利用区域大气模拟系统（RAMS）选择2008 — 2009 年4 个季节做了306个模拟试验[1]，设计在美国西部加入一个小风电场，共有风机7 (排)× 3(列)，每个涡轮高100 m，旋转叶片直径100 m，间隔1 km。计算表明，当近地层（300 m以下）气温倾斜率是负值时，风电场的影响是降温效应；当倾斜率是正值时，则是增温效应。多数情况气温倾斜率为正值即增温效应。

风电场对局地风速的影响风电场的设置和运行，明显影响其下游方向的风速。荷斯礁一个风电场的观测资料计算表明，若进入风电场的风速为8～9 m/s（例如8.6 m/s），经过风电场运行对动量的吸收以及70 m高度风机的摩擦力作用等，在风电场的下风方向观测的风速明显衰减，其下风方向6 km 处的风速与原有风速比值为0.86，8 km处的比值是0.88，其后缓慢回升，到11 km的比值是0.90，尚未恢复到原有水平。402 气 候 变 化 研 究 进 展 2011年数值模拟同样证实了风电场对风速衰减的影响。利用一个中尺度模式KAMM，考虑在900 km2 范围内分别设置1、9、36个风电场，改变下垫面粗糙度，计算相应风速在不同位置的变化。结果表明，风电场效应使得风速明显衰减，进入风电场的风速是8～9 m/s，风电场最大衰减后风速只有5 m/s，在20 km范围内保持较大的衰减，20 km以外风速开始回升，风电场影响风速衰减的距离可以达到30～60km1。

风电场对全球气候变化的影响风电场除了对局地气候有明显影响外，对全球气候是否有影响，是研究的另一个重点。研究风电场的局地气候效应的文献相对较多，而风电场对全球气候变化的影响研究较少。近些年风电场对全球气候变化影响的主要研究以及其方法和结论。多数研究指出，大范围风电场对全球尺度气候变化的影响不容忽视。

利用两个全球气候模式（美国NCAR 和GFDL）考虑全球在北美中部、欧洲和东亚设置风电场，表面摩擦力和拖曳力改变大面积风电场的设置对全球和洲际尺度气候变化的影响不容忽视Kirk 等，2008利用浅水模式和美国NCAR 全球气候模式考虑在北美设置风电场，表面粗糙度改变风电场设置造成全球表面经向风速、温度、云、感热、潜热、短波和长波辐射都会发生变化，根据旋转叶片动量理论风机造成全球大气能量损失Wang 等，2010 利用NCAR 全球气候模式考虑到2100年风能占总能源使用10%以上，全球陆地和沿海设置大量风电场，考虑摩擦力和拖曳力改变全球大面积风电场的设置可以使一些地区表面温度增加1℃以上，近地层动量减少，风速下降，间接影响感热、潜热、降水和云的变化一项研究利用两个美国的全球大气环流模式（GFDL和NCAR），假设北半球中纬度的3个风能资源丰富的区域（北美中部，欧洲和东亚）全部设置风电场，大约覆盖全球陆地的10%，改变模式在风电场区域的近地层摩擦力和拖曳力，模式分别运行100 年以上控制试验和20 年扰动试验，用有风电场模拟试验与无风电场控制试验的气候变量差值表示风电场的气候效应。两个模式的模拟试验表明：

风电场的影响不只是局地的，还有大范围的气候效应；

风电场对某些地区（或季节）近地层气温影响高达± 1 ℃（或± 2 ℃）以上；

3 个风电场对本地区和周围地区的气候影响并不一致，为什么在有些地区是变暖，而在另一些地区是变冷，尚需进一步研究；

不同模式的模拟结果有所不同。

另一个 2009 年的研究表明，利用美国NCAR的全球大气-海洋和陆地完全耦合模式系统CCM3，设计到2100 年全球使用风能占总能源的10% 以上（2007年风能只占0.13%），即全球大约58×106 km2的陆地（大约相当于全球陆地面积的39%）设置风电场，沿海水深小于200 m的地区（10 × 106 km2）也设置风电场，考虑风机设置高度不同，旋转叶片直径不同，以及风机间距不同，做多组试验，从而产生不同的风电量（其中陆地试验共4组，分别是很高、高、低和很低试验。海洋试验共两组，分别是高、低试验），相应在模式中近地层设置不同的粗糙度、摩擦力和拖曳力，模式各运行60 年，分别取多组试验的最后20年的平均与无风电场控制试验来作对比分析。

404 气 候 变 化 研 究 进 展 2011 年陆地风电场设置试验使全球陆地年平均气温分别升高0.05 ℃（很低试验）、0.16 ℃（高试验）和0.73 ℃（很高试验）。两半球中低纬度大部分地区变暖，其中许多地区变暖在1 ℃以上。风电场造成全球大部分网格点上动能减小，盛行风速明显减弱，多数格点气温上升。风电场的设置改变了近地层的感热和潜热通量以及动量和风速，从而间接改变降水量和云量。陆地风电场设置的模拟结果比沿海风电场设置的模拟试验结果可靠度高2。

风电场气候效应与温室效应对比风能取代化石燃料如果人类不再使用化石燃料，全部用风能取代，有研究设计了两种方案，全球所有化石燃料能源用风能取代和美国所有化石燃料能源用风能取代。计算对应不同风速不同方案所需的1.5 MW风机数。注意到：

1)风速越大，所需风机数越少；

2)全球需要的风机数是美国的5倍以上；

3)需要全球具有足够的风能资源才可能取代化石燃料；

4)如果在美国，风能取代化石燃料，以美国面积900万km2计算，若风速为7 m/s，则需要180万风机，大约相当于每5 km2就有1个风机，这是相当可观的。

大气能量耗散（损失）根据旋转叶片动量理论，计算风机和大气之间相互作用，风机涡轮效应造成大气1 km以下能量损失约0.007%。这个数量级小于气溶胶污染和城市化造成的大气能量损失，研究表明受气溶胶颗粒直接和通过云间接影响，局地近地层风速减小8%。同时风耗散附加给环境的加热远小于热电厂产生的加热。

增暖效应根据 IPCC 第四次评估报告二十余个全球气候模式考虑SRES的3个排放情景的预估结果，计算得到2090 — 2099 年相对于1980 — 1999 年全球平均增暖1.1～6.4 ℃[15]；1个全球模式考虑风电场到2100年达到总能源使用的10%以上，考虑风能利用很高、高、低和很低情景，全球平均增暖0.05～0.73 ℃，远低于温室气体排放增加所造成的增暖。当然后者只是一个模式的计算结果，并且在计算中没有考虑建造风机等设备需要排放的温室气体等复杂因素，所以有较大的不确定性。

风速减小如前所述，风电场的建立和运行减小了风速，而温室效应可能减小冬季风速，对夏季风速的影响尚不确定。

总结与展望大量建立在观测和数值模拟基础上的研究表明，风电场的建立和运行对局地下游气候会有明显影响，主要是造成下游风速明显减弱；同时对下游气温也有明显影响，其变暖或变冷效应取决于局地近地层大气稳定度特征。一些数值模拟研究表明，全球大面积建立和运行风电场也可能对气候变化产生影响，导致全球年平均气温上升，风速减小。但其对全球的增暖效应远低于人类排放温室气体造成的增暖效应。

需要强调的是，由于风电场对全球气候变化影响的研究较少，又由于气候模式的不确定性以及风电场模拟试验设计的不确定性，因此大面积建立风电场的全球气候效应尚有很大不确定性，争议也较大，需要更深入的研究。由风电场对气候变化影响研究得到的启示是，在风电场的建设中需要注意风电场之间的间距，以便减小风电场之间不必要的相互干扰。气象观测场需要与风电场保持一定距离，以确保气象观测资料的准确性，使其不受风电场影响。提高风机效率，选取风能丰富、下垫面合适的地区建立风电场，可以减小风电场对气候变化的影响。

一项新的研究表明：若类似于18 世纪80 年代摧毁冰岛的火山爆发，会把有毒的气体吹向西南方，将欧洲成千上万的人置于死地。1783 年6 月至1784 年2 月，冰岛中南部的拉基火山爆发。英国利兹大学的大气科学家Anja Schmidt 称，尽管没有产生大量的火山灰，但是据估计那次火山爆发的确朝空中喷发了大约1.22 亿t SO2 气体，比当今人类在一年的生产活动中所产生的SO2 量稍多一些。

历史记录表明，拉基火山爆发两年后，将近1 万名（约占1/5）冰岛人死亡，此外还有3/4 的牲畜死亡。英格兰的地方记录资料显示，拉基火山爆发后，死亡率比平时高出了10%～20%。荷兰、瑞典和意大利均报道过跟那次火山爆发有关的能见度下降、呼吸困难和死亡率上升等情况。根据一项研究，仅仅在英国就有大约2.3 万人因火山气溶胶而死亡。但是，在欧洲其他地方，很难将空气污染引起的死亡跟饥饿或疾病引起的死亡区分开来，因为当时饥饿和疾病也是突出的致死因素。

为了估计如此规模的火山爆发会给当今人口稠密的欧洲带来怎样的影响，Schmidt 及同事将一些数据输入计算机模拟系统中。他们利用天气模型来估计，开始于6 月份并且长达8个月的火山爆发所释放的SO2最终的飘散范围；他们还估计了直径小于2.5 mm 的空中微粒的最终浓度增加值。然后，他们利用现代医学数据来估计这些气溶预测火山杀手的威力胶引起的死亡人数2。

不久前，研究小组在网络版《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上报道，在这次假设的火山爆发开始之后的前3 个月里，整个欧洲的气溶胶平均浓度将会上升120%。在火山爆发期间，气溶胶浓度超出空气质量标准的天数将会上升到74天，而正常时期的超标天数通常仅有38 天。毫不意外，位于火山爆发处下风方向的地区，如冰岛和欧洲西北部，空气中有害微粒的浓度最大，气溶胶的浓度将上升两倍多。但是，欧洲南部的气溶胶浓度也有幅度为60% 的明显上升。

在这次假设的火山爆发开始之后的第二年，加重的空气污染将从冰岛迅速蔓延至欧洲大陆，从而引起大量的心肺疾病病例，估计会使14.2 万人死亡。而目前欧洲每年死于季节性流感的人不足上述数字的一半。Schmidt 及同事说，在过去的1150 年时间里，至少发生过4 次拉基规模的火山爆发。因此，这些新数据应得到关注。科罗拉多大学博尔德分校的大气科学家 Brian Toon 说：“这是一项非常可靠的科学研究”2！