從「不穩定」風能中尋找規律

2021-01-18 手機光明網

　　目前，傳統化石能源依舊是全球消耗最多的能源，但因其不可再生性和對地球造成的汙染，讓人類不得不尋找可替代的清潔能源。而風能、太陽能等具有對生態影響小，且環保效益和生態效益良好的特性，逐漸受到重視。

　　風是由於太陽輻射使得地球表面受熱不均，引起大氣受熱不均勻，形成氣壓差使空氣沿著水平方向運動的大氣現象，而空氣流動的動能就是風能。但它卻是一種相當不穩定的自然資源，小到一次天氣過程、大到厄爾尼諾等都可以影響風能。在以往的研究中，科研人員主要集中於對風能資源儲量的評估，而對於風能資源如何隨時間演變，則少有研究涉及。

　　近日，由中國科學院大氣物理研究所黃剛課題組和美國普渡大學教授Dev Niyogi共同完成的最新工作研究了整個北半球風能資源的變化以及全球氣候模式對其的預測能力。

　　飄忽不定的風

　　在黃剛等人的研究中，科研人員使用了美國大氣海洋局（NOAA）和中國國家氣象局整理的地面觀測資料，這些資料包括了北美洲，歐洲和亞洲的地面觀測站點的風速觀測序列，「我們利用風速廓線經驗公式和風能公式計算了近40年來80米高度，即風力發電機的常見高度的風能資源累計變化。」中國科學院大氣物理研究所研究員黃剛在接受《中國科學報》採訪時解釋道。

　　在進行了全面分析和評估後，研究人員發現自1979年以來，在北美洲、歐洲和亞洲分別有30%、50%和80%的站點損失超過30%的風能資源。「風能不斷損失的直接原因是風速的減小，而風速減小背後的原因可能是多方面的，既可能是由於大氣環流的變化，也可能是由於城市化造成的土地利用的變化，具體原因我們正在進一步研究。」黃剛表示。

　　如果風能儲量真的持續減少，那麼未來一些風電潛力巨大的區域中，已經建好的風電設備可能無法被充分利用，或將給人類節能減排目標的實現增添更多壓力。

　　為整個風能產業提供參考

　　談及研究初衷，黃剛坦言，是因為聯想到近些年風能產業特別是中國風能產業的迅猛發展，認為有必要作一個全面細緻的研究以探討大尺度的近地面風速變化及其對風能的影響。「在研究之初我們就能夠預想到大概的結果，希望這項研究可以為整個風能產業提供參考，並促使更多研究關注這個問題。」黃剛表示。

　　2017年，研究正式開始，雖然地面氣象觀測數據比較容易獲取，但是數據處理卻是一大難題。因為觀測資料存在缺測、錯誤、站點遷移等諸多問題，所以研究人員需要小心翼翼地避免這些因素對於結果的影響。經過幾番調試，他們最終使用了一套數據質量控制的流程，最大限度去除了可能的人為因素，獲得了比較客觀的結果。

　　而且，除了發現風能不斷損失，研究還指出氣候模式對風能的模擬有明顯的缺陷。「缺陷的主要問題在於氣候模式不能模擬出近地面風速的長期變化。」黃剛說。在氣候模式中，風速減小的趨勢會被顯著低估，甚至在一些氣候模式中，風速是呈增大趨勢的。「所以，我們難以相信氣候模式對風能的模擬能力。」黃剛表示。但在以往的研究中，全球氣候模式是預估未來的重要工具。自1956年被提出以來，一直不斷被完善，以期更接近觀測結果。

　　對此，黃剛表示，氣候模式需要被進一步改進，但這是一個複雜的工作，需要更多的研究來找出模擬缺陷形成的原因。「我們認為可能的原因之一是，氣候模式對於陸面過程的模擬存在問題，因而不能很好地模擬出地面附近風速的變化。我們期待未來的研究能找出這個問題的答案。」

　　力圖找出風能普遍減小的原因

　　雖然研究有了階段性成果，但黃剛認為，風能的歷史變化不能簡單理解為未來趨勢。因為風能變化受諸多因素影響，既包括厄爾尼諾等自然因素，也包括溫室氣體排放等人類活動的影響。這兩方面的未來變化都不能簡單認為會按照過往變化的方式進行。

　　「我們之前還發現再分析資料在近地面風速變化上有較大的偏差。雖然衛星資料也有風速觀測，但是問題在於衛星資料的長度較短，且可靠性也不如地面觀測。所以目前來說，地面觀測資料是覆蓋時間最長、最可靠的數據。」黃剛說。

　　接下來，黃剛研究組將繼續完善這項研究，力圖找出風能普遍減小的原因，並對未來作出一個更加可靠的預估。「未來，我們的團隊將與美國普渡大學地球、大氣與行星科學學院系繼續合作研究，相信在不久的將來會有成果產出。」黃剛說。

　　相關論文信息：

　　https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.11.027

　　▲CMIP5模擬地面風速變化。a)28個CMIP5全球氣候模式模擬的北半球中位數風速變化。b)風速變化的趨勢線。其中17個模式呈現風速下降趨勢，其餘模式呈現上升趨勢。地面觀測的中位數風速變化也在圖中繪出。

　　▲風能資源累計變化頻數分布。1979-2016年風能資源累計變化，不同顏色分別代表北美洲、歐洲和亞洲。（袁一雪）

[責編：蔡琳]

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