大規(guī)模修建風電場對氣候有何影響

當今，全球大規(guī)模修建風電場。風力發(fā)電機就像一座座高聳的“空氣攪動機”，它使局地風速明顯減小，而大氣層結穩(wěn)定度則決定著風電場產(chǎn)生增溫或降溫效應。

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)模修建風電場會對氣候產(chǎn)生怎樣的影響。

減小局地風速

從直觀上看，風電場群產(chǎn)生的最直接影響就是會改變風速。“如果你去過風電場就會發(fā)現(xiàn)，風力渦輪機的旋轉葉片很大，一般為幾十米長，有的甚至超過百米。當風吹過葉片時，由于葉片橫截面的形狀上下不對稱，風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。”中國氣象局專業(yè)氣象服務首席專家、湖北省氣象服務中心副主任陳正洪說。他在最近發(fā)表的文章《近20年來風電場(群)對氣候的影響研究進展》中，對國內外風電場群對氣候影響的相關研究成果進行了總結。

可以想見的是，風電場其實相當于一道有縫隙的“屏障”，因此當風通過時會降低風速。有研究者利用數(shù)值模擬方法，在900平方公里的范圍內分別設置1、9、36個風電場，計算相應風速在不同位置的變化，最后發(fā)現(xiàn)風電場效應使得風速明顯衰減：進入風電場的風速是8-9米/秒，風電場最大衰減后風速只有5米/秒，在20公里以外風速開始回升。

陳正洪說，“風力發(fā)電機運行過程中，會吸收氣流的動量，增加地表的摩擦力，這會導致風電場內部及下游地區(qū)的風速衰減，并且風速的恢復需要一定的距離。風速衰減的影響范圍為 5-60公里，隨著風電場規(guī)模的增加和擴大，一般風電場內部風速可減小8%-16%，并且隨著環(huán)境風速的增加而減小。”

多產(chǎn)生增溫效應

風力發(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，導致下層的空氣溫度升高。”陳正洪說，“另外，由于風電場內部和下游地區(qū)的風速減小，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，從而導致溫度上升。”

目前大多數(shù)研究得出的結果都是風電場具有地表增溫效應，并且這種效應夜間強于白天，夏季強于冬季，尤其以夏季夜間的增暖效應最為強烈。不同規(guī)模大小的風電場可使其地表溫度增加0.18℃-0.7℃。當然，也有發(fā)現(xiàn)降溫效應的。這主要取決于近地層大氣層結的穩(wěn)定度，不同的穩(wěn)定度造成風電場對近地層氣溫產(chǎn)生或上升或下降效應。

至于風電場對降水量的影響，目前的研究還相對較少。風電場的設置改變了近地層的感熱和潛熱通量以及動量和風速，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。

風電場的全球氣候效應

如果未來風能發(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%)設置風電場，沿海水深小于200米的地區(qū)(1000萬平方公里左右)也設置風電場，考慮風機設置高度不同，旋轉葉片直徑不同，以及風機間距不同，做多組試驗，從而產(chǎn)生不同的風電量，模式各運行60年。結果發(fā)現(xiàn)，陸地風電場設置使全球陸地年平均氣溫升高0.15℃，而沿海風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℃?？梢姡L電場對全球造成的變暖效應遠低于人類活動排放的溫室氣體造成的變暖效應，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的發(fā)展，風力發(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，風能利用是減少碳排放的關鍵，我們需要加強影響機理的研究，找出主要的影響因子，構建更加完善的模型，同時根據(jù)影響原理尋求可行的低影響風電開發(fā)方案。