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新疆农业大学计算机与信息工程学院教师。曾多年从事计算机信息管理和信息组织工作,学术研究兴趣广泛,承担过研究生和本科生计算机科学、图书情报科学和人文社会科学等方面的多门课程教学,现主要从事计算机信息组织与检索、多媒体技术、网页设计与制作和科学思想史等方面的教学和研究,致力于校园网网络教学平台的构建和网络信息资源的开发利用。

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谁“偷走”了北京的风  

2014-11-22 17:43:25|  分类: 科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2014-11-21 18:44:24 来源: 中国天气网(北京)

2014年北京APEC会议期间的“APEC蓝”(摄影 郑洋)
2014年北京APEC会议期间的“APEC蓝”(摄影 郑洋)

谁“偷走”了北京的风

丹麦的海上风力发电场。海陆的大气环流原本形成的季风,如同风车背后被削弱的海雾一般被消减。美国有科学家更是大胆推测,未来40年内的风速还将继续下降10%左右。

据中国国家地理(微博)杂志报道 当北京频频遭遇雾霾已不是新闻的时候,“等风来”,已经成为饱受雾霾之苦的首都人民的热切呼唤。APEC会议召开期间,北京的天气更是万众瞩目,连习近平主席都坦言:“每天早晨起来以后的第一件事,就是看看北京空气质量如何。”可见解决北京的雾霾问题确实已经迫在眉睫。

好在“人努力,天帮忙”,APEC会议期间,北京终于出现了久违的“APEC蓝”。而“APEC蓝”要保持下去,除了大力推动节能减排之外,最重要的还要看北京的“风情”是否给力。可是近年来,北京的雾霾可谓“八风吹不动”,究竟是谁“偷走”了北京的风呢?

令人惊诧的巧合

随着冬天的到来,大规模的雾霾又将笼罩京津冀地区。人们不断地探索消除雾霾的有效方式,但目前为止,效果最立竿见影的似乎就是等来一场呼啸而至的大风。而事与愿违的是,近年来北方的风总是非常不给力。人们一边在雾霾中自强不“吸”,一边苦苦思索着大风减弱的缘由。

京津冀地区冬季多刮偏北风,然而从2008年以来,在中国北方的“大风口”内蒙古地区,正发生着另外一场能源巨变。为发展新能源产业,内蒙古地区倾力打造“风电三峡”,装机容量从2007年底的58万千瓦,发展到目前的1848.86万千瓦,五年内暴增了近32倍,跃居全国第一,为中国的风电建设书写了浓墨重彩的一笔。

巧合的是,京津冀地区雾霾天气的剧增,也正是从2008年前后开始。以北京为例,根据2008年4月至2014年3月收集到的PM2.5数据显示,2028天当中,“非常不健康”天数约有311天,“有毒害”天数约94天,大大高于往年。

内蒙古的风电大发展与京津冀爆发大面积雾霾之间,究竟是纯粹的巧合,还是略有影响,抑或构成因果关系?目前并没有可靠的研究和确凿的结论。但这并不妨碍人们对此进行深入思考。毕竟,亚马逊雨林中一只蝴蝶偶扇翅膀,都可能会在大洋彼岸引发一场龙卷风,更何况是如此大规模的风力阻滞呢?

长久以来,人们的传统观念一直认为,风能是永不枯竭的清洁能源,风力发电站可以任意截留,对气候并不会造成任何影响。但近年来,中外科学家的一些研究认为,实际情况可能并非如此。

美国斯坦福大学土木与环境工程教授Archer和Mark Jacobson的研究显示,海上的风力发电机组可以降低地球上最狂暴的飓风风速。研究人员发现,风力涡轮发电机会让飓风的外旋风波高下降,降低空气往飓风中心的运动速度,从而增加中心部位的压力,加快飓风能量的消耗,并最终导致飓风减弱。

清华大学地球系统科学研究中心教授赵宗慈也认为,国内外的相关研究基本上一致认为,风电场对局地风速有明显影响。比如在丹麦一个风电场进行的观测表明,进入风电场的风速是8至9米/秒,经过风电场运行对风量的吸收后,在风电场的下风的风速明显减弱,其下风处6公里的风速与原有风速比率为0.86,下风11公里处的比率是0.90。研究结果与人们的常识极为相符。

有人认为,风电场最多只会影响到近地面风速,对高空的大风没有太多影响。而这也是个值得商榷的问题。如果风力发电机数量较少,这也许问题不大。但如果风力发电机数量极为庞大,导致近地面风速大幅降低,那么高空风能会顺势下坠成为低空风能,从而对整体风力产生削弱作用。

而关于风力发电削减整体风能的现象,最早恰恰是风电企业自己发现的。由于近地面风力衰减会在20公里范围内保持最大,而随着距离的延伸,近地面风速又会开始回升;风速衰减的距离则根据地形不同,大概会在30至60公里左右。因此,风电企业会在几个层级风电场之间保持一定的距离,以防相互干扰影响发电的效率。

断崖式的突变

北京这个超级大都市中的风力减弱的趋势,其实早就在不知不觉地发生。

据中国气象局国家气候中心首席科学家姜彤提供的数据,从上世纪70年代至今,北京城内的风速呈现整体下降趋势,平均每年下降0.014米每秒,其中以冬、春季节尤为明显。另有分析显示,将北京1993-2002年与2003-2012年两个10年间的1月份风力资料进行比对,年均1月风速从2.5米每秒,减至2.3米每秒;相应的,雾霾天日数从2.1天升至4.4天,霾日则从0.8天升至3.9天。

风力减弱在北京早已经是一个趋势化事件,但这依然是一个相对缓慢的过程。历史上,北京地区每年有大风(气象领域中将瞬间风力大于17米/秒的风称为大风,即相当于八级风力)的日子在25-30天左右,冬春季大风日数多于夏秋季,春季风力最大,其中4月份平均风力位居一年四季各月之首。

然而在今年年初,一份《北京地区2013年气候公报》却让气象学家们也迷惑不解。公报数据显示,2013年北京地区仅有1天出现大风,比常年(12.6天)、近十年均值(7.8天)明显偏少,为1951年以来最少的年份。不出意料,这一年的霾日也暴增至223天,相比2012年(124天)明显偏多。

2013年北京的风力如同断崖式的暴减,引发了人们的诸多猜想。有人认为是三北防护林工程开始发挥作用,但整个防护林工程规划长达70年,并非什么突发性事件。无独有偶的是,在2012年初内蒙古电网风电装机容量尚为1004万千瓦,仅仅一年多的时间,就骤增至2013年的1848.86万千瓦,两者之间的同步性倒是令人咋舌。更令人不安的是,在北京的上风口张家口地区,风力发电也突飞猛进,到2013年底,全市风电装机容量达到585万千瓦,成为名副其实的“中国风电第一市”。

面对2013年北京大风骤减的现象,北京市气象台高级工程师张明英的气象学解释为:冷空气系统不强。一般来说,大风天的产生是由冷空气强度决定的。对气象学家来说,冷空气过境情况是无法预测的,所以人们也无法预测以后大风天的天数是否会发生新的变化。

根据中国气象局风能太阳能资源中心朱瑞兆教授的研究,影响中国的冷空气有5大发源地,而如果我们能像气象卫星一样置身太空,或许就能极其直观而生动地看到冷空气强力入侵的路径。

第一条路径来自俄罗斯新地岛以东附近的北冰洋,从西北方向进入蒙古国西部,再东移南下影响我国;第二条是源于新地岛以西北冰洋面,经俄罗斯、蒙古国进入我国;第三条源于地中海附近,东移到蒙古国西部再影响我国;第四条是源于太梅尔半岛附近洋面,向南移入蒙古国,然后再向东南影响我国;第五条源于贝加尔湖以东的东西伯利亚地区,进入我国东北及华北地区。

可以看出,除了第五条冷空气路径由东北转入华北,其他四条冷空气路径都要经过蒙古高原。

出于对风能资源的研究,朱瑞兆教授也认为,风速与冷空气性质存在着很大的相关性。在冷空气活动与山脉组合形成的三北地区(即西北、华北和东北),风能资源最为丰富。每当冷空气南下,就会伴随一次大风过程。三北地区首当其冲风速最大,但越向南寒冷的空气慢慢变性,势力变弱,风速也会越来越小。

根据能量守恒定理,架在内蒙古地区的无数风机必然要截取巨量的风能。对风力风能造成哪些影响,人们尚且不能确定,但对冷空气气流的消耗,很多人却是有着切身的感受的。

不难想象,由于超大规模的风力发电厂的消耗,很大一部分冷空气已经很难像以往那样越过陕西、山西,到达中部的河南,形成降雨。它们骤然停滞在了华北平原,再与京津超级城市群中的热空气发生强烈对流作用,形成突如其来的降雨,却使得中东部地区遭遇连绵干旱。

近年来,中国遭遇的各类极端气候灾害,似乎正是这一运转模式的翻版。特别是2011年,北京市年降雨量突破700毫米,创13年来之最;2012年夏季,北京又遭遇1951年以来最大降雨,城区平均降雨量达215毫米。北京这些标志性的突发气候事件,或许并不是无缘无故发生的。

全球“风情”有玄机

由于在北京城饱受雾霾,人们已经切身感受到风力变小之苦,并开始探究在北京这样的超级城市中筹建“城市风道”的可行性。内蒙古的风电场也时有弃风停机之举,令风力阻隔也有间断喘息。但令人意外的是,“风变小了”的情况,让依靠迎风取电的大型风电场也“笑不起来”了。

国家气候中心高级工程师江滢曾到辉腾锡勒等国内几家起步较早的风电场考察,在昔日著名的风电场,工作人员对风的减弱有了更直观感受。江滢表示,近年来连寒潮、沙尘暴、温带气旋等天气事件都逐年减少,这也是风速大范围减小的一大佐证。

实际上,由于注意力盲点,人们更关注的是京津冀这样重点地区的雾霾,却很少有人注意到,即便是在内蒙古、张家口这样昔日的“大风口”,如今也难逃雾霾“魔爪”。国家气候中心的一项最新研究显示,近50年来,中国大部分地区的风速都是越来越小的,年平均风速每10年就会减小0.12米/秒。

同样的事情也发生在美国。一份由美国科学家发布的研究报告显示,自1973年以来,美国的平均风速和最大风速均出现了明显下降。某些中西部地区,风速甚至在10年内减缓超过10%。计算机模拟更显示,未来40年内美国风速还将下降10%。

毫无疑问,对于气象学家们来说,北京风力减弱的现象,不过是全球风速趋缓的一个非典型故事。越来越多的研究表明,全球变暖可能正是造成这一恶果的罪魁祸首。

有气象学家表示,正是由于全球气候变暖,使得亚洲大陆与太平洋之间的海陆温差不断缩小,两者间的气压差也一降再降,导致空气流动动力不足,中国乃至亚洲的大气环流都发生了巨大变化。即便在城市高楼根本无法企及的中低对流层,风力也越吹越慢了,更何况面对风电阻滞和大规模城镇化的北京城呢?


令人忧虑的是,中国的风能开发在缺乏对于气候影响的整体性评价的前提下仍在突飞猛进。2005年,我国风电装机只有120万千瓦。此后,我国风电吊装规模高速增长,到2013年底,装机总量已经超过9000万千瓦,雄踞世界第一。如此高的发展速度,在世界风电发展史上可谓空前。
时至今日,科学家们基本认同风能开发会导致局部地区风速减慢的观点,但是否会减弱大气环流,目前尚没有定论。但吉林大学地球探测科学与技术学院教授杨学祥始终认为,天下并没有免费的午餐,风能也并非可供挥霍滥用的资源,过度利用风能,同样要付出相应的代价。

虽然人们开发风能的初衷是为了绿色环保,但如果开发计划缺乏科学的论证,过度利用风能发电也可能导致南辕北辙,必须慎重行事。不管如何,凡事皆有度,即便是开发绿色风能,也应如此。

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