从“不稳定”风能中寻找规律

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目前，传统化石能源依旧是全球消耗最多的能源，但因其不可再生性和对地球造成的污染，让人类不得不寻找可替代的清洁能源。而风能、太阳能等具有对生态影响小，且环保效益和生态效益良好的特性，逐渐受到重视。

风是由于太阳辐射使得地球表面受热不均，引起大气受热不均匀，形成气压差使空气沿着水平方向运动的大气现象，而空气流动的动能就是风能。但它却是一种相当不稳定的自然资源，小到一次天气过程、大到厄尔尼诺等都可以影响风能。在以往的研究中，科研人员主要集中于对风能资源储量的评估，而对于风能资源如何随时间演变，则少有研究涉及。

近日，由中国科学院大气物理研究所黄刚课题组和美国普渡大学教授Dev Niyogi共同完成的最新工作研究了整个北半球风能资源的变化以及全球气候模式对其的预测能力。

飘忽不定的风

在黄刚等人的研究中，科研人员使用了美国大气海洋局（NOAA）和中国国家气象局整理的地面观测资料，这些资料包括了北美洲，欧洲和亚洲的地面观测站点的风速观测序列，“我们利用风速廓线经验公式和风能公式计算了近40年来80米高度，即风力发电机的常见高度的风能资源累计变化。”中国科学院大气物理研究所研究员黄刚在接受《中国科学报》采访时解释道。

在进行了全面分析和评估后，研究人员发现自1979年以来，在北美洲、欧洲和亚洲分别有30%、50%和80%的站点损失超过30%的风能资源。“风能不断损失的直接原因是风速的减小，而风速减小背后的原因可能是多方面的，既可能是由于大气环流的变化，也可能是由于城市化造成的土地利用的变化，具体原因我们正在进一步研究。”黄刚表示。

如果风能储量真的持续减少，那么未来一些风电潜力巨大的区域中，已经建好的风电设备可能无法被充分利用，或将给人类节能减排目标的实现增添更多压力。

为整个风能产业提供参考

谈及研究初衷，黄刚坦言，是因为联想到近些年风能产业特别是中国风能产业的迅猛发展，认为有必要作一个全面细致的研究以探讨大尺度的近地面风速变化及其对风能的影响。“在研究之初我们就能够预想到大概的结果，希望这项研究可以为整个风能产业提供参考，并促使更多研究关注这个问题。”黄刚表示。

2017年，研究正式开始，虽然地面气象观测数据比较容易获取，但是数据处理却是一大难题。因为观测资料存在缺测、错误、站点迁移等诸多问题，所以研究人员需要小心翼翼地避免这些因素对于结果的影响。经过几番调试，他们最终使用了一套数据质量控制的流程，最大限度去除了可能的人为因素，获得了比较客观的结果。

而且，除了发现风能不断损失，研究还指出气候模式对风能的模拟有明显的缺陷。“缺陷的主要问题在于气候模式不能模拟出近地面风速的长期变化。”黄刚说。在气候模式中，风速减小的趋势会被显著低估，甚至在一些气候模式中，风速是呈增大趋势的。“所以，我们难以相信气候模式对风能的模拟能力。”黄刚表示。但在以往的研究中，全球气候模式是预估未来的重要工具。自1956年被提出以来，一直不断被完善，以期更接近观测结果。

对此，黄刚表示，气候模式需要被进一步改进，但这是一个复杂的工作，需要更多的研究来找出模拟缺陷形成的原因。“我们认为可能的原因之一是，气候模式对于陆面过程的模拟存在问题，因而不能很好地模拟出地面附近风速的变化。我们期待未来的研究能找出这个问题的答案。”

力图找出风能普遍减小的原因

虽然研究有了阶段性成果，但黄刚认为，风能的历史变化不能简单理解为未来趋势。因为风能变化受诸多因素影响，既包括厄尔尼诺等自然因素，也包括温室气体排放等人类活动的影响。这两方面的未来变化都不能简单认为会按照过往变化的方式进行。

“我们之前还发现再分析资料在近地面风速变化上有较大的偏差。虽然卫星资料也有风速观测，但是问题在于卫星资料的长度较短，且可靠性也不如地面观测。所以目前来说，地面观测资料是覆盖时间最长、最可靠的数据。”黄刚说。

接下来，黄刚研究组将继续完善这项研究，力图找出风能普遍减小的原因，并对未来作出一个更加可靠的预估。“未来，我们的团队将与美国普渡大学地球、大气与行星科学学院系继续合作研究，相信在不久的将来会有成果产出。”黄刚说。

相关论文信息：

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

CMIP5模拟地面风速变化。a)28个CMIP5全球气候模式模拟的北半球中位数风速变化。b)风速变化的趋势线。其中17个模式呈现风速下降趋势，其余模式呈现上升趋势。地面观测的中位数风速变化也在图中绘出。

风能资源累计变化频数分布。1979-2016年风能资源累计变化，不同颜色分别代表北美洲、欧洲和亚洲。（袁一雪）