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分享 | 气候变化是否威胁到风资源?

[大气环流模式可使一个地区风速长期显著下降。]

作者:Jeffrey M. Freedman, Kenneth T. Waight & Philip B. Duffy

风和气候的变化是密不可分的。气候变化对地表温度(全球变暖)和降水的潜在影响备受关注,但我们对其引起的风速预期变化很少讨论。

科学界一般假设是:全球变暖减少极地与赤道之间的温度差异,故中纬度地区的风也将减少。

下面的研究表明这个问题实际上要复杂得多,未来几十年气候变化可能会使季节性风速和年际风速变化更大,从而更难制定长期风能规划。

此外,还有一些风电发展迅猛的地区可能更易受到气候变化的影响,如加利福尼亚州和大平原地区,因为它们的风况是由一种特定的大气环流模式支配。因此,了解未来几十年中气候变化如何影响风,对于风能产业的持续增长至关重要。


          图片来源于Windnavigator高分辨率数据库

到目前为止,历史风数据显示气候变化带来的影响很小。美国气象站长期观测显示,过去十年中,风速存在一个小的负趋势,即每十年减少约0.1m/s。在此期间,各个站显示风速有增有减,可能与非气候因素有关,例如当地植被覆盖的变化、仪器的连续性或站点移动。

在过去的20年中,整个北美高于边界层(1500米以上)的风速均出现了明显的积极上升趋势,而这种转变是继前二十年风速普遍下降之后出现的。

这些变化代表自然波动还是全球气候变化的结果?这仍然悬而未决。

资源评估

此项研究中,应用于气候变化研究的GCMGeneral Circulation Model)输出结果,已被用于初始化中尺度天气模型,以检查大气中的热力学变化如何影响局部风。

研究区域位于加利福尼亚州西南部风资源丰富的山口区域,这里具备形成狭管风的有利机制——圣华金河谷(San Joaquin Valley)和莫哈韦沙漠(Mojave Desert)之间的温差,类似于特哈查比山口(Tehachapi Pass)的研究。


由于莫哈韦沙漠东南部快速升温、圣华金河谷西北部表面迅速冷却,两者之间温度梯度增加,因此这些山口在春末和初夏的下午,风速通常最高。加利福尼亚沿海地区的其他狭管风是由于海陆温差而产生,类似于海风的形成机制。

而夏末和初秋温差减少,导致此时观测到的风速较低。

在加州能源委员会和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的赞助下,该研究进行了历史时段(1980-1999)和未来时段(2041-2060)气候模拟,目的在于估计特哈查比及其附近的风力发电潜力变化。

由美国国家科学基金会资助,在劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行的美国北部区域气候变化预测课题中,基于50公里高分辨率的GCM(使用IPCC A2温室气体排放方案)得到输出结果,该结果用于初始化中尺度大气模拟系统模型(MASS)。

运行的是两个分别为15公里和4公里分辨率的嵌套MASS网格。这种方法每20年生成72724小时循环,其中风速不确定度为±3%(特哈查比山口约0.3m/s)。

如果模型不能合理地再现近期天气的时空模式,那么对于未来气候的模拟将毫无价值。MASS模型的历史模拟捕获了观测风速分布的模式和大小,且特哈查比附近测风塔长期数据的平均风速与MASS模型气候模拟很好地吻合。

整个区域2米处的气温普遍增加(每十年约0.2K),这也与特哈查比西北部气象站的观测结果一致。

未来预期

定性地说,未来场景预期和历史运行期间的一般空间分布很相似,这表明大规模的大气环流模式没有明显变化。

然而与气候学相比,4公里分辨率MASS模型中风速普遍降低,大多数区域风速降低了5%至10%。

唯一相对多风(5级或以上)、可用风能净增加(10%至20%)的地方位于西米谷(Simi Valley)附近和圣贝纳迪诺(San Bernardino)以北山脉的迎风面。


现有的特哈查比风电场及其周围区域的可用风能减少了10%至15%。

研究人员还指出,在未来20年场景中,70米高度处的风速会有小幅下降(每十年-0.11m/s)。然而特哈查比的年风速变化已经从气候学时期的9%降至2041-2060时期的5%。

虽然特哈查比的平均风速整体下降,但这种下降并非全年均匀分布。5月到8月,风速增大接近1m/s,而在1011月,70米高度风速明显降低。

这些变化可能反映了春秋季达到最大风速的主要形成机制,即圣华金-莫哈韦沙漠的压强、温度梯度。在未来气候情景下,由于莫哈韦沙漠的热度增加,春夏季压强梯度大约增加0.1百帕。

总的来说,压强梯度减少0.2百帕恰恰反映了在特哈查比观察到的年均风速的降低。压强梯度季节性变化的一个可能原因是模型保存土壤水分的方式。

以前研究发现,圣华金河谷的灌溉会增加特哈查比地区的温度梯度(因而也就是压强梯度),导致风速比预期高0.5- 1m/s

其他加利福尼亚地区的风速净增加可能与海风环流增强有关(主要是奥克斯纳德附近和南部的沿海地区),这与其他近期研究的结果一致。

圣华金河谷和莫哈韦沙漠之间的局部环流是维持特哈查比山口地区观测到强风的关键机制。预计特哈查比及附近的风速和潜在风能将显著下降(风速下降2-4%或更高,潜在风能下降10-15%)。

不同于以上所谈的大趋势,在5-8月暖季,增大的压强/温度梯度会使特哈查比山口的风更大,这是一个特殊例外。

【作者简介:Jeffrey M. FreedmanKenneth T. WaightPhilip B. Duffy供职于美国知名可再生能源咨询公司AWS Truepower。】


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