資料圖 作者：程功

 

? 近期，一項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所和美國(guó)普渡大學(xué)共同完成的研究指出，近40年來北半球風(fēng)速減弱已經(jīng)使得一半地區(qū)的風(fēng)能資源減少了30%以上，研究論文發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《能源》雜志上。

 

很多中年以上的讀者都有體會(huì)，如今的風(fēng)似乎不像以前那么多、那么大了。這是個(gè)人體驗(yàn)，還是客觀事實(shí)？我們特邀此項(xiàng)研究的作者來和您聊一聊。

 

風(fēng)力減弱是怎么發(fā)現(xiàn)的

 

風(fēng)力減弱，在學(xué)術(shù)界的說法叫“大氣減速”，是指近幾十年來陸地近地面（10米左右）風(fēng)速普遍減弱的現(xiàn)象。這個(gè)名詞在2007年由澳大利亞科學(xué)家邁克爾·羅德里克等人提出，目前已經(jīng)有超過一百篇學(xué)術(shù)論文的結(jié)果支持“大氣減速”，這些論文使用不同的數(shù)據(jù)分別研究了北美洲、歐洲、亞洲、非洲、南美洲以及大洋洲的很多國(guó)家和地區(qū)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分國(guó)家和地區(qū)近地面風(fēng)速都在近幾十年內(nèi)呈下降趨勢(shì)，中國(guó)也是其中之一。“大氣減速”目前已經(jīng)成為氣象學(xué)界的普遍共識(shí)。

 

“大氣減速”進(jìn)入科學(xué)家的視野是在2005年前后，這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)緣起于對(duì)水循環(huán)的研究。1995年，一篇發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》的論文指出，地表蒸發(fā)量在美國(guó)和蘇聯(lián)出現(xiàn)普遍下降，表明這些地區(qū)的水循環(huán)已經(jīng)發(fā)生變化，但原因尚不清楚。

 

之后又有許多研究發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)、加拿大、澳大利亞、新西蘭、印度和泰國(guó)也有類似的情況。然而，令科學(xué)家們費(fèi)解的是，從理論上講，全球變暖會(huì)使得蒸發(fā)增加，而不是減少，因而這個(gè)現(xiàn)象被稱為“蒸發(fā)悖論”。2007年，三位澳大利亞科學(xué)家對(duì)于“蒸發(fā)悖論”給出了合理的解釋。他們指出，蒸發(fā)減少的原因在于風(fēng)的普遍減弱，并提出“大氣減速”這個(gè)概念。此概念提出后在氣象學(xué)界引起廣泛關(guān)注，相關(guān)研究不斷涌現(xiàn)。

 

2008年，俄羅斯科學(xué)家發(fā)現(xiàn)1936年至2006年間，俄羅斯64個(gè)地面觀測(cè)站的風(fēng)速平均下降了1.1米/秒。2009年，中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)中國(guó)317個(gè)觀測(cè)站在1956-2005年間風(fēng)速平均下降了0.55米/秒。同年，印度科學(xué)家發(fā)現(xiàn)印度133個(gè)觀測(cè)站在1971-2002年間風(fēng)速平均下降了0.86米/秒。此后美國(guó)、加拿大、德國(guó)、捷克、法國(guó)、瑞士等國(guó)也相繼發(fā)現(xiàn)了風(fēng)速下降的現(xiàn)象。風(fēng)速下降的國(guó)家和地區(qū)遍布亞洲、歐洲、北美洲、南美洲、非洲、大洋洲等各個(gè)大洲。雖然也有國(guó)家和地區(qū)發(fā)現(xiàn)了風(fēng)速上升，但這種情況非常罕見。至此，“大氣減速”被普遍接受為是一個(gè)全球現(xiàn)象。

 

“大氣減速”的原因是什么？

 

氣象學(xué)家們對(duì)于“大氣減速”的原因提出了幾種解釋。

 

一種觀點(diǎn)認(rèn)為，全球變暖是其背后的主要原因。因?yàn)榭諝膺\(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來自于氣壓差（氣壓梯度），而溫度的變化會(huì)改變氣壓差。以夏季風(fēng)為例，通常情況下，陸地溫度較高而海洋溫度較低，在陸地上形成低壓中心，在海洋上形成高壓中心，氣壓差使得空氣由海洋向陸地運(yùn)動(dòng)。如果在全球變暖的情況下，海洋變暖的速度快于陸地，海洋與陸地的氣壓差將會(huì)減小，從而使得風(fēng)速變慢。

 

另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為，“大氣減速”的原因不是動(dòng)力變小了，而是阻力變大了，這種阻力可能來自于地面摩擦，也可能來自于大氣內(nèi)部的垂直動(dòng)量傳遞。地面粗糙狀況的變化可以引起地面摩擦的變化，比如一片曠野變成了高樓林立的城市，這個(gè)區(qū)域的地面摩擦就會(huì)增加，風(fēng)速則會(huì)減小。大氣內(nèi)部的湍流引起動(dòng)量的垂直傳遞，同樣會(huì)改變風(fēng)速。風(fēng)速?gòu)母呖盏降孛媸侵饾u減小的，在地面風(fēng)速為零，即動(dòng)量是從高空向下傳遞的，而湍流具有攪拌混合的作用，如果地面附近湍流變?nèi)酰孛娓浇娘L(fēng)通過湍流混合獲得的高空傳遞下來的動(dòng)量就會(huì)變少，風(fēng)速就會(huì)減弱。

 

“大氣減速”如何影響能源

 

“大氣減速”無疑會(huì)對(duì)風(fēng)能產(chǎn)生影響，然而這個(gè)影響究竟有多大，之前還沒有定量的研究。此次中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所黃剛教授團(tuán)隊(duì)和美國(guó)普渡大學(xué)戴夫·尼尤基的最新研究解答了這個(gè)問題。利用全球地面觀測(cè)網(wǎng)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，他們計(jì)算了1979年以來北半球陸地的風(fēng)能資源的變化。計(jì)算結(jié)果表明，在北美洲，有27%的站點(diǎn)損失了超過30%的風(fēng)能資源，只有17%的站點(diǎn)風(fēng)能增加了超過10%。在歐洲，52%的站點(diǎn)損失了超過30%的風(fēng)能資源，僅有10%的站點(diǎn)風(fēng)能增加超過10%。亞洲風(fēng)能資源下降的情況最為明顯，有超過65%的站點(diǎn)風(fēng)能損失了超過30%。

 

中國(guó)是全球風(fēng)力發(fā)電能力第一的國(guó)家，2016年年底占到了全球風(fēng)力發(fā)電能力的35%。然而近四十年來，有接近80%站點(diǎn)損失了超過30%的風(fēng)能資源。值得注意的是，在中國(guó)東北和西北地區(qū)，如東北三省、內(nèi)蒙古、甘肅北部、新疆等地，風(fēng)能資源的損失較為明顯，而這些地區(qū)同樣也是近些年來風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)集中的區(qū)域。內(nèi)蒙古擁有各省區(qū)中最大的風(fēng)力發(fā)電能力，甘肅省北部有全國(guó)最大的風(fēng)力發(fā)電廠——酒泉風(fēng)力發(fā)電廠，新疆有全國(guó)第二大風(fēng)力發(fā)電廠——達(dá)坂城風(fēng)力發(fā)電廠。相比之下，東部沿海的山東、江蘇、浙江風(fēng)能資源減少的情況較為平緩。而廣東、重慶和甘肅南部的風(fēng)能資源則有所增加。在所有季節(jié)中，風(fēng)能資源最豐富的是春季，因?yàn)榇杭镜钠骄L(fēng)速最大。然而，在新疆和東北三省，春季風(fēng)能資源的損失也是四個(gè)季節(jié)中最快的。

 

“大氣減速”會(huì)持續(xù)嗎

 

今后“大氣減速”的現(xiàn)象會(huì)持續(xù)嗎？這是一個(gè)所有人都關(guān)心的問題。但遺憾的是，科學(xué)界還不能給出明確的答案。困難來自于幾個(gè)方面。

 

首先，我們預(yù)測(cè)未來的唯一工具——全球氣候模式并不能很好地模擬出“大氣減速”的現(xiàn)象，說明全球氣候模式在模擬風(fēng)速方面還存在不足。

 

其次，盡管氣象學(xué)家已經(jīng)提出了各種理論來試圖解釋“大氣減速”，但目前沒有一個(gè)理論可以完全解釋其發(fā)生的原因。目前氣象學(xué)界更傾向于認(rèn)為是地面附近的變化，如地面粗糙度增加或是湍流混合減弱造成了“大氣減速”，但還需要更多研究去深入理解和定量分析這些因素對(duì)于“大氣減速”的影響。

 

在找出“大氣減速”的主要影響因素之后，我們才可以通過預(yù)測(cè)這個(gè)影響因素的未來變化，來預(yù)測(cè)風(fēng)速的變化。

 

延伸閱讀

 

為什么要關(guān)注“大氣減速”

 

為什么全世界這么多科學(xué)家都關(guān)注“大氣減速”，以至于發(fā)表了上百篇論文來分析這個(gè)現(xiàn)象？這是由于這一現(xiàn)象具有重要的科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。

 

在科學(xué)價(jià)值方面，風(fēng)是大氣的一個(gè)基本物理量，體現(xiàn)著空氣的運(yùn)動(dòng)。幾乎所有天氣現(xiàn)象都與風(fēng)有直接聯(lián)系：比如升溫和降溫，即暖空氣與冷空氣的運(yùn)動(dòng)；降水通常伴隨著大風(fēng)，因?yàn)椋ㄤh面）降水發(fā)生在冷暖空氣的交匯地帶，這個(gè)地帶的巨大溫度對(duì)比會(huì)形成大風(fēng)；臺(tái)風(fēng)登陸的時(shí)候也會(huì)帶來狂風(fēng)，因?yàn)榕_(tái)風(fēng)本身就是一個(gè)橫跨數(shù)百公里的巨大空氣渦旋，氣象學(xué)上稱為“熱帶氣旋”。因而風(fēng)的減弱可能預(yù)示著這些天氣現(xiàn)象的強(qiáng)度變小，比如冷暖空氣的運(yùn)動(dòng)比之前更加緩慢，鋒面系統(tǒng)比之前強(qiáng)度減小，或是臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度減小。

 

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值方面，首先，風(fēng)是污染物擴(kuò)散的主要原因。風(fēng)的減小可能會(huì)使很多地方的大氣污染問題更加嚴(yán)重。此外，風(fēng)能是全世界一種主要的新型清潔能源，也是我國(guó)近年來大力發(fā)展的一種能源。風(fēng)的減小會(huì)直接影響到風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率，進(jìn)而影響到整個(gè)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)。

 

來源：北京日?qǐng)?bào)    ?作者：黃剛 田群