青藏高原風電場開發(fā)對氣候變化的影響研究

馮蜀青，柳艷香，王海娥，張艷武，史學(xué)麗

（1.西寧市氣象局，青海 西寧810003；2.中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京100081；3.國家氣候中心，北京100081）

南極、北極和青藏高原素有地球三極之稱，對全球及區(qū)域氣候變化有著重要的作用。而位居地球“三極”的青藏高原，地勢高峻，平均海拔高度在4000 m以上。高聳于中緯度地區(qū)的對流層中，是大氣的熱源。它的熱力和動力作用，不僅影響我國的天氣氣候，而且對東亞乃至全球大氣環(huán)流都有重要影響。青藏高原是全球氣候變化的敏感區(qū)和啟動區(qū)[1—5]，風電場的運行，會吸收氣流的動量，從而使下游地區(qū)風速明顯減小20%～40%，風電場影響風速衰減的距離可以達到30～60 km，風機的渦輪擾動會改變大氣的垂直混合，最終改變局地溫度，最大可增暖1℃以上[6—11]。風電場的設(shè)置，不僅對局地氣候有影響，也會產(chǎn)生大范圍的氣候效應(yīng)[6—9]。風電場對周圍地區(qū)的氣候影響是不一致的，對有些近地層氣溫的影響可高達±1℃（或±2℃）以上；同時風電場的運行，改變了近地層的感熱和潛熱通量以及動量和風速，使地面空氣變干，從而間接改變降水量和云量及其他氣象要素[7—8]。

青藏高原風能資源豐富，發(fā)展包括太陽能、風能在內(nèi)的低碳新能源，對優(yōu)化高原的能源開發(fā)和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有重要作用。據(jù)初步測算，僅西藏年風能儲量達9.3×1010kW·h，折算標煤為3365萬噸。2012年，西藏那曲開建首個世界上海拔最高的風電場，計劃投資5.6億元建設(shè)，規(guī)劃總?cè)萘?9.5 MW，安裝33臺1500 kW風力發(fā)電機組。在西藏“十三五”規(guī)劃中還將在山南、日喀則布局風電場。青海的風能資源僅次于西藏，部分區(qū)域?qū)儆陲L能可利用區(qū)，近些年來也在大力發(fā)展風光互補的能源開發(fā)。青藏高原風電場的建設(shè)，就相當于在對流層中層施加一個動力和熱源擾動，強迫大氣環(huán)流產(chǎn)生一定的能量波動傳輸，進而對我國氣候產(chǎn)生一定的影響。本文對青藏高原不同區(qū)域、不同粗糙度的改變進行了敏感性模擬研究，旨在了解青藏高原風電場的開發(fā)對我國氣候變化的影響作用。

1 模式簡介及試驗設(shè)計

模式中描述粗糙度的主要有3個變量，動力學(xué)粗糙度、熱力學(xué)粗糙度和潛熱粗糙度，它們是影響地表通量、感熱和水汽通量的發(fā)生發(fā)展、表征地氣之間物質(zhì)和能量交換過程的重要參數(shù)[13—18]，一般情況下，模式中設(shè)定這3個參數(shù)是相等的。為了解青藏高原不同區(qū)域風電場開發(fā)對我國氣候變化的影響，本文選擇了2個不同的區(qū)域，進行了不同粗糙度改變的敏感性模擬試驗。

1.1 1.5倍試驗

依據(jù)來自德國風能協(xié)會給出的地面粗糙度等級及粗糙度長度對能源影響的比例。1.5倍粗糙度的地面特征是可以有一些房屋和高8 m但距離超過1 km的灌木、樹木等的田野，這種情況比較適合青藏高原的實際情況。選擇青藏高原主體區(qū)域范圍（85°～100°E，30°～36°N）進行兩組不同粗糙度改變敏感性試驗，一是改變所有粗糙度，即動量、感熱、潛熱粗糙度均增加1.5倍（SEN1.5），二是僅動量粗糙度增加為原來的1.5倍，其他粗糙度保持不變（SEN1.51）。

1.2 5倍試驗

5倍粗糙度是設(shè)計了一種極端情況下的敏感性試驗。青藏高原偏北區(qū)域（89°～103°E，35°～39°N，主要包括青海?。?，進行動量、感熱、潛熱粗糙度均增加5倍（SEN5.0）和動量粗糙度增加5倍、感熱和潛熱粗糙度保持不變（SEN5.1）的兩組敏感性試驗。

2 模擬結(jié)果

因為只改變動量粗糙度和改變所有粗糙度在中國區(qū)域產(chǎn)生的氣候變化趨勢基本一致，所以前兩部分主要討論3種粗糙度同時改變的模擬結(jié)果，第3部分將專門討論兩組試驗的差異。

2.1 1.5倍粗糙度試驗

與CTL試驗結(jié)果相比，由于試驗區(qū)域粗糙度的改變，使得中國區(qū)域的氣候分布發(fā)生了明顯的變化（圖1）。青藏高原年平均氣溫有明顯的降低，尤其冬季降低的區(qū)域最大，降溫幅度也是最大的，最大降低0.8℃。其他地區(qū)則有明顯的季節(jié)變化，華北和新疆地區(qū)，夏季表現(xiàn)為降溫，冬季則為明顯的升溫，華北地區(qū)升溫可達0.6℃以上，塔里木盆地增溫會達到1℃以上。

全國范圍內(nèi)，冬季降水沒有明顯變化。降水的變化主要集中在夏季，高原東部地區(qū)降水明顯較小，華北北部和東北南部降水有所增加，最大增加幅度可以達到1 mm/d以上。

在青藏高原粗糙度改變區(qū)域的感熱通量總體表現(xiàn)為減少。華北北部和南部地區(qū)的感熱動量呈現(xiàn)為夏季減小，冬季增加；而西南地區(qū)夏季則明顯增加。潛熱通量的變化夏季比較明顯，華北北部和南部地區(qū)增大，內(nèi)蒙古中東部、四川盆地以及青藏高原粗糙度改變區(qū)域表現(xiàn)不同程度的減少（圖2）。

圖1 1.5倍粗糙度試驗?zāi)M中國區(qū)域氣溫和降水變化

由于青藏高原粗糙度的改變，大氣環(huán)流場也發(fā)生了明顯的變化。500 hPa位勢高度場上最顯著的特征出現(xiàn)在夏季，我國西部和東北地區(qū)平均高度場降低，南方地區(qū)升高。冬季除了東北地區(qū)高度場依然偏低之外，35°N以南地區(qū)高度場也明顯降低，華北和新疆地區(qū)是升高的。對500 hPa位勢高度場的年平均而言，青藏高原和西南地區(qū)以及40°N以北地區(qū)高度場明顯降低，而華北地區(qū)略有增高。對流低層850 hPa的年平均水汽變化不明顯。華北地區(qū)夏季水汽明顯增大，而華中、華南地區(qū)冬季的水汽減少比較明顯（圖 3）。

油環(huán)的材質(zhì)有的是采用特氟龍材質(zhì)(比如圖1的09GTF80/81變速器)，而有的則采用更為昂貴的PEEK材質(zhì)和高溫下高度耐磨的TORLON材質(zhì)，普通后市場的副廠件很難有相對應(yīng)的廉價替代品。如圖2所示6L45/6L50系列油泵定子軸上的密封油環(huán)就采用了硬度很高的PEEK材質(zhì)，因為這個部位會發(fā)生高轉(zhuǎn)速的摩擦。

2.2 5倍粗糙度的試驗

對2 m氣溫而言，年平均氣溫在東北、內(nèi)蒙古、和我國東部長江以北以及青藏高原地區(qū)氣溫呈現(xiàn)明顯的降低趨勢，長江以南地區(qū)氣溫的季節(jié)性差異非常顯著，冬季降低，夏季增高，華北局部地區(qū)夏季氣溫也有升高趨勢（圖4，圖5）。

粗糙度的改變，只是對夏季降水有影響，影響最顯著的地區(qū)出現(xiàn)在華北中北部和東北南部地區(qū)，夏季降水明顯減少，長江以南局部地區(qū)也有減少趨勢。

圖2 1.5倍試驗?zāi)M中國區(qū)域潛熱變化（a年；b夏季；c冬季）

圖3 1.5倍試驗?zāi)M中國區(qū)域500 hPa高度場變化（a年；b夏季；c冬季）

圖4 5倍試驗?zāi)M中國區(qū)域氣溫（a、b、c依次為年、夏季和冬季平均）

圖5 5倍試驗?zāi)M中國區(qū)域降水（a、b、c依次為年、夏季和冬季平均）

無論冬夏季，青藏高原局部地區(qū)感熱通量均表現(xiàn)為減小，對夏季感熱通量的影響最大的地區(qū)出現(xiàn)在華北和東北南部以及長江中下游以南地區(qū)，感熱通量增大。高原的東部地區(qū)冬季的感熱通量增加明顯。夏季的潛熱通量變化比較大，華北和東北南部以及長江中下游以南局部地區(qū)減小明顯（圖6）。

年和冬季平均的500 hPa環(huán)流場變化表現(xiàn)為西高東低的特征，東部地區(qū)明顯偏低，新疆和青藏高原南部偏高。而夏季則表現(xiàn)出南高北低的變化特征，35°N以北的中高緯度地區(qū)明顯降低，以南則顯著的升高（圖 7）。

850 hPa夏季平均水汽含量在華北、黃淮地區(qū)減小非常顯著，而冬季的南方地區(qū)水汽輸送也明顯減少。

2.3 不同粗糙度試驗的比較

因1.5倍和5倍粗糙度變化的模擬結(jié)果差異較小，這里只討論了5倍粗糙度改變而引起的模擬結(jié)果的差異。

圖8是動量粗糙度增加5倍（SEN5.1）與3種粗糙度均增加5倍（SEN5.0）的夏季降水和冬季氣溫的模擬結(jié)果差值場分布。很明顯，只改變動量粗糙度時，長江以南地區(qū)夏季感熱通量減小，低層水汽增加，降水率增大，試驗區(qū)域和東北地區(qū)東部感熱增大，降水減少，與粗糙度全部改變的模擬結(jié)果相比，華北北部地區(qū)降水的減少主要是熱力粗糙度的改變引起的，說明青藏高原熱力場擾動對我國華北地區(qū)的夏季降水會產(chǎn)生明顯的影響。而我國南方地區(qū)降水的增加則主要是由青藏高原動力場的擾動產(chǎn)生的氣候效應(yīng)。

圖6 5倍試驗?zāi)M中國區(qū)域潛熱變化（a年；b夏季；c冬季）

圖7 5倍試驗?zāi)M中國區(qū)域500 hPa高度環(huán)流場變化（a年；b夏季；c冬季）

圖8 不同粗糙度下中國區(qū)域夏季降水（a）和冬季氣溫（b）差值分布模擬

青藏高原動力場的擾動，會造成了長江以南地區(qū)冬季氣溫明顯升高，但與粗糙度全改變相比，熱力場的擾動造成的冬季氣溫的降低更顯著一些。

3 結(jié)論

通過改變青藏高原不同區(qū)域地面粗糙度（包括動量粗糙度、感熱粗糙度、潛熱粗糙度），發(fā)現(xiàn)青藏高原動力場和熱力場的改變對中國區(qū)域的氣候變化都會產(chǎn)生比較明顯的影響，具體表現(xiàn)在：

（1）青藏高原氣溫會有明顯的降低。粗糙度越大，東部大部地區(qū)冬季降溫就會越明顯，1.5倍粗糙度改變時，華北和新疆地區(qū)的冬季氣溫則明顯偏高，而夏季長江以南地區(qū)氣溫都會相對升高。

（2）青藏高原上不同區(qū)域粗糙度的改變會影響中國不同區(qū)域夏季降水的分布，1.5倍粗糙度改變時，青藏高原東部地區(qū)降水減少，華北北部地區(qū)降水增加，但高原北部地區(qū)粗糙度增大，會使華北地區(qū)降水明顯減少。

（3）隨著青藏高原粗糙度的增大，長江以南地區(qū)冬季850 hPa水汽輸送明顯減小，而華北地區(qū)夏季的水汽輸送則顯著減少。

（4）青藏高原熱力場擾動會使華北地區(qū)的夏季降水明顯減少，而動力場的擾動會引起南方地區(qū)夏季降水的增加。同樣，青藏高原動力場的擾動，會造成長江以南地區(qū)冬季氣溫明顯增加，但熱力場的擾動造成的冬季氣溫的降低更顯著一些。

本文只是用全球大氣環(huán)流模式模擬了由于青藏高原粗糙度的改變可能會引起的中國區(qū)域氣候變化的影響，通過模擬分析可以肯定青藏高原風電場的開發(fā)對我國的氣候變化是有一定影響的，要想進一步了解青藏高原不同規(guī)模的風電場開發(fā)對我國不同區(qū)域帶來的各氣象要素的變化，還有待用更精細化的中尺度區(qū)域模式進一步模擬研究。

致謝：對吳統(tǒng)文、王在志、張杰在模式調(diào)試和試驗設(shè)計中的有益討論和幫助表示誠摯謝忱!