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我院曾振中课题组在《自然-气候变化》发表全球风速变化研究成果及其对风能产业影响

2019-11-20

近日,我院副教授曾振中课题组及其合作者在全球变化领域取得关于全球风速与风能变化及其物理机制的重要进展,研究成果在《自然-气候变化》(Nature Climate Change,IF:25.170)在线发表。

风能概念图

风能是一种迅速发展的可替代传统化石燃料的新能源。截至2018年底,全球安装的风力涡轮机的总容量已达597 GW,可覆盖全球近6%的电力需求。然而,地表观测表明,自1960年以来,全球陆地表面风速一直在持续下降(“全球地表风速静止”,Global Terrestrial Stilling)。由于风能发电与风速成三次方关系,地表风速静止将严重影响风机发电效率,是全球风力发电产业潜在的重大威胁。此前的研究认为,全球风速会在未来几十年持续下降。团队首次发现,在经过几十年的静止后,全球地表风速从2010年开始快速反弹,并已在短短8年间恢复到1980年左右的水平。最近的增长速度是2010年以前下降速度的三倍,其中北美、欧洲和亚洲三个区域增长最为显著。

团队还研究了全球地表风速静止逆转的潜在原因。此前有假设认为,植被生长活动增强或城市化引起的地表粗糙度增加导致了全球风速静止。但是,团队依次否定了植被生长变化和城市化的假设。经过进一步的研究,团队发现地表风速变化(包括先前的静止和最近的逆转)是由大规模的海洋/大气振荡所驱动的。其中,太平洋年代际涛动(PDO)、北大西洋涛动(NAO)和热带北大西洋指数(TNA)是造成地表风速变化的最关键因素。

(a)全球及(b)北美、(c)欧洲、(d)亚洲三大区域的风速逆转现象

风速的变化将对风能行业产生巨大影响。鉴于2010-2017年风速的稳健提升以及自然界海洋/大气的长周期震荡,团队预测风速上升的趋势至少会持续十年,且以目前的趋势,风能将在2024年提高37%。这将导致风机发电效率每十年提高3%,这个增长幅度甚至比很多情景下预测的气候变化引起的风能潜力还要大。这些发现对电力行业在近期内的发展是重大利好。此外,团队通过实证数据揭示了风速变化是美国风力发电容量系数(capacity factor)近年快速攀升的主要推力,其作用甚至重要于科技进步,后者一直被认为在美国风力发电容量系数的提升中发挥了主导作用。

全球地表风速逆转对风能产业的影响

这些研究成果对全球风能领域具有非常重大的价值,将有利于电力行业的蓬勃发展,推动风能发展成可再生能源的重要支柱。但文章尚未系统地研究风速变化趋势对中国风力发电的影响,急需更多研究推动对其动力学机制的假设验证,以完善IPCC气候模型和再分析天气模型,从而实现对地表风速的准确模拟。这个方向可能成为全球变化研究的“热点”,可以形成若干原创性成果,并且能增强多学科交叉、推动产学研结合,有利于我国及世界风能产业的长远规划与健康发展。

南科大为论文第一通讯单位,曾振中为第一作者及唯一通讯作者。该研究得到了中国科学院战略研究重点项目、南方科技大学启动基金以及蓝三家族-泰国可持续发展项目的大力支持。国际国内合作单位及作者包括:普林斯顿大学(Timothy Searchinger & Eric. F. Wood),新加坡国立大学(Alan D. Ziegler),科罗拉多大学(Anping Chen),法国国家科研中心(Laurent Z. X. Li),法国气候与环境科学实验室(Philippe Ciais),哥德堡大学(Deliang Chen),西班牙沙漠研究中心(Cesar Azorin-Molina),卡迪夫大学(Adrian Chappell),圣母大学(David Medvigy),南京大学(Long Yang),北京大学(Shilong Piao),清华大学(Kunlu Ju),及南方科技大学(Junguo Liu)。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41558-019-0622-6