青藏高原風電場開發對氣候變化的影響研究

馮蜀青，柳艷香，王海娥，張艷武，史學麗

（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流都有重要影響。青藏高原是全球氣候變化的敏感區和啟動區[1—5]，風電場的運行，會吸收氣流的動量，從而使下游地區風速明顯減小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]。風電場的設置，不僅對局地氣候有影響，也會產生大范圍的氣候效應[6—9]。風電場對周圍地區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，發展包括太陽能、風能在內的低碳新能源，對優化高原的能源開發和經濟可持續發展有重要作用。據初步測算，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，規劃總容量49.5 MW，安裝33臺1500 kW風力發電機組。在西藏“十三五”規劃中還將在山南、日喀則布局風電場。青海的風能資源僅次于西藏，部分區域屬于風能可利用區，近些年來也在大力發展風光互補的能源開發。青藏高原風電場的建設，就相當于在對流層中層施加一個動力和熱源擾動，強迫大氣環流產生一定的能量波動傳輸，進而對我國氣候產生一定的影響。本文對青藏高原不同區域、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對我國氣候變化的影響作用。

1 模式簡介及試驗設計

模式中描述粗糙度的主要有3個變量，動力學粗糙度、熱力學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生發展、表征地氣之間物質和能量交換過程的重要參數[13—18]，一般情況下，模式中設定這3個參數是相等的。為了解青藏高原不同區域風電場開發對我國氣候變化的影響，本文選擇了2個不同的區域，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

依據來自德國風能協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倍粗糙度是設計了一種極端情況下的敏感性試驗。青藏高原偏北區域（89°～103°E，35°～39°N，主要包括青海省），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 模擬結果

因為只改變動量粗糙度和改變所有粗糙度在中國區域產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試驗結果相比，由于試驗區域粗糙度的改變，使得中國區域的氣候分布發生了明顯的變化（圖1）。青藏高原年平均氣溫有明顯的降低，尤其冬季降低的區域最大，降溫幅度也是最大的，最大降低0.8℃。其他地區則有明顯的季節變化，華北和新疆地區，夏季表現為降溫，冬季則為明顯的升溫，華北地區升溫可達0.6℃以上，塔里木盆地增溫會達到1℃以上。

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

圖1 1.5倍粗糙度試驗模擬中國區域氣溫和降水變化

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

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

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、內蒙古、和我國東部長江以北以及青藏高原地區氣溫呈現明顯的降低趨勢，長江以南地區氣溫的季節性差異非常顯著，冬季降低，夏季增高，華北局部地區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，影響最顯著的地區出現在華北中北部和東北南部地區，夏季降水明顯減少，長江以南局部地區也有減少趨勢。

圖2 1.5倍試驗模擬中國區域潛熱變化（a年；b夏季；c冬季）

圖3 1.5倍試驗模擬中國區域500 hPa高度場變化（a年；b夏季；c冬季）

圖4 5倍試驗模擬中國區域氣溫（a、b、c依次為年、夏季和冬季平均）

圖5 5倍試驗模擬中國區域降水（a、b、c依次為年、夏季和冬季平均）

無論冬夏季，青藏高原局部地區感熱通量均表現為減小，對夏季感熱通量的影響最大的地區出現在華北和東北南部以及長江中下游以南地區，感熱通量增大。高原的東部地區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減小明顯（圖6）。

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

850 hPa夏季平均水汽含量在華北、黃淮地區減小非常顯著，而冬季的南方地區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果差值場分布。很明顯，只改變動量粗糙度時，長江以南地區夏季感熱通量減小，低層水汽增加，降水率增大，試驗區域和東北地區東部感熱增大，降水減少，與粗糙度全部改變的模擬結果相比，華北北部地區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的夏季降水會產生明顯的影響。而我國南方地區降水的增加則主要是由青藏高原動力場的擾動產生的氣候效應。

圖6 5倍試驗模擬中國區域潛熱變化（a年；b夏季；c冬季）

圖7 5倍試驗模擬中國區域500 hPa高度環流場變化（a年；b夏季；c冬季）

圖8 不同粗糙度下中國區域夏季降水（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 結論

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

（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，華北和新疆地區的冬季氣溫則明顯偏高，而夏季長江以南地區氣溫都會相對升高。

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

（3）隨著青藏高原粗糙度的增大，長江以南地區冬季850 hPa水汽輸送明顯減小，而華北地區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的夏季降水明顯減少，而動力場的擾動會引起南方地區夏季降水的增加。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模的風電場開發對我國不同區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域模式進一步模擬研究。

致謝：對吳統文、王在志、張杰在模式調試和試驗設計中的有益討論和幫助表示誠摯謝忱!