近日，南方科技大学环境科学与工程学院2018级本科生刘怡在中国地表风速研究中取得新发现，研究成果以第一作者身份在环境科学与生态学国际知名期刊Environmental Research Letters上发表，该论文题为“Increases in China’s wind energy production from the recovery of wind speed since 2012”，介绍了近40年中国地表风速变化及其对风能发电影响方面的最新研究成果；以第一作者身份在英国皇家学会期刊Environmental Science: Atmospheres上发表论文，该论文题为“Stronger winds increase sand-dust storm risk in northern China”，基于该发现预测，随着风速的增加，沙尘暴的发生频率也会增加，这在蒙古国已经发生，但在中国可能才刚刚开始；以第一作者身份在《The Palgrave Handbook of Global Sustainability》（Springer Nature出版社）一书中撰写“Wind Energy”章节，并在第13届国际应用能源大会（ICAE2021）作题为“Recovery of winds boosts more than one-fifth of the capacity factor in China in the 2010”的口头学术报告。
全球风速在持续下降了一段时间后开始显现出增长的趋势。风速的增长一方面可以增加风电产量，减少对于化石燃料的依赖，减缓气候变化；另一方面也将带来更强的风剥蚀作用，导致更高的沙尘暴风险。
该研究基于中国气象站的669个合格站点的逐日数据分析了中国地表风速近30年的变化。结果显示中国风速在2012年结束了长期的下降趋势，开始呈现增长趋势（P<0.001），风速的恢复具有较大的空间差异性，在中国西南，华北，东北和中南地区较为显著（P<0.001）。进一步分析发现中国风速变化与衡量风力发电效率的容量因子（Capacity Factor, CF）具有很强的相关性（R=0.86）。因此计算了仅在风速变化驱动下的容量因子变化。基于通过威布尔分布插值得到的逐小时风速数据和金风科技的2.5MW风机模型，计算了全国和各省的容量因子的变化。结果显示，基于2019年的装机容量，风速增长带来了31.6-56.5TWh/yr的风电增量。同时，还比较了不同额定功率的风机的容量因子，发现在历史观测到的风速条件下，3.2MW的风机始终有最高的容量因子，是最适合中国陆地风速条件的风机模型。
图1：中国风速持续下降的趋势在2012年逆转。
图2：风速的逆转具有较大的空间差异，在风电装机容量最大的北方上升趋势明显。
图3：风速驱动下不同额定功率风机容量因子的变化。
2021年3月15日，来自蒙古的近十年最大的沙尘暴席卷中国北方。在这次突然爆发之前，中国北方的沙尘暴数量已经持续减少了50年。大风和沙源是沙尘暴产生的两个关键要素。近20年来，一方面东亚内陆地区气候突然变干变热，提供了更多的沙源；另一方面中国风速在持续下降了一段时间后开始显现出增长的趋势，在更多沙源和更大风速的双重作用下，2021年的特大沙尘暴可能预示着一个多沙尘暴时期的开始。
图4，蒙古国和中国北方地区的沙尘暴频率与年平均风速呈现相关性。(a)在蒙古国，年平均风速减少时期(1973年至2003年)沙尘暴频率相对稳定。随着2003年至2019年风速的增加，沙尘暴频率也增加，并且波动也更加剧烈。(b)中国年平均风速在1970年之前呈上升趋势，1971-2012年呈下降趋势，近10年又呈回升趋势，沙尘暴日数亦然。(c)中国沙尘暴10分钟平均最大风速与年平均风速趋势一致。
研究还分析了中国北方和蒙古国年均风速与沙尘暴日数的关系，发现两者在中国北方具有高度相关性(R = 0.94，图四b)，在蒙古国具有中度相关性(R = 0.41,图四a)。进一步分析发现，在沙尘暴频率降低的同时，中国沙尘暴10分钟平均最大风速也有所降低，这进一步证明了风速下降对沙尘暴频率降低的重要影响。因为生态修复的固沙作用将会提高沙尘暴的风速阈值，即只有强风才能导致沙尘暴，从而降低沙尘暴频率，同时，这将使得观测数据中沙尘暴发生时的平均风速更高（图五）。而风速的减小不仅会降低沙尘暴频率，还将使沙尘暴发生时的风速也减少（图六）。基于此预测，随着风速的增加，沙尘暴的发生频率也会增加，这在蒙古国已经发生，但在中国可能才刚刚开始。
图5，生态修复(较高的沙尘暴风速阈值)降低沙尘暴频率，但是使得观测到的沙尘暴平均风速更高的示意图。蓝色条形显示随机生成的瞬时风速，上方的红点表示沙尘暴事件和记录到的沙尘暴发生时的风速，取它们的平均值，我们将得到该情况下多次沙尘暴事件的平均风速。黑色粗横线表示沙尘暴风速阈值，该线下的区域内的风速不会引起沙尘暴。左、右图分别为低沙尘暴风速阈值(12m s-1)和高沙尘暴风速阈值(15m s-1)的情况。
图六，整体风速降低导致沙尘暴的发生频率和平均风速降低的示意图。以12m s-1的沙尘暴起始风速为例，其他同图二。左右图分别表示高风速和低风速(高风速分布减去5m s-1)的情况。
环境科学与工程学院2018级本科生刘怡为论文第一作者，环境科学与工程学院副教授曾振中为文章的通讯作者，南科大是论文第一单位。此项研究得到了国家自然科学基金、南方科技大学的支持。
论文链接：
1、https://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/ac9cf4
2、https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ea/d2ea00058j
3、https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-3-030-38948-2_17-1
关闭窗口
APP下载
