青藏高原风电场开发对气候变化的影响研究

冯蜀青，柳艳香，王海娥，张艳武，史学丽

（1.西宁市气象局，青海 西宁810003；2.中国气象局公共气象服务中心，北京100081；3.国家气候中心，北京100081）

南极、北极和青藏高原素有地球三极之称，对全球及区域气候变化有着重要的作用。而位居地球“三极”的青藏高原，地势高峻，平均海拔高度在4000 m以上。高耸于中纬度地区的对流层中，是大气的热源。它的热力和动力作用，不仅影响我国的天气气候，而且对东亚乃至全球大气环流都有重要影响。青藏高原是全球气候变化的敏感区和启动区[1—5]，风电场的运行，会吸收气流的动量，从而使下游地区风速明显减小20%～40%，风电场影响风速衰减的距离可以达到30～60 km，风机的涡轮扰动会改变大气的垂直混合，最终改变局地温度，最大可增暖1℃以上[6—11]。风电场的设置，不仅对局地气候有影响，也会产生大范围的气候效应[6—9]。风电场对周围地区的气候影响是不一致的，对有些近地层气温的影响可高达±1℃（或±2℃）以上；同时风电场的运行，改变了近地层的感热和潜热通量以及动量和风速，使地面空气变干，从而间接改变降水量和云量及其他气象要素[7—8]。

青藏高原风能资源丰富，发展包括太阳能、风能在内的低碳新能源，对优化高原的能源开发和经济可持续发展有重要作用。据初步测算，仅西藏年风能储量达9.3×1010kW·h，折算标煤为3365万吨。2012年，西藏那曲开建首个世界上海拔最高的风电场，计划投资5.6亿元建设，规划总容量49.5 MW，安装33台1500 kW风力发电机组。在西藏“十三五”规划中还将在山南、日喀则布局风电场。青海的风能资源仅次于西藏，部分区域属于风能可利用区，近些年来也在大力发展风光互补的能源开发。青藏高原风电场的建设，就相当于在对流层中层施加一个动力和热源扰动，强迫大气环流产生一定的能量波动传输，进而对我国气候产生一定的影响。本文对青藏高原不同区域、不同粗糙度的改变进行了敏感性模拟研究，旨在了解青藏高原风电场的开发对我国气候变化的影响作用。

1 模式简介及试验设计

模式中描述粗糙度的主要有3个变量，动力学粗糙度、热力学粗糙度和潜热粗糙度，它们是影响地表通量、感热和水汽通量的发生发展、表征地气之间物质和能量交换过程的重要参数[13—18]，一般情况下，模式中设定这3个参数是相等的。为了解青藏高原不同区域风电场开发对我国气候变化的影响，本文选择了2个不同的区域，进行了不同粗糙度改变的敏感性模拟试验。

1.1 1.5倍试验

依据来自德国风能协会给出的地面粗糙度等级及粗糙度长度对能源影响的比例。1.5倍粗糙度的地面特征是可以有一些房屋和高8 m但距离超过1 km的灌木、树木等的田野，这种情况比较适合青藏高原的实际情况。选择青藏高原主体区域范围（85°～100°E，30°～36°N）进行两组不同粗糙度改变敏感性试验，一是改变所有粗糙度，即动量、感热、潜热粗糙度均增加1.5倍（SEN1.5），二是仅动量粗糙度增加为原来的1.5倍，其他粗糙度保持不变（SEN1.51）。

1.2 5倍试验

5倍粗糙度是设计了一种极端情况下的敏感性试验。青藏高原偏北区域（89°～103°E，35°～39°N，主要包括青海省），进行动量、感热、潜热粗糙度均增加5倍（SEN5.0）和动量粗糙度增加5倍、感热和潜热粗糙度保持不变（SEN5.1）的两组敏感性试验。

2 模拟结果

因为只改变动量粗糙度和改变所有粗糙度在中国区域产生的气候变化趋势基本一致，所以前两部分主要讨论3种粗糙度同时改变的模拟结果，第3部分将专门讨论两组试验的差异。

2.1 1.5倍粗糙度试验

与CTL试验结果相比，由于试验区域粗糙度的改变，使得中国区域的气候分布发生了明显的变化（图1）。青藏高原年平均气温有明显的降低，尤其冬季降低的区域最大，降温幅度也是最大的，最大降低0.8℃。其他地区则有明显的季节变化，华北和新疆地区，夏季表现为降温，冬季则为明显的升温，华北地区升温可达0.6℃以上，塔里木盆地增温会达到1℃以上。

全国范围内，冬季降水没有明显变化。降水的变化主要集中在夏季，高原东部地区降水明显较小，华北北部和东北南部降水有所增加，最大增加幅度可以达到1 mm/d以上。

在青藏高原粗糙度改变区域的感热通量总体表现为减少。华北北部和南部地区的感热动量呈现为夏季减小，冬季增加；而西南地区夏季则明显增加。潜热通量的变化夏季比较明显，华北北部和南部地区增大，内蒙古中东部、四川盆地以及青藏高原粗糙度改变区域表现不同程度的减少（图2）。

图1 1.5倍粗糙度试验模拟中国区域气温和降水变化

由于青藏高原粗糙度的改变，大气环流场也发生了明显的变化。500 hPa位势高度场上最显著的特征出现在夏季，我国西部和东北地区平均高度场降低，南方地区升高。冬季除了东北地区高度场依然偏低之外，35°N以南地区高度场也明显降低，华北和新疆地区是升高的。对500 hPa位势高度场的年平均而言，青藏高原和西南地区以及40°N以北地区高度场明显降低，而华北地区略有增高。对流低层850 hPa的年平均水汽变化不明显。华北地区夏季水汽明显增大，而华中、华南地区冬季的水汽减少比较明显（图 3）。

油环的材质有的是采用特氟龙材质(比如图1的09GTF80/81变速器)，而有的则采用更为昂贵的PEEK材质和高温下高度耐磨的TORLON材质，普通后市场的副厂件很难有相对应的廉价替代品。如图2所示6L45/6L50系列油泵定子轴上的密封油环就采用了硬度很高的PEEK材质，因为这个部位会发生高转速的摩擦。

2.2 5倍粗糙度的试验

对2 m气温而言，年平均气温在东北、内蒙古、和我国东部长江以北以及青藏高原地区气温呈现明显的降低趋势，长江以南地区气温的季节性差异非常显著，冬季降低，夏季增高，华北局部地区夏季气温也有升高趋势（图4，图5）。

粗糙度的改变，只是对夏季降水有影响，影响最显著的地区出现在华北中北部和东北南部地区，夏季降水明显减少，长江以南局部地区也有减少趋势。

图2 1.5倍试验模拟中国区域潜热变化（a年；b夏季；c冬季）

图3 1.5倍试验模拟中国区域500 hPa高度场变化（a年；b夏季；c冬季）

图4 5倍试验模拟中国区域气温（a、b、c依次为年、夏季和冬季平均）

图5 5倍试验模拟中国区域降水（a、b、c依次为年、夏季和冬季平均）

无论冬夏季，青藏高原局部地区感热通量均表现为减小，对夏季感热通量的影响最大的地区出现在华北和东北南部以及长江中下游以南地区，感热通量增大。高原的东部地区冬季的感热通量增加明显。夏季的潜热通量变化比较大，华北和东北南部以及长江中下游以南局部地区减小明显（图6）。

年和冬季平均的500 hPa环流场变化表现为西高东低的特征，东部地区明显偏低，新疆和青藏高原南部偏高。而夏季则表现出南高北低的变化特征，35°N以北的中高纬度地区明显降低，以南则显著的升高（图 7）。

850 hPa夏季平均水汽含量在华北、黄淮地区减小非常显著，而冬季的南方地区水汽输送也明显减少。

2.3 不同粗糙度试验的比较

因1.5倍和5倍粗糙度变化的模拟结果差异较小，这里只讨论了5倍粗糙度改变而引起的模拟结果的差异。

图8是动量粗糙度增加5倍（SEN5.1）与3种粗糙度均增加5倍（SEN5.0）的夏季降水和冬季气温的模拟结果差值场分布。很明显，只改变动量粗糙度时，长江以南地区夏季感热通量减小，低层水汽增加，降水率增大，试验区域和东北地区东部感热增大，降水减少，与粗糙度全部改变的模拟结果相比，华北北部地区降水的减少主要是热力粗糙度的改变引起的，说明青藏高原热力场扰动对我国华北地区的夏季降水会产生明显的影响。而我国南方地区降水的增加则主要是由青藏高原动力场的扰动产生的气候效应。

图6 5倍试验模拟中国区域潜热变化（a年；b夏季；c冬季）

图7 5倍试验模拟中国区域500 hPa高度环流场变化（a年；b夏季；c冬季）

图8 不同粗糙度下中国区域夏季降水（a）和冬季气温（b）差值分布模拟

青藏高原动力场的扰动，会造成了长江以南地区冬季气温明显升高，但与粗糙度全改变相比，热力场的扰动造成的冬季气温的降低更显著一些。

3 结论

通过改变青藏高原不同区域地面粗糙度（包括动量粗糙度、感热粗糙度、潜热粗糙度），发现青藏高原动力场和热力场的改变对中国区域的气候变化都会产生比较明显的影响，具体表现在：

（1）青藏高原气温会有明显的降低。粗糙度越大，东部大部地区冬季降温就会越明显，1.5倍粗糙度改变时，华北和新疆地区的冬季气温则明显偏高，而夏季长江以南地区气温都会相对升高。

（2）青藏高原上不同区域粗糙度的改变会影响中国不同区域夏季降水的分布，1.5倍粗糙度改变时，青藏高原东部地区降水减少，华北北部地区降水增加，但高原北部地区粗糙度增大，会使华北地区降水明显减少。

（3）随着青藏高原粗糙度的增大，长江以南地区冬季850 hPa水汽输送明显减小，而华北地区夏季的水汽输送则显著减少。

（4）青藏高原热力场扰动会使华北地区的夏季降水明显减少，而动力场的扰动会引起南方地区夏季降水的增加。同样，青藏高原动力场的扰动，会造成长江以南地区冬季气温明显增加，但热力场的扰动造成的冬季气温的降低更显著一些。

本文只是用全球大气环流模式模拟了由于青藏高原粗糙度的改变可能会引起的中国区域气候变化的影响，通过模拟分析可以肯定青藏高原风电场的开发对我国的气候变化是有一定影响的，要想进一步了解青藏高原不同规模的风电场开发对我国不同区域带来的各气象要素的变化，还有待用更精细化的中尺度区域模式进一步模拟研究。

致谢：对吴统文、王在志、张杰在模式调试和试验设计中的有益讨论和帮助表示诚挚谢忱!