您位于: 首页 / 重现蓝天 / 科学普及 / 没有大风吹走雾霾,是因为?

没有大风吹走雾霾,是因为?

已发布 2016-03-30 14:30, 上次修改时间: 2016-03-30 14:30

对于雾霾,一场大风应该是驱散雾霾最简单粗暴的办法。可问题就在于,没有风,或者说风小了。

 2.jpg

说起来,北京的风原来也是挺有名的,尤其是冬天的西北风

还有春天的沙尘暴

小编不只一次的听到南方朋友吐槽,“你们北京的风太大了!”

但是最近几年感觉风似乎变小了,沙尘暴是少了很多,但是吹不散的雾霾却多了起来。 

北京的风真的变小了?

气象局给出的数据说的很明白,北京的风是小了!中国气象局国家气候中心首席科学家姜彤曾在采访中表示,从上世纪70年代至今,北京城内的风速呈现整体下降趋势,平均每年下降0.014米每秒,其中以冬、春季节尤为明显。另有分析显示,将北京1993-2002年与2003-2012年两个10年间的1月份风力资料进行比对,年均1月风速从2.5米每秒,减至2.3米每秒;相应的,雾霾天日数从2.1天升至4.4天,霾日则从0.8天升至3.9天。

中国气象局的专家们则表示,风是由气压差产生的。风小了是因为冷空气系统变弱了。但是北京风力减弱的现象并不是个案。事实证明,在地球的另一边,美国的风也小了。美国科学家发布的研究报告显示,自1973年以来,美国的平均风速和最大风速均出现了明显下降。某些中西部地区,风速甚至在10年内减缓超过10%。计算机模拟更显示,未来40年内美国风速还将下降10%。

涨姿势了,原来全世界的风都在变小!但同时也有人提出,北京的风力减弱似乎比其他地方都要快一些。

北京的风为什么会变小?

其实,关于北京的风为什么变小了这件事,小编听到了下面几种说法:

说法一:三北防护林阻挡了北京的风

这种说法认为三北防护林虽然阻挡了风沙,但是也导致了北京的风变弱,导致雾霾无法被吹散。

但是防护林带的主要作用是固定沙地,保持水土,减缓风蚀,降低扬尘。它能防的风只是地面上非常浅薄的地表风,诶,其实防风的实际效果也不怎么样,顶多就算是减缓的风速。

说法二:内蒙古的风电场偷走了北京的风

这种说法源自于一个巧合,京津冀地区雾霾天气的快速增加大概是从2008年前后开始的,以北京为例,根据2008年4月至2014年3月收集到的PM2.5数据显示,2028天当中,“非常不健康”天数约有311天,“有毒害”天数约94天,大大高于往年。而这段期间,位于京津冀地区冬季风上风向的内蒙古风电也迅速发展,装机容量从2007年底的58万千瓦,发展到2013年的1848.86万千瓦,短短几年内暴增近32倍,跃居全国第一。

这么巧?莫非是内蒙古的风电场偷走了北京的风?同理推断,2013年底,全市风电装机容量已经达到585万千瓦的“中国风电第一市”张家口也脱不了关系了。

这些说法看起来还挺有道理的,都是真的吗?

风电场真的能偷走风吗?

风电场可以“偷”风是真的。只是“偷”的量可以忽略不计,造成的影响也是很有限的。

风电场产生的电能都是从风能来的,按照能量守恒定律,发的电多了,风自然就弱了。那就是说内蒙古风电场确实在一定程度上偷走了北京的风了?错了!这种说法虽然看起来逻辑合理、证据充分,但那是误导我们这些普通人的!美国国家可再生能源实验室(NREL)的专家们表示,这太荒谬了!在这些这些研究过气象和全球风资源的专家们眼里,这根本不是一个量级的事情!

美国斯坦福大学Maria团队的研究显示,即使把全球所有的能源需求都换做风能,大气层1km以下的能量损失也只有0.006-0.008%,这样看来,不要说内蒙古一个省,哪怕是整个西北地区的风电场造成的风能损失,损失量有多大大家应该心里有数。

气象学家Robert Vautard团队,对欧洲2012年全部风力发电场以及未来(至2020年)即将建设的风力发电场,进行了测定,该结果作为通讯文章发表在《Nature》上。结论显示,风力发电场对气候产生的影响非常微小,甚至不如自然气候本身的变率大。

说白了,风电场带来的风力消耗小的可以忽略不计! 

有人会说,虽然风场对风资源的消耗可以忽略不计,但是风机运转时产生的尾流效应确实会造成风速下降啊。

什么是尾流?什么是尾流效应?

当风进入风机叶片旋转区域部分后会驱动叶片转动产生电力,同时在风机的下风向会形成所谓的低风速“尾流区”,就像在赛车比赛中,如果能够紧跟前面的车辆,就能减小自己所承受的空气阻力,从而获得极高的速度一样。而且这种尾流效应会逐步随风扩散影响到更远的下风向的风速。但是就如同飞机飞过后拉出的白线会随着距离的增大而逐渐消失一样,尾流效应的影响范围也是有限的,而且地形和地表类型都会对尾流效应的影响范围产生影响。

这位懂一点风电的朋友请注意,目前,最高的陆上风机的塔筒也就160米左右。

但是能吹散雾霾的可不是地表上方一二百米的风就能管用的。以去年年底吹散北京的雾霾的强冷空气为例,那次冷空气的厚度至少也在1000米以上。

而且,除了高度问题,尾流效应影响的范围也是有限的。远景能源副总经理王晓宇博士做了一个形象的比喻,把手指竖直地伸入湍急的小溪,在距离手指几厘米的范围内,溪水的速度会减缓,但在远一些的地方,流速又会得以恢复。风电场的风机,就好比这根伸进水中的手指,只能在一定范围内改变下风方向的风速。

最近小编又注意到一份由美国国家可再生能源实验室(NREL)和远景能源的专家们一起编写的《内蒙古的风电场会影响北京的空气质量吗》白皮书(下称《白皮书》)。和以前的逻辑推理不同,这份《白皮书》直接用实地观测和仿真模拟得出的数字和事实证明了风场带来的尾流效应影响范围约在30km-60km左右。内蒙古风场也好,张家口风场也好,都距离北京市区超过100km,所以这些风场真的和北京的风变小,和北京雾霾没关系!

小编简单列举了《白皮书》中的几个实验案例,希望能帮助大家理解尾流对风的影响。 

案例一

在北海南部165Mw Belwind海上风场的观测案例,结果显示,距离地表10米的风速在风场下风方向55公里的范围内存在尾流,而在下风向30公里处,尾流区的风速减小幅度几乎与背景气流的自然变化幅度大小相当。

考虑到海上尾流衰减的速率远小于陆上尾流,以及内蒙古和北京交界处的眼上太行山这样复杂的地形,内蒙古风场带来的尾流影响范围应该会更小。这一实际观测结果也验证了此前有关学术研究中尾流效应的影响范围大约为30-60公里的结论。

 4.jpg

案例二

通过在平坦草原的仿真中增加拖曳的方式,在夜间稳定条件下测得在距离风场下风向60公里处尾流中风速比环境风速减小(10%)同时,风速的减小局限于比风机本身高约100米的大气底层。

和夜间相比,在空气对流影响下,尾流的影响范围在白天将进一步减小。而这样的风速减弱在进入内蒙古和北京交接处的燕山和太行山区域后,会快速与山地引起的复杂气流进行混合,尾流对风速的改变几乎可以忽略不计。

 5.jpg

案例三

在欧洲的大陆量级仿真研究中,研究者发现,5倍于目前内蒙古的装机容量会使平均大气环流发生变化,并使得局部地区冬季气温和降水发生微弱变化(温度变化0.3K,降水变化0.15毫米),对夏季的影响则更加微弱。在地形平坦的的欧洲大陆,即使在风场周边,在尾流影响最强的冬季(12月-次年2月)距离10米处的风速减小也小于0.1m/s。

6.jpg

以上图片均来自远景能源和美国国家可再生能源实验室(NREL)联合发布的《内蒙古的风电场会影响北京的空气质量吗》白皮书

对于内蒙古与北京周边这样的复杂地形,预计风场开发对与风速的影响也会与此相似。

看过上面这三个不明觉厉的实验结果,不知道大家明白了吗?其实不明白也是可以的,只需要记住一个结论就行,内蒙古风电场对北京的风变小和雾霾增加都没有贡献。