轉(zhuǎn)自：中國科學報

一項最新研究指出，氣候全球氣候變暖已不再是變暖“未來風險”，而是受害事實正“事實性地”給我們的生產(chǎn)生活帶來威脅。在該研究中，新研性威脅最新的已帶受害者是海上風電。

這項由南方科技大學教授曾振中課題組、氣候?qū)幉|方理工大學助理教授陳云天團隊與合作者共同開展的變暖研究顯示，亞洲與歐洲超過一半已建及規(guī)劃中的受害事實海上風電場正面臨極端風況的危險，其中與風機載荷相關(guān)的新研性威脅極端風速在全球68%的沿海區(qū)域呈現(xiàn)顯著上升趨勢。11月5日，已帶該研究成果在《自然—通訊》發(fā)表，氣候同時被編輯部選為亮點文章（highlight）。變暖

“我們研究發(fā)現(xiàn)，受害事實全球海洋及海岸線區(qū)域中，新研性威脅超過60%的已帶區(qū)域極端風速呈現(xiàn)顯著上升趨勢。而這一趨勢與全球變暖導致的氣旋活動變化密切相關(guān)?！闭撐牡谝蛔髡?、香港理工大學與寧波東方理工大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生趙雅楠在接受《中國科學報》采訪中表示：“這不僅是數(shù)據(jù)上的風險，更是現(xiàn)實中的隱患。”

一個前人不曾深究的課題

2024年9月，臺風“摩羯”襲擊海南文昌。在強力臺風之下，當?shù)匾伙L電項目發(fā)生多臺風機倒塌事故，經(jīng)濟損失高達數(shù)億元。這一事例表明，科學評估現(xiàn)有及規(guī)劃中的風電場能否應對極端風速至關(guān)重要。

關(guān)于“極端風速”的標準，國際電工委員會（IEC）依據(jù)“五十年重現(xiàn)期風速”（即五十年一遇的極端風速）對風機進行等級劃分，并要求各等級風機需具備承受其運營位置風速的能力。根據(jù)標準，I類、II類和III類風機的最大設計極限風速分別為50米/秒、42.5米/秒和37.5米/秒。

趙雅楠告訴《中國科學報》，在開展相應研究分析之前，研究團隊注意到已有多篇文獻直接或間接指出極端風速正在增強。例如，2019年澳大利亞一個研究團隊通過遙感觀測的高度計和散射計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，90分位數(shù)的風速呈現(xiàn)顯著上升趨勢。此外，近十幾年來關(guān)于臺風的研究也顯示，盡管臺風頻次未見顯著增加，但其強度有所增強。

“這些現(xiàn)象引發(fā)了我們的思考：在氣候變化背景下，用于風機設計載荷的風速是否已經(jīng)發(fā)生變化？當前乃至未來的風機是否足以抵御日益加劇的極端風速事件？”趙雅楠說，帶著這些思考，他們一頭扎進過去80多年（1940年~2023年）的逐小時風速數(shù)據(jù)中。

他們發(fā)現(xiàn)，全球海洋范圍內(nèi)極端風速的長期變化趨勢和空間差異，是一個前人不曾深究的課題。

“現(xiàn)實情況可能更嚴峻”

基于1940年~2023年逐小時風速數(shù)據(jù)，研究團隊系統(tǒng)分析了全球海域的時空變化。

他們發(fā)現(xiàn)，五十年一遇的極端風速（U50）在全球36.70%的海域已超過III類風機設計標準，并在68%的海域呈現(xiàn)顯著上升趨勢；而在離岸100公里范圍內(nèi)的沿海區(qū)域，16.49%的區(qū)域超過III類標準，11.25%和0.62%的區(qū)域分別超過II類和I類標準。

“極端風速增強的區(qū)域非常廣泛，這令我們感到非常意外。”趙雅楠對《中國科學報》說，這些區(qū)域許多也是各國部署海上風電較為集中的區(qū)域，如我國浙江、福建、海南沿岸，歐洲西北側(cè)海岸線以及美國東部海岸線。因此研究團隊提出，相關(guān)區(qū)域有必要提前部署更高等級的風機，并加強對現(xiàn)有風機在極端風況下的監(jiān)測與防護。

趙雅楠告訴記者，由于再分析數(shù)據(jù)的網(wǎng)格平滑效應，該研究對臺風頻發(fā)海域的極端風速仍然有顯著低估。這意味著，已建成和正在規(guī)劃中的海上風機系統(tǒng)，能達到I類風機設計閾值（需I類風機才能抵御）的區(qū)域占比不足1%。

“現(xiàn)實情況可能更為嚴峻?！壁w雅楠對記者說，受數(shù)據(jù)時間分辨率的限制，團隊對臺風頻發(fā)海域的極端風速估計可能偏低。因此，“這些結(jié)果實際上趨于保守”。

為此，陳云天及合作者表示，該研究為極端風速對海上風電場影響的初步探討，針對具體風場項目仍需開展更深入的分析。他們建議在風場建設與規(guī)劃中引入動態(tài)風險評估機制，推動適用于不同氣候區(qū)域的本地化設計規(guī)范，以增強在極端天氣中風機的結(jié)構(gòu)完整性與運行可靠性。

“當全球有超過半數(shù)的海上風場位于極端風速顯著增強的區(qū)域，這說明僅依賴歷史數(shù)據(jù)進行風機選址和選型已存在明顯局限?！标愒铺煺f，考慮到風機的設計使用年限通常為20年，建議在未來的風場規(guī)劃中要充分參考對未來極端風況的預測。

“當然，這也凸顯了開發(fā)相應預測模型的緊迫性”。他說道。

值得一提的是，我國在風機抗臺風技術(shù)方面已走在國際前列。據(jù)了解，我國目前已設計并投產(chǎn)的抗臺風風機，其標準已達到70m/s。例如，明陽智能在廣東陽江布設的風場，就在今年9月成功經(jīng)受住了超強臺風“樺加沙”的考驗。這表明，我國在技術(shù)上完全具備支撐海上風電持續(xù)發(fā)展的能力，也為應對未來氣候風險提供了可行的技術(shù)路徑。

氣候變暖“難逃干系”

趙雅楠告訴記者，處理和分析連續(xù)83年的全球網(wǎng)格逐小時風速數(shù)據(jù)，過程并不容易。由于數(shù)據(jù)規(guī)模很大，從下載到完成五十年一遇極端風速趨勢的計算，完成整個過程耗時了一個多月——這還不包括調(diào)試代碼、多次計算等的時間成本。

因此，研究團隊并沒有將分析研究僅停留在現(xiàn)象層面，而是進一步關(guān)聯(lián)了氣旋活動變化，嘗試探究極端風速增長的氣候機制。

已有研究表明，超過80%的極端風速事件是由熱帶氣旋（如臺風）和溫帶氣旋引起的。趙雅楠告訴記者，他們在數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，盡管目前每年臺風的總數(shù)量并未顯著增加，但在全球氣候變暖的背景下，強臺風的發(fā)生頻率明顯上升。結(jié)合前人研究結(jié)果，該團隊認為，該趨勢與氣候變暖背景下氣旋強度變化密切相關(guān)。

“具體來說，氣候變暖導致海洋表層溫度升高，進而通過增強潛熱釋放等物理過程，使得氣旋系統(tǒng)獲得更多能量，最終導致其強度增強?！壁w雅楠告訴記者，這一機制直接關(guān)聯(lián)到海上風機等結(jié)構(gòu)所面臨的極端風速風險增加。

《自然—通訊》同期發(fā)布的亮點文章評析中也寫道：該研究的創(chuàng)新之處在于，首次大規(guī)模量化了極端風速變化與不同等級海上風機的適配關(guān)系，填補了“氣候變化影響—風電設施耐受度”的研究空白。

這項研究的意義還在于，再次明確了氣候不受控的變化（如氣候變暖）所帶給人們的威脅已悄然而至、兵臨城下。

“氣候風險特別是日益增強的極端風速事件，正顯著提高清潔能源的成本并影響其供應的穩(wěn)定性?！弊鳛橥ㄓ嵶髡咧坏脑裰姓f，具體到這篇論文所呈現(xiàn)的信息，已建風場若因低估極端風速而選用了標準較低的風機，將面臨極高的倒塌風險。風機造價和鋪設成本高昂、倒塌可能導致上千萬甚至超億元的經(jīng)濟損失還只是一方面，未來海上風場的運營成本提升、供電中斷給能源穩(wěn)定構(gòu)成的威脅等等，都將是人類自己買單。

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