Science述評：如果把整個撒哈拉沙漠建成風能太陽能發電場，會改變氣候么？

中科院青促會 吳波、魏科

（中國科學院大氣物理研究所）

評述論文：Climate model shows large-scale wind and solar farms in the Sahara increase rain and vegetation(Science 7 September 2018: Vol 361, Issue 6406）

圖片來源：Pexels

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風能和太陽能是未來重要的能源來源

隨著世界經濟的持續增長，以及各個國家對應對氣候變化、控制空氣污染的政策響應，可再生能源在能源結構中的比例將會持續增加。在所有的可再生能源中，太陽能和風能具有可開採能量巨大、清潔安全、取之不盡等特點，是替代化石燃料的重要手段，能夠減少二氧化碳排放，減緩全球氣候變暖，成為最可能解決人類未來能源需求的可再生能源種類。

根據猶他大學經濟系李民騏教授2018年6月發布的《World Energy 2018-2050: World Energy Annual Report》，到2050年風能和太陽能的全球裝機量將會是2017年的15倍左右，將會是增長最快的新能源種類。太陽能和風能也有其自身的缺點，尤其是這二者的能量密度都比較低，需要從很大的面積上收集能源，必然佔用大量的土地，如果要成為未來世界的主要能量源，則至少要佔用數百萬平方公里的土地。

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興建風能和太陽能電場的氣候效益

撒哈拉沙漠作為世界上最大的沙漠，風能和太陽能極其豐裕，居民稀少，天然適合大規模建設風能和太陽能發電場。在撒哈拉沙漠及南邊緣的薩赫勒地區投資興建風能和太陽發電場一方面能滿足歐洲、中亞等主要能源消耗區的電力需求，另一方面能夠改善毗鄰薩赫勒地區的經濟和宜居狀況。

這是設想中的一個極其巨大的工程，撒哈拉沙漠東西長達4800千米，南北寬度1800千米，面積達900多萬平方千米，而其南側的薩赫勒地區是沙漠與熱帶草原的過渡帶地區，面積也達300多平方千米，兩片區域包含了北非和西非的主要國家，涉及人口總數至少在1.5億以上。這項工程如果能夠成功實施，正常情況下，風電和太陽能發電將分別產生3TW和79TW的電能（TW，太瓦，一萬億瓦），這些電能將足夠滿足到2100年的全球能源需求。

數百甚至數千萬平方公里的土地表面狀況的改變，極有可能影響到區域甚至大尺度大氣環流和氣候特徵，產生意料之外的影響。本期Sciences雜誌上，Yan Li等合作發表了研究論文[1]，圍繞在撒哈拉沙漠興建風能和太陽能電場可能帶來的氣候影響開展模擬研究，具有重要的現實意義。

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考慮動態植被的氣候模式模擬的風能和太陽能發電場局地氣候影響

大規模興建風能或太陽能電場會改變地表特徵（例如粗糙度和反照率等），可能對局地和全球氣候產生意料之外的影響。這本身並不是一個新問題，但是以往的研究沒有考慮植被對氣候的反饋過程，而該反饋過程可能最終完全改變風能和太陽能電場在興建之初的氣候影響。

本文作者採用一個考慮動態植被的氣候模式模擬了在撒哈拉沙漠和鄰近薩赫勒地區大規模興建風能和太陽能發電場對局地地表氣溫和降水產生的影響（圖1）。他們的數值試驗表明，風能發電場會令該地區表面氣溫上升2.16K，降水量翻倍（約增加0.25毫米/天），風速減弱約36%；太陽能電場對氣溫和降水影響類似於風能發電場，但量值較小，且對風速的影響很小。如果風能和太陽能發電場同時建設，氣候影響會進一步放大，表面氣溫將升高2.65K，降水量將增加150%。考慮到薩赫勒地區的年降水量僅有200毫米，如果降水增加大到500毫米，這種幅度的變化，會根本改變這一區域的生態、環境和社會形態。

圖1.撒哈拉沙漠和南側薩赫勒地區進行大規模風能（A和B）、太陽能（B和C）以及共同風能太陽能風場建設引起的地表氣溫（左側）和降水（右側）變化。

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「反照率-降水-植被」正反饋機制

作者指出，風能和太陽能發電場影響局地氣候的關鍵過程是「反照率-降水-植被」正反饋，這也正是以往未包含動態植被的氣候模式所未考慮的。風能和太陽能發電場通過不同的觸發機制建立「反照率-降水-植被」正反饋。對於風力發電站，一方面，風力發電機會增強垂直混合，將上層暖空氣帶到低層，令地表氣溫升高，產生熱低壓；另一方面，表面粗糙度會令風速及對應的地轉科氏力減弱、朝向熱低壓的氣壓梯度力相對增大，低層輻合增強，進而使降水增加。而對於太陽能發電場，反照率降低令入射太陽輻射增大，地表氣溫升高，氣壓降低，並導致輻合上升運動，令降水增加。降水增加會令植被覆蓋度、葉面指數等增大，並進一步導致反照率的減小，「反照率-降水-植被」正反饋建立。

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結論的不確定性

作者也指出，該模擬研究做出的諸多假設，可能影響結論。例如，當前光伏設備能量轉化率低（約15%），會令反照率降低（沙漠地區原始條件下反照率極高）。但是未來，隨著技術進步，能源轉化率增大（提高到至少30%以上），反而可能導致反照率增大，從而產生完全相反的氣候影響。另一方面，該研究所用的模式解析度較低。如果風能和太陽能電場的規模小於模式網格的尺度，結論是否存在變化尚不清楚。

作者補充做了其他的實驗，比如把風力和太陽能發電場搬到世界上其他的沙漠地區，結果並沒有顯著的氣候影響。這可能是因為其他地區沙漠的地理分布、尺寸大小、反照率變化較小等因素。因此要評估小尺度、其他區域的氣候影響，可能還需要進一步的深入研究，需要更先進的高精度全球或者區域氣候模式。

儘管存在某些不確定性，但該研究為減緩全球變暖提供了現實可行的思路。如果我們在撒哈拉沙漠興建足夠滿足目前全球所需能源的風能和太陽能發電場，它可能導致的升溫將遠遠低於同等化石燃料燃燒排放溫室氣體所導致的升溫。除此之外，風能和太陽能發電場還能為沙漠乾旱地區帶來更多降水和植被。

參考文獻：

1. Yan Li, et al. Climate model shows large-scale wind and solar farms in the Sahara increase rain and vegetation. Science, 361(6406),1019-1022.

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