Science述评：如果把整个撒哈拉沙漠建成风能太阳能发电场会改变气候么？

Science述评：如果把整个撒哈拉沙漠建成风能太阳能发电场会改变气候么？

,,　　随着世界经济的持续增长，以及各个国家对应对气候变化、控制空气污染的政策响应，可再生能源在能源结构中的比例将会持续增加。在所有的可再生能源中，太阳能和风能具有可开采能量巨大、清洁安全、取之不尽等特点，是替代化石燃料的重要手段，能够减少二氧化碳排放，减缓全球气候变暖，成为最可能解决人类未来能源需求的可再生能源种类。

　　,,根据犹他大学经济系李民骐教授2018年6月发布的《World Energy 2018-2050: World Energy Annual Report》，到2050年风能和太阳能的全球装机量将会是2017年的15倍左右，将会是增长最快的新能源种类。太阳能和风能也有其自身的缺点，尤其是这二者的能量密度都比较低，需要从很大的面积上收集能源，必然占用大量的土地，如果要成为未来世界的主要能量源，则至少要占用数百万平方公里的土地。

　　撒哈拉沙漠作为世界上最大的沙漠，风能和太阳能极其丰裕，居民稀少，天然适合大规模建设风能和太阳能发电场。在撒哈拉沙漠及南边缘的萨赫勒地区投资兴建风能和太阳发电场一方面能满足欧洲、中亚等主要能源消耗区的电力需求，另一方面能够改善毗邻萨赫勒地区的经济和宜居状况。

　　这是设想中的一个极其巨大的工程，撒哈拉沙漠东西长达4800千米，南北宽度1800千米，面积达900多万平方千米，而其南侧的萨赫勒地区是沙漠与热带草原的过渡带地区，面积也达300多平方千米，两片区域包含了北非和西非的主要国家，涉及人口总数至少在1.5亿以上。这项工程如果能够成功实施，正常情况下，风电和太阳能发电将分别产生3TW和79TW的电能（TW，太瓦，一万亿瓦），这些电能将足够满足到2100年的全球能源需求。

　　数百甚至数千万平方公里的土地表面状况的改变，极有可能影响到区域甚至大尺度大气环流和气候特征，产生意料之外的影响。本期Sciences杂志上，Yan Li等合作发表了研究论文[1]，围绕在撒哈拉沙漠兴建风能和太阳能电场可能带来的气候影响开展模拟研究，具有重要的现实意义。

　　大规模兴建风能或太阳能电场会改变地表特征（例如粗糙度和反照率等），可能对局地和全球气候产生意料之外的影响。这本身并不是一个新问题，但是以往的研究没有考虑植被对气候的反馈过程，而该反馈过程可能最终完全改变风能和太阳能电场在兴建之初的气候影响。

　　本文作者采用一个考虑动态植被的气候模式模拟了在撒哈拉沙漠和邻近萨赫勒地区大规模兴建风能和太阳能发电场对局地地表气温和降水产生的影响（图1）。他们的数值试验表明，风能发电场会令该地区表面气温上升2.16K，降水量翻倍（约增加0.25毫米/天），风速减弱约36%；太阳能电场对气温和降水影响类似于风能发电场，但量值较小，且对风速的影响很小。如果风能和太阳能发电场同时建设，气候影响会进一步放大，表面气温将升高2.65K，降水量将增加150%。考虑到萨赫勒地区的年降水量仅有200毫米，如果降水增加大到500毫米，这种幅度的变化，会根本改变这一区域的生态、环境和社会形态。

　　图1.撒哈拉沙漠和南侧萨赫勒地区进行大规模风能（A和B）、太阳能（B和C）以及共同风能太阳能风场建设引起的地表气温（左侧）和降水（右侧）变化。

　　作者指出，风能和太阳能发电场影响局地气候的关键过程是“反照率-降水-植被”正反馈，这也正是以往未包含动态植被的气候模式所未考虑的。风能和太阳能发电场通过不同的触发机制建立“反照率-降水-植被”正反馈。对于风力发电站，一方面，风力发电机会增强垂直混合，将上层暖空气带到低层，令地表气温升高，产生热低压；另一方面，表面粗糙度会令风速及对应的地转科氏力减弱、朝向热低压的气压梯度力相对增大，低层辐合增强，进而使降水增加。而对于太阳能发电场，反照率降低令入射太阳辐射增大，地表气温升高，气压降低，并导致辐合上升运动，令降水增加。降水增加会令植被覆盖度、叶面指数等增大，并进一步导致反照率的减小，“反照率-降水-植被”正反馈建立。

　　作者也指出，该模拟研究做出的诸多假设，可能影响结论。例如，当前光伏设备能量转化率低（约15%），会令反照率降低（沙漠地区原始条件下反照率极高）。但是未来，随着技术进步，能源转化率增大（提高到至少30%以上），反而可能导致反照率增大，从而产生完全相反的气候影响。另一方面，该研究所用的模式分辨率较低。如果风能和太阳能电场的规模小于模式网格的尺度，结论是否存在变化尚不清楚。

　　作者补充做了其他的实验，比如把风力和太阳能发电场搬到世界上其他的沙漠地区，结果并没有显著的气候影响。这可能是因为其他地区沙漠的地理分布、尺寸大小、反照率变化较小等因素。因此要评估小尺度、其他区域的气候影响，可能还需要进一步的深入研究，需要更先进的高精度全球或者区域气候模式。

　　尽管存在某些不确定性，但该研究为减缓全球变暖提供了现实可行的思路。如果我们在撒哈拉沙漠兴建足够满足目前全球所需能源的风能和太阳能发电场，它可能导致的升温将远远低于同等化石燃料燃烧排放温室气体所导致的升温。除此之外，风能和太阳能发电场还能为沙漠干旱地区带来更多降水和植被。

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　　全球气候正在以一种不可思议的速度变化着，地球能源的收支平衡被打破，由于日益严重的温室效应，地球从太阳所获得的能量超过了返还太空的能量。海洋所含的热量在增加，地球表层和大气层的温度在升高，中纬度的冰川在融化，海平面持续上升，北冰洋的冰盖正在消失，这些说法都不是理论推断而是基本事实。本书紧跟气候变化科学研究前沿，同广大读者一起探讨当前全球面临的能源与气候变化问题，论述高屋建瓴，深入浅出。在全面探讨化石能源（煤、石油、天然气）的开发与使用对环境与气候变化影响的基础上，着重阐述未来多种低碳能源（核能、风能、太阳能、水能、地热和生物能）的前景与面临的挑战。此外，还特别比较了中、美两个能源大国的能源体系，阐明了两国在应对全球气候变化的挑战中的关键地位。最后，为全球能源系统提出了持续、低碳的未来发展路径，为我们重新审视中国的能源战略和发展模式提供借鉴。