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宋雪濤:難以忽視的能源真相

最新高手視頻! 七禾網(wǎng) 時(shí)間:2022-07-21 09:02:42 來源:雪濤宏觀筆記 作者:宋雪濤

氣候是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),2021年真鍋淑郎和哈塞爾曼憑借利用復(fù)雜系統(tǒng)解決氣候變化問題的開創(chuàng)性研究獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。


能源也是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),當(dāng)前全球氣候系統(tǒng)正在發(fā)生劇變,這和當(dāng)前的全球能源問題不僅緊密關(guān)聯(lián),甚至就是問題的真相。


今年夏天以來,能源成為了全球的共同問題。盡管能源問題的背后存在很多個(gè)性因素,例如供給受限、進(jìn)口收縮、疫情延誤、資本開支紀(jì)律、ESG等等。


但也存在兩個(gè)明顯的共性問題,一是高溫嚴(yán)寒帶來的能源需求增量,二是少風(fēng)缺水造成的能源供給減量。而極端天氣和少風(fēng)缺水并非獨(dú)立事件,都和氣候系統(tǒng)變化有關(guān)。


地球的風(fēng)帶是一個(gè)環(huán)形,在北緯35-65度上空有一條常年由西向東旋轉(zhuǎn)的“西風(fēng)帶”,其中心最大風(fēng)速能達(dá)到30-40米/秒以上,屬于高空急流的一種。


西風(fēng)帶分布在副熱帶高壓和副極地低氣壓帶之間,強(qiáng)度和路線受北極和中緯度地區(qū)之間的溫差推動(dòng),南北溫差越大速度越快,氣流路線越趨于直線。


西風(fēng)帶環(huán)繞在中緯度地區(qū),包裹著北極漩渦,將冷空氣緊緊地禁錮在極區(qū)內(nèi)。如果把極地比作一個(gè)巨大的“羊圈”,那么西風(fēng)帶就是“圍欄”。


正常情況下,赤道很熱,極地很冷,這種溫度差使得西風(fēng)帶自西向東沿緯線圈運(yùn)動(dòng),沒有大的波動(dòng),“羊圈”的“圍欄”非常牢。


相反,溫差越小氣流速度越慢,路線則呈現(xiàn)波浪形,冷空氣便不能再穩(wěn)固地被封鎖在北極地區(qū),容易順著大氣波的“大槽”長(zhǎng)驅(qū)南下。



由于地球氣候變暖,北極地區(qū)升溫,從赤道到北極的南北溫差減小,西風(fēng)帶變得不穩(wěn)定,流動(dòng)方向變得彎彎曲曲呈波浪狀,“圍欄”也就變得不牢固了。


這同時(shí)導(dǎo)致了兩個(gè)后果。


一是赤道與北極之間的溫度梯度減小,中緯度帶狀風(fēng)的風(fēng)速減弱,北半球西風(fēng)帶正在風(fēng)速變慢、方向紊亂。


一些學(xué)術(shù)研究指出了這個(gè)問題:


比如丁一匯等(2020)指出,近50年來中國(guó)地面風(fēng)速平均減小速率為0.10-0.22 m/s/10a,其中內(nèi)蒙古中西部、黑龍江西南部、遼寧西南—河北東北部、甘肅西北部—青海北部、新疆天山地區(qū)和南部等北方地區(qū)、浙江與福建沿海以及西藏的東南部風(fēng)速降幅較大。


邢麗珠等(2020)發(fā)現(xiàn),1961-2018年以來內(nèi)蒙古全區(qū)94%的氣象站點(diǎn)都出現(xiàn)了風(fēng)速的下降,氣候傾向率為 -0.21m/s/ 10a。


賈詩(shī)超等(2019)研究了新疆地區(qū)的風(fēng)速變化,得到的結(jié)論是新疆地區(qū)風(fēng)速隨溫度升高而降低,風(fēng)速下降最快的是準(zhǔn)格爾盆地周邊的北疆地區(qū)。



由于西風(fēng)帶的存在,北緯35-65度上集中了歐洲(從地中海到斯堪的納維亞半島)和中國(guó)(江蘇河南青海及以北地區(qū))主要的風(fēng)電場(chǎng),這一區(qū)域的風(fēng)速降幅對(duì)風(fēng)電供應(yīng)產(chǎn)生了明顯的負(fù)面影響。


今年6-7月,歐洲地區(qū)的風(fēng)電發(fā)電量合計(jì)降低了11.6%,占總發(fā)電量比重從去年同期的11.5%下降至9.8%。


根據(jù)Qun Tian等(2019)的研究,1979年至2016 年間全球73%的站點(diǎn)出現(xiàn)了風(fēng)速下降,北美、歐洲和亞洲分別約有 30%、50%和80%的電站損失了超過 30% 的風(fēng)電潛力。



我們用“風(fēng)電設(shè)備發(fā)電量/裝機(jī)容量”衡量風(fēng)電的產(chǎn)出效率,發(fā)現(xiàn)中國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)出效率近三年持續(xù)走低,其中2020年僅為1472.7h,較2018年下降了16.6%。


分地區(qū)來看,除云南外的絕大多數(shù)省份都出現(xiàn)了風(fēng)電產(chǎn)出效率的下降,其中又以北方的山西、河南、山東和寧夏最為嚴(yán)重。


考慮到2018-2020年我國(guó)風(fēng)電利用率分別為93%、96%、96.5%,說明風(fēng)電產(chǎn)出效率的下降并不是因?yàn)闂夛L(fēng)問題惡化,而可能是因?yàn)轱L(fēng)速的放緩。



二是西風(fēng)帶變得不穩(wěn)定,流向紊亂,導(dǎo)致冷空氣南移和熱空氣北移,結(jié)果是寒冷地區(qū)高溫、多雨地區(qū)干旱、少雨地區(qū)暴雨等極端天氣事件越來越頻繁。


本來地球上的高低氣壓帶是環(huán)環(huán)相套的,全球變暖導(dǎo)致熱交換放緩后,西風(fēng)帶阻塞,冷空氣南移,熱空氣北移,高低氣壓帶攪在了一起。


中心低壓、周邊高壓的地方形成了一個(gè)個(gè)“低渦”,只要高壓保持穩(wěn)定壓力并且周邊有源源不斷的潮濕空氣補(bǔ)充,這些“低渦”就會(huì)變成下雨的“漏斗”,造成極端暴雨現(xiàn)象。


今年夏天,本該緯向流動(dòng)(東西風(fēng))的北半球西風(fēng)帶環(huán)流出現(xiàn)了大量經(jīng)向流動(dòng)(南北風(fēng)),大槽大脊帶來了南北冷暖氣流的劇烈交匯,德國(guó)、美國(guó)東部和中國(guó)華北等地區(qū)都出現(xiàn)了穩(wěn)定的低渦系統(tǒng)。


以中國(guó)華北地區(qū)為例,7月偏強(qiáng)偏北的西太平洋副熱帶高壓維持在日本海地區(qū),大陸高壓維持在中國(guó)的西北地區(qū),兩者之間的低渦系統(tǒng)在黃淮地區(qū)停滯,太平洋上的臺(tái)風(fēng)煙花又提供了源源不斷的水汽,最終將一場(chǎng)史無前例的降雨灌注到了處于低渦地帶的鄭州地區(qū)。



副熱帶高壓的過度北移還造成了這些年中國(guó)“南旱北澇”的氣候現(xiàn)象。


一方面,北上的副熱帶高壓覆蓋了中國(guó)華南大部分地區(qū),使得暖濕氣流難以進(jìn)入南方腹地形成降雨,導(dǎo)致華南地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)的高溫和干旱。


另一方面,北上的副熱帶高壓在華北、東北地區(qū)和南下的強(qiáng)冷空氣碰撞,配合太平洋夏季輸送來的暖濕氣流在中國(guó)北方形成了一條持久充沛的降雨帶。


今年“南旱北澇”現(xiàn)象尤為明顯。華北多雨的時(shí)節(jié)通常為每年7月中下旬至8月上中旬,但今年9月以來北方地區(qū)降水量較常年同期偏多1.4倍,為歷史同期最多。


同期南方遭遇了罕見的連續(xù)高溫,貴州、湖南、福建、江蘇、浙江、甘肅、廣東、重慶、寧夏、江西、上海、湖北、四川、廣西和安徽15個(gè)省(市、區(qū))氣溫為1961年以來歷史同期最高。



降雨帶的北移和水電的裝機(jī)分布構(gòu)成了錯(cuò)位。


我國(guó)水電裝機(jī)容量最高的三個(gè)省是四川、云南和湖北,但今年瀾滄江和金沙江上游降雨量偏低、來水偏枯,四川、云南和湖北的水電供給明顯減少,8月水電產(chǎn)量分別同比下滑6.9%、2.8%和15.9%。


據(jù)上市公司長(zhǎng)江電力披露:今年二季度位于金沙江的云南溪洛渡水庫(kù)來水總量約130.6億立方米,較上年同期偏枯44.7%;位于長(zhǎng)江的湖北三峽水庫(kù)來水總量約887.7億立方米,較上年同期偏枯6.7%;受此影響,公司今年二季度總發(fā)電量較上年同期減少11.2%。



全球氣候系統(tǒng)悄然發(fā)生的巨大變化,正在對(duì)根據(jù)歷史氣候特征布局的全球風(fēng)電和水電設(shè)施構(gòu)成挑戰(zhàn),給全球能源供給帶來了負(fù)面沖擊。


與此同時(shí),全球氣候變暖帶來了極端天氣,極寒和高溫等異常天氣現(xiàn)象變得越來越常見,又給全球能源需求帶來了正面沖擊。


全球氣候變暖并不代表一年到頭的氣溫都會(huì)上升,而是冬天可能更冷、夏天可能更熱。


全球變暖的背景下,北極升溫速率上升了1-2倍,海冰快速融化,南北溫度差縮小。北極平流層極渦減弱,中緯度西風(fēng)帶波動(dòng)性加大,冷空氣在歐亞大陸上一路南下,形成了北半球冬季的劇烈寒潮。


今年2月俄羅斯、歐洲北部和北美洲平均氣溫較往年明顯偏低,美國(guó)得克薩斯州的寒潮造成了大規(guī)模停電,超過100名居民因此身亡。



另一方面,西風(fēng)帶的長(zhǎng)波脊不斷北伸時(shí),其與南方暖空氣的聯(lián)系可能會(huì)被南下的冷空氣所切斷,出現(xiàn)閉合的高壓脊中心。因?yàn)闅鈮狠^高,水蒸氣難以凝結(jié),高壓脊中心地區(qū)將出現(xiàn)持續(xù)的干旱和極端的高溫。


根據(jù)國(guó)家氣候中心的監(jiān)測(cè),今年6月下旬到7月上旬西風(fēng)帶出現(xiàn)了四個(gè)高壓脊,圖中的三個(gè)圓圈區(qū)域分別為歐洲、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)、北美西部上空的三個(gè)高壓脊中心,還有一個(gè)位于北大西洋。


由于高壓脊拱形越明顯,異常幅度越大,今年歐洲大部、俄羅斯東部、北美西部氣溫均較常年異常偏高,其中北美西風(fēng)帶高壓脊又和北擴(kuò)的東太平洋副熱帶高壓結(jié)合在一起,形成了非常強(qiáng)的阻塞高壓,加劇了今年加拿大和美國(guó)西北部的極端高溫。



更大的問題是,未來極端天氣現(xiàn)象可能會(huì)越來越常見,原因是氣候變暖會(huì)自我強(qiáng)化。


自1979年有衛(wèi)星觀測(cè)記錄以來,北極9月份海冰覆蓋面積在以每10年12.8%的速度減少,這使得北極深色的水域越來越多,太陽(yáng)輻射更容易被海水吸收而不是被冰雪反射回太空;也使得泛極地區(qū)域凍土融化,向大氣釋放二氧化碳和甲烷;還造成了海水的淡化,減慢了環(huán)流熱交換。


種種后果都會(huì)形成正反饋循環(huán)的閉環(huán),帶來溫室效應(yīng)的進(jìn)一步強(qiáng)化。


而且越來越多的跡象表明,地球氣候系統(tǒng)正在面臨臨界點(diǎn)。


2019年11月《自然》雜志上,英國(guó)埃克塞特大學(xué)Tim Lenton教授列出了全球氣候系統(tǒng)的九大關(guān)鍵臨界點(diǎn):北極海冰不斷減小、格陵蘭冰蓋加速流失、北方針葉林頻繁火災(zāi)與蟲害、永久凍土不斷融化、大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流不斷減弱、亞馬遜雨林頻發(fā)性干旱、暖水珊瑚大規(guī)模死亡、西南極冰蓋和東南極部分地區(qū)加速流失。


Lenton教授指出了臨界點(diǎn)之間的正反饋關(guān)系:北極海冰消失正在加劇區(qū)域變暖,區(qū)域變暖和格陵蘭冰蓋融化正在推動(dòng)淡水流入北大西洋,造成大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流放緩,這可能會(huì)破壞西非季風(fēng)的穩(wěn)定,引發(fā)非洲薩赫勒地區(qū)的干旱;還可能使亞馬遜河枯竭,擾亂東亞季風(fēng),帶來南大洋熱量積聚,加速南極冰的流失。


他還指出,氣候模型的結(jié)果顯示全球氣候的敏感性(溫度對(duì)二氧化碳翻倍的響應(yīng))相比以往大大增加了。


回到本文的開頭,地球氣候系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),在復(fù)雜系統(tǒng)中,一旦越過了某個(gè)關(guān)鍵(氣候)臨界點(diǎn),將大大增加其余系統(tǒng)臨界點(diǎn)被激活的風(fēng)險(xiǎn)。


一旦系統(tǒng)的臨界點(diǎn)被真正觸發(fā),系統(tǒng)不會(huì)再是原有的狀態(tài),“緩慢”的量變會(huì)突然變?yōu)椤凹ち摇钡馁|(zhì)變,這是復(fù)雜系統(tǒng)的特征。


屆時(shí)氣候變化可能躍遷為更加陡峭的非線性指數(shù)級(jí)數(shù),未來人類將面臨不可逆和不可預(yù)測(cè)的氣候變化。



我們既不是地球氣候?qū)<乙膊皇侨蚰茉磳<?,但在?jiǎn)單匯總一些事實(shí)后,我們可以得出三個(gè)比較明顯的結(jié)論:


第一,當(dāng)下席卷全球的能源問題,表面看是短期供求錯(cuò)配、政策低估外生沖擊和各種微觀博弈的結(jié)果,背后難以忽視的真相是大自然的力量推動(dòng)了這場(chǎng)能源短缺,而人類的行為加劇了短缺的程度。


第二,地球氣候系統(tǒng)正在加速接近劇變的臨界點(diǎn),高溫嚴(yán)寒帶來的能源需求增量和少風(fēng)缺水造成的能源供給減量可能演變?yōu)殚L(zhǎng)期問題。


第三,大自然的轉(zhuǎn)變是不可逆轉(zhuǎn)的,人類的能源革命既在和大自然賽跑,也在和自己賽跑?;茉丛谀硞€(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的緊缺程度以及可再生能源對(duì)于未來的重要性,可能都會(huì)不斷超出預(yù)期。

責(zé)任編輯:李燁

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