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旧话重提:是风机偷走了风,还是什么偷走了你的逻辑?

城市雾霾增多,是因为大面积建风电场挡住了风?专家回应说:大范围内,风电场不会挡住风,更不会带来雾霾,雾霾主因是污染物排放增多。

欧洲的民意测验显示,约有75%至80%住在风电场附近的居民支持风电。多数居民认为风机不会影响环境,反而是一道风景线。(图:free-photos@pixabay)

近期,社会上又有一种声音出现,即建设风电场,会产生挡风墙效果,影响风的流动性,破坏生态环境。这种观点和前些年有人提出的“大规模建设风电场后风机挡住了风的流动导致雾霾加剧”、“内蒙古的风电场偷走了北京的风”等缺乏知识、缺乏逻辑的说法如出一辙。

风机会不会偷走风?大规模建设风电场会不会导致雾霾等污染现象的增多?针对这些问题,很有必要请专家来回答。风能专委会CWEA特将前几年关于“风电是否会偷走城市的风并带来雾霾”的专业观点汇总成文,供业内外参考:

一、中国国家气候中心研究员朱蓉:《大规模风电开发对城市大气环境污染影响的初步研究》

2014年5月《风能》杂志发表国家气候中心朱蓉研究员的文章,文章指出:通过分析河北北部及周边内蒙古风电开发区域内的近53年气象站10m高度风速长年变化规律,以及近53年北京市、天津市和石家庄市通风量的长年变化规律,可以认为,到目前为止河北北部风电开发对京津冀大气污染扩散条件没有明显影响。近3年以来(相对2014年),京津冀地区的主要大气污染物排放量居全国首位,是导致京津冀灰霾天气频频发生的根本原因。重污染天气的形成,污染物排放量大是根本原因,不利于扩散的气象条件是直接原因,区域污染和本地污染的叠加是重要的因素。因此,就现阶段的持续时间长且覆盖范围大的重污染天气来说,风电开发的大气污染环境影响可以忽略不计。

文章中提到了一些具体的数据,可参考:

1、美国斯坦福大学Maria通过建立风电机组叶片与大气相互作用的动量参数化关系,估算由于大型风电场建设带来的全球和区域大气能量的损失。结果表明,如果全部用风能满足全球对能源的需求,风能开发对1000米以下大气层能量的损失大约0.006%-0.008%,比气溶胶污染和城市化对大气能量的损耗小一个量级。几乎可以忽略不计。

斯坦福大学学术论文-大规模风能对大气的影响:

即便全部换为风能,风能开发对1000米以下大气层能量的损失也只有大约0.006%-0.008%,几乎可以忽略不计

2、丹麦科技大学Risoe实验室Frandsen通过加大中尺度数值模式中的地表粗造度,设置了9000平方公里范围的大规模风电场,用数值模拟方法研究大型风电场的局地大气环境影响效应。结果表明,大型风电场下风向风速减弱的影响经过约30km-60km的距离以后就可以恢复。

3、国家气候中心在河北北部及周边内蒙古区域内选择了与风电场集中建设区域较近的11个气象站,另外还选择了受周边环境变化影响较小的北京密云气象站,研究1961年-2013年气象站观测风速的长年变化(图3)。

图3 12个气象站1961年-2013年平均地面风速(10m高度)的长年变化

从图3可以看出,1961年-2013年12个气象站10m高度年平均风速总体上都呈下降趋势。内蒙古四王子旗、化德,河北张北、怀来和乐亭的地面风速在60年代末和70年代初较长年平均明显偏高,70年代末以后风速一直趋于减弱。其他各气象站的地面风速长年代变化不是很明显,但总体上也是呈减弱的趋势。

表1列出了12个气象站1961年-2013年平均地面风速的长年变率,可以看出,地面风速减弱最快的是内蒙古四王子旗和河北张北,大约每年减小0.047m/s;其次是内蒙古化德和河北乐亭,分别为0.040m/s/a和0.042m/s/a;年平均地面风速减弱最慢的是河北围场和丰宁,均为0.006m/s/a。气象站地面风速减弱的长期变化趋势形成的原因,有气候变化背景的作用,也有城市化给气象站周边环境带来的影响因素。总体来看,12个气象站地面风速的变化基本上是渐进的,没有看出有外力影响下的突变。尤其是在2006年-2010年风电开发突飞猛进期间,12个气象站均没有出现风速减弱速度加快的现象。这说明河北北部及周边内蒙古区域内目前规模的风电场建设,对整个区域的地面风速变化没有明显影响。

4、从上图4可以看出,在2006年-2010年河北北部风电高速发展期间,北京市、天津市和石家庄市的通风量变化没有出现明显加快减弱的现象,说明目前河北北部风电开发对京津冀地区的重污染天气的形成没有构成影响。

国家气候中心研究得到的京津冀重污染天气的气候学成因还有:冬季降水日数明显减少;不仅地面风速减小,高空风速也在减小;对流层底层垂直逆温增强;相对湿度长年变化也呈减小的趋势,造成雾日数减少、霾日数增加。

5、河北省各种大气污染物的工业排放量和机动车排放量都位于全国前列、或是首位。尤其是2011年以后,氮氧化物和颗粒物或烟(粉)尘的排放量稳居全国第一位。因此,造成京津冀地区重污染天气的第一要素应该是过量的大气污染排放,相比之下,风电开发的大气污染环境影响微不足道。

二、李汀:分析风电场对风速的影响,不能不讲逻辑

2014年12月,中国科学院气象学博士后李汀发表过一篇分析文章,《谁偷走了你的逻辑》,批驳了“风机偷走了北京的风”的文章。 文章事实部分引用了朱蓉研究员文章中的一些内容,并从逻辑方面,批驳了“因为内蒙古建了风电场,北京来了雾霾”之间无逻辑相关性的一些观点。

以下为李汀博士全文:

最近,一篇名为《谁“偷走”了北京的风》的文章(注明来源于《中国国家地理》),在微信朋友圈中广为传播,并在微博上被一些报刊媒体的官V推荐转发,引起了不少关注。

文中关键性的论述如下:

1、内蒙古风电大发展始于2008年,京津冀雾霾天气是从2008年开始剧增,两者之间存在“令人惊诧的巧合”。至于到底只是巧合还是有因果关系呢?目前尚无“可靠的研究和确凿的结论”。

2、风电场对局地风速有明显影响,还能影响高空风速,“对整体风力产生削弱作用”。

3、2013年北京风力出现“断崖式的暴减”,“无独有偶的是”,2013年内蒙古电网风电装机容量也从2012年的1004万千瓦,“骤增至1848.86万千瓦”,“两者之间的同步性倒是令人咋舌”。“更令人不安的是,北京上风口张家口地区,风力发电也突飞猛进”。

4、“根据能量守恒定理,架在内蒙古地区的无数风机必然要截取巨量的风能。”“不难想象,由于超大规模的风力发电厂的消耗,很大一部分冷空气已经很难像以往那样越过陕西、山西,到达中部的河南,形成降雨。它们骤然停滞在了华北平原,再与京津超级城市群中的热空气发生强烈对流作用,形成突如其来的降雨,却使得中东部地区遭遇连绵干旱。”“近年来,中国遭遇的各类极端气候灾害,似乎正是这一运转模式的翻版。”“北京这些标志性的突发气候事件,或许并不是无缘无故发生的。”

5、“时至今日,科学家们基本认同风能开发会导致局部地区风速减慢的观点,但是否会减弱大气环流,目前尚没有定论。”“令人忧虑的是,中国的风能开发在缺乏对于气候影响的整体性评价的前提下仍在突飞猛进。”

我认为,这篇文章(以下简称《谁》文),在风力发电场对气候的影响问题上,存在着重大误导性:首先是事实方面有误导,其次是逻辑方面有误导。

先说事实部分:

《谁》文中说:“内蒙古的风电大发展与京津冀爆发大面积雾霾之间,究竟是纯粹的巧合,还是略有影响,抑或构成因果关系?目前并没有可靠的研究和确凿的结论。”篇末又再次强调:“时至今日,科学家们基本认同风能开发会导致局部地区风速减慢的观点,但是否会减弱大气环流,目前尚没有定论。”

——谁说没有“可靠的研究”没有“确凿的结论”没有“定论”的?!

《Nature》上发过通讯文章,气象学家Robert Vautard及其团队,利用区域气候模型,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。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。

另外,就别说“目前”了,早在2011年,内蒙古赤峰市就曾组织气象专家们发布了《关于风力发电对气候变化影响的评估报告》,对当地3个风电场(克旗达里风电场、右旗翁根山风电场、翁旗灯笼河子风电场)的气象要素进行分析对比,发现其风速、气温、蒸发量、降雨量等变幅,均在正常范围区间内,并没有超远气候变化本身的变率。同时,还与另外7个没有建设风电场的旗县进行对照,其气象要素的变幅也在正常范围区间内。

内蒙的风速在正常范围内,那北京和河北呢?

中国国家气候中心做过研究,在河北北部及其周边内蒙古区域内,选择与风电场集中建设区域较为接近的气象站(内蒙的四王子旗、化德、朱日和、多伦,河北的张北、沽源、怀来、围场、丰宁、乐亭、黄骅),加上密云气象站,共12个气象站。研究表明,这12个气象站的地面风速确有减弱趋势——但是请注意!不是在风电开发期间(2006-2010)减弱的,而是从1961-2013年一直都在减弱。

究其原因,主要有两个:一是全球气候变化的大背景;二是城市化进程。这种风速的减弱是渐进式的,没有发现外力影响下的突变。尤其在2006-2010年风电开发突飞猛进的时期,均未出现风速减弱上的突变。

北京风力减弱的趋势是从70年代就开始的,那与2006年之后才开始的风电大发展,又怎么构成“纯粹的巧合”?更别说什么“构成因果关系”了!《谁》文中说“2013年北京的风力如同断崖式的暴减,引发了人们的诸多猜想”,请问2013年这个“断崖”时间点是怎么选出来的?

《谁》文中还说,“根据能量守恒定理,架在内蒙古地区的无数风机必然要截取巨量的风能。”——请问“巨量”这两个字有数据支撑吗?

美国斯坦福大学Maria的研究显示,即使——请注意即使是让步假设——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% 。这谈得上“巨量”吗?

《谁》文中又说,“在丹麦一个风电场进行的观测表明,进入风电场的风速是8至9米/秒,经过风电场运行对风量的吸收后,在风电场的下风的风速明显减弱,其下风处6公里的风速与原有风速比率为0.86,下风11公里处的比率是0.90。”

我想说明的是,风电场所处的小区域,风速的确是会有减弱,但是关键在于,这种减弱能辐射多远?持续多久?是不是真的能从内蒙撑到北京?

丹麦科技大学Risoe实验室Frandsen用数值模拟方法研究大型风电场的局地大气环境影响效应,其研究表明,在大型风电场下风向所存在的风速减弱,只要经过30-60km的距离就可恢复。所以,内蒙和北京离多远?

既然,风电场对自然界风力的消耗非常小,对风速的减低也能在30-60km之后恢复。那内蒙的风电场是如何影响到北京的风的呢?

《谁》文中推敲:“不难想象,由于超大规模的风力发电厂的消耗,很大一部分冷空气已经很难像以往那样越过陕西、山西,到达中部的河南,形成降雨。它们骤然停滞在了华北平原,再与京津超级城市群中的热空气发生强烈对流作用,形成突如其来的降雨,却使得中东部地区遭遇连绵干旱。”

这一段“不难想象”,有任何理论支撑和数据支撑吗?这一串关于冷空气如何车马疲惫、如何中途骤停、如何偶遇津京热空气、如何还造成中东部干旱之类的……好在文中自己都说只是“想象”。

一篇带有科普性质的文章,在基本的科学事实上缺乏调研,在支撑全文的重要思路上全凭想象,这样的文章是怎么获得《中国国家地理》这样级别与影响力的杂志认可和推荐的?

有的人辩解:你说的这些都太专业了,难怪人家作者和杂志社都不知道嘛!

我下面要说的就是,即使一个没有气象学知识背景的人,也能发现上述思路的不靠谱之处,因为这种思路的最大问题,在于——逻辑。

《谁》文中最重要的论证点有两个:

1、从现象上看呢,内蒙风电发展和京津冀雾霾剧增,存在时间上的同步性,由此怀疑这其中有因果关系。

2、从道理上说呢,根据能量守恒定理,风电要截取风能、转化成电能,那风能自然减少了,那冷空气自然就减弱了,那吹到北京的风自然就变小了,那雾霾自然就无法吹散了,就剧增了。

——哎呀妈呀妥妥的,现象和道理都对上了!到底谁“偷走了北京的风”,你们明白了么?

误区1:相关性与因果性

就算——请注意就算也是让步假设——就算内蒙风电发展和京津冀雾霾剧增在时间上真的一致,这叫相关性;而内蒙风电发展导致京津冀雾霾增多,这叫因果性。相关性和因果性之间相隔十万八千里。

举个例子:

某学生宿舍楼长大妈长期观察男生楼某男生和女生楼某女生,发现他们俩经常都在早上7点50分出门。楼长大妈兢兢业业统计了整整一学期的样本量,基本如此(高相关性)。天呐这说明神马?

楼长大妈一分析,这有如下几种可能(逻辑因果性):

1、因为女生要出门,所以男生才出门(矮油好甜)

2、因为男生要出门,所以女生才出门(你想得美)

3、因为男生和女生都要去上课,走到教学楼10分钟正好8点打铃,所以出门时间恰好一致(世界真无趣)

4、不知道(大妈忙着呢)

然而,楼长大妈二话不说毅然决然就选择了第一种可能,四处八卦这男生狂追这女生……

——对于生活中的逻辑荒谬,大部分人还知道躲,但涉及科学问题,则总有人前仆后继地往“相关性=因果性”的大坑里跳。

就算内蒙风电发展和京津冀雾霾剧增在时间上完全同步,又怎样?

1、因为风电发展所以雾霾剧增

2、因为雾霾剧增所以风电发展

3、纯属巧合

4、不知道

所以作者是怎么一眼挑中第一种可能的?

除此之外,网络上盛传的各种诸如“因为近年来沙尘暴少了,同时雾霾多了,所以是三北防护林挡住了大风来吹散雾霾”之类的“学说”,以及各种诸如“因为某人吃了某药,并且某人死了,所以是某药把某人药死的”之类的臆断,无不尽出于该逻辑陷阱。

其实嘛,混网络,只要牢记“相关性不等于逻辑因果性”这一句话,就已然可以破掉大半网络伪科普。
另外,大家对比《谁》文和楼长大妈的例子,也不难发现两者还有巨大差异,那就是——人家楼长大妈好歹统计了一个学期的样本,这才是高相关性;而内蒙风电发展和京津冀雾霾剧增在时间上一致,这充其量算是“偶然同步性”。

高相关性是需要统计检验来证实的,你一共才统计一次,这一次恰好中了而已,这真的连“高相关性”都谈不上,就更别说什么因果性了。

哦,我一辈子感冒100次,其中一次吃了橘子,我就统计这一次,然后说因为吃了橘子所以患上感冒——这荒诞性已经远超楼长大妈了啊!

请问理解上述这点点逻辑,需要气象学专业背景吗?

误区2:脱离量级谈影响

昨天气温20度,今早一起床,你妈跟你说:降温啦!快快加衣服!秋裤和羽绒服统统套上哦宝贝儿!
于是你穿成熊去上班,在路上热成狗!

你回家怪你妈,你妈说:是降温了啊!降了0.1度!

——这就是脱离量级谈影响。

是的,风电场是会消耗风能——问题是消耗了多少呢?消耗0.001%和消耗50%能是一回事儿吗?

人人都知道吸煤气会中毒,但是吸一口会中毒么?

请问理解这点点常识,需要气象学专业背景吗?

《谁》文中用以支撑其主要逻辑的一番洋洋洒洒的推断,都建立在“量级”基础上——风电场对于风能的消耗必须大到足以削弱冷空气的程度。然而这一关键点,作者却在有意无意间忽略掉了。当然我前面已经说了,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%。

不过说起来,我觉得作者还是心里有数的吧,不然他就不会信手写下“巨量”和“很大一部分”了——“内蒙古地区的无数风机必然要截取巨量的风能”,“由于超大规模的风力发电厂的消耗,很大一部分冷空气已经很难像以往那样越过陕西、山西,到达中部的河南,形成降雨。它们骤然停滞在了华北平原,再与京津超级城市群中的热空气发生强烈对流作用,形成突如其来的降雨,却使得中东部地区遭遇连绵干旱。”。

所以,作者对于“一切脱离量级谈影响都是耍流氓”这一点,到底是懂,还是不懂呢?

有些人跟我说,《中国国家地理》又不是学术期刊,不懂气象很正常嘛……

没错,我们不能要求所有涉及专业领域的文章,都由专业研究人员来写,这不现实。我们也不可能要求一个记者或者撰稿人或者编辑,通晓各个专业的知识,这更不现实。

但是,一篇文章,能够被《中国国家地理》这样级别与影响力的刊物在微信上推送、在朋友圈里广为转载、被一些严肃媒体的微博官V转发传播,这样的文章,难道不应该至少有逻辑吗?!

如果内蒙的风电真能偷走北京的风,那么是谁偷走了你的逻辑?

——假如有的话。

作者 | 李汀 中国科学院气象学博士后

三、打破“北京风被偷走”传言,远景能源携手美国国家可再生能源实验室发布白皮书

远景能源与美国国家可再生能源实验室(NREL)、美国科罗拉多大学2016年联合发布《内蒙古的风电场会影响北京的空气质量吗》白皮书。这是全球首个回答内蒙古的风电场是否影响北京空气质量的白皮书。

2013 年4 月30 日17 时41 分观测的欧洲北海南部RADARSAT-2 强度图,蓝线代表风场,红色箭头为风场尾流路径 (Hasager 等 [2015]).

白皮书通过数据分析、仿真和实际数据,揭开了风与风电场以及风流变化这一物理世界的关系,结果表明,北京的雾霾天气,不仅不是由内蒙古的风电场引起风速减弱造成的,甚至都不会对其产生影响;事实上,雾霾应该归因于排放颗粒物的增多。

白皮书认为,即便是在海上,卫星观测到的风电场尾流影响只能影响到下游30公里处。在平坦草地情况下,即便在夜间尾流最强情况下,尾流的影响在60公里处也基本检测不到。而包含实际地形和植被的情况下,这种影响不超过25公里。

Vautard 等人(2014)发现在欧洲,即使在风场的周边,平均的冬季(12 月、1 月、2 月)10 米处风速减小也是小于0.1m/s(图4)。对于内蒙古和北京周边这样复杂的地形,我们预计风场开发对于风速的影响也会与此相似。

四、综上所述,雾霾增多,风电场不要背锅!

风电场不会挡住风,更不会带来雾霾,雾霾主因是污染物排放所致。相反,为了降低城市雾霾,应该更多发展清洁能源。只有发展更大比例的可再生能源,才能还我们一个干净的天空。

来源:风能专委会CWEA

 

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