科学家希望在飓风通道设置“减速带”以减缓风暴

风能的优势众所周知。风能清洁、充足且可再生。大量安装风力涡轮机可以帮助我们这个碳密集型文明摆脱对化石燃料的依赖。新研究表明，未来可能还有另一个重大好处：当强大的飓风给陆地带来毁灭性的降雨时，大规模安装风力涡轮机可以减少洪水。在最近的哈维和佛罗伦萨等带来历史性降雨的风暴中，这可能意味着洪水和破坏减少，死亡人数减少。“海上风电场绝对可以成为削弱飓风和减少其破坏的潜在工具，”特拉华大学地球、海洋和环境学院教授克里斯蒂娜·阿彻说，她最近在《环境研究快报》上发表了一项研究，描述了海上涡轮机对飓风降雨的影响。“而且它们最终会收回成本，这就是我对此感到兴奋的原因。”

近年来，气候变化导致飓风规模越来越大、强度越来越大。蒸发的海水为飓风提供了动力，而飓风的强度取决于海水蒸发的速度。海水蒸发时，会将热量从海洋转移到大气中，然后转化为风能，形成越来越强的风。随着水温升高，蒸发速度也会加快，风力也会随之增大。海洋越暖，蒸发速度就越快。气候变化正以惊人的速度使海洋升温。

在早期的研究中，阿彻证明海上风力发电场吸收了飓风的动能，减少了风和风暴潮的影响。她最新的研究表明，当大量部署风力涡轮机时，风力涡轮机也可能减少风力发电场下游陆上地区的降雨量。“这项新研究的动机基本上是哈维飓风本身，”阿彻说。“它带来了大量的雨水，而正是这些雨水导致了休斯顿地区的洪水。”

要想象飓风遇到风力涡轮机时会发生什么，以及涡轮机如何减少降雨，了解影响降水的两个重要因素很重要，即汇聚和发散。强飓风在遇到风力涡轮机时会减速，并向上移动，因为它们无处可去。这会将更多水分带入大气，从而促进降雨。这就是汇聚。

发散则相反，它会引起向下运动，吸引向下移动的较干燥的空气，从而抑制降水。

“想象一下高速公路上交通拥堵的情形，每个人都开得很快，然后——突然——发生了事故，每个人都放慢了速度，”阿彻解释道。“你会看到汽车汇聚在一起，然后倒车……这就是海上风电场上游的汇聚。发散类似于汽车终于通过事故现场，每个人都加速行驶的情况。”

在许多情况下，汇聚和发散都是自然发生的。“例如，无论哪里有低压中心（与中纬度地区的风暴有关），地面风通常都会向其汇聚，”阿彻说。“反之亦然，无论哪里有高压中心，比如在晴朗温暖的天气里，地面风就会向外发散。当土地用途发生变化时，比如从海洋到陆地，或从森林到牧场，这会导致风的变化——从海洋到陆地的速度减慢，或从森林到草地的速度加快——因此，分别会出现汇聚和发散。”

在风力发电场上，风速会变慢“因为涡轮机就是这么做的”，她说。“它们从风中提取动能，因此它们后面，也就是每个涡轮机下游的风比上游的风要弱。在一个大型发电场中，将越来越多的涡轮机放在一起，你可以想象，在风吹到第一个涡轮机之前，你会在发电场前面开始造成汇聚，而在发电场后面，风会再次加速，然后开始发散。”

因此，要形成降水，必须有上升运动将地表附近富含水分的空气带入大气层，在那里凝结并形成降雨。“要使地表附近产生上升运动，就需要有辐合，”她说。然后，“要消除降水，就需要有向下运动，这就是地表发散时发生的情况。显然，你还需要一个水分丰富的环境。如果沙漠中存在辐合，无论辐合有多强，都不会有降水，因为那里太干燥了。”

这就是为什么科学家们研究海上风力发电场的影响，而不是陆上风力发电场，因为飓风在水面上形成，到达陆地后会迅速消散。“海上有大量水分，因此我们更有可能看到影响，”她说。“我们研究飓风是因为它们持续时间足够长，以至于汇聚/发散模式可以形成并持续下去。如果你仔细想想，飓风会持续数天，并导致几乎从同一方向（从海洋到陆地）吹来强劲、稳定的风。”

目前的一个缺点是，涡轮机在强风时经常关闭。阿彻说，他们的计算机模拟考虑了“截止”风速，目前德国海上风力涡轮机型号 Enercon 126 的风速为每小时 76 英里。不过，她补充说，制造商现在正在开发能够承受更强风力（如飓风和台风）的新型涡轮机，这些涡轮机预计将于 2020 年上市。

科学家们利用计算机数值模拟，模拟了德克萨斯州和路易斯安那州海岸的情况，研究了哈维飓风期间海上风力发电场可能出现的情况。他们研究了不同数量、不同面积、不同布局的风力涡轮机。

“当空气到达陆地时，大量的水分已经被挤出，”阿彻说。“通过哈维飓风模拟，我们得到了 30% 的降水量减少。这意味着，如果你在飓风多发的地区安装海上涡轮机阵列，内陆地区的降水量可能会减少。”

她说，这项研究使用的假设涡轮机数量范围从零到最多 74,619 台，而这个数字目前对美国来说并不现实。与拥有 100 多台海上风力涡轮机的欧洲不同，美国只有 5 台，它们都是美国第一个也是唯一一个海上风力发电场的一部分，该发电场位于罗德岛州海岸外的布洛克岛。

她说，最大的配置有 74,000 台风力涡轮机，最小的配置有 22,000 台风力涡轮机。“所以这些数字无论如何都很高，”她说。“相比之下，当今世界大约有 300,000 台风力涡轮机。”

尽管她认为涡轮机越多越好，但科学家发现使用更少的涡轮机或将涡轮机安装在较小的区域也有积极的影响。“例如，你不需要 [涡轮机覆盖大面积]，”阿彻说。对于休斯顿来说，你可以用 [较小的布局] 获得几乎相同的好处，只要 [巧妙地] 放置。

他们在中等面积区域安装了 33,363 台涡轮机，休斯顿都会区减少了 15%。她说，在小面积区域安装了 28,197 台涡轮机，减少了 10%。“我们在其他地方的减幅更大，但我们关注的是休斯顿都会区的总量。”

她表示，目前研究人员无法预测所需的最佳涡轮机数量，但“海上风力发电场越多，对飓风的影响就越大，”她说。“到飓风真正登陆时，这些涡轮机阵列已经运行了好几天，从风暴中提取能量和水分。因此，风暴会变得更弱。确实如此。”

她指出，社区可以修建海堤或人工屏障岛来抵御风暴潮。但这些无法抵御雨水。“成本高昂，而且只有一个目的，”她说。“另一种选择是建造海上风电场，这些风电场[最终]可以收回成本，产生清洁和可再生能源，而且——最重要的是——可以抵御飓风、雨水和风暴潮。”

玛琳·西蒙斯为 Nexus Media 撰稿，这是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合通讯社。