宋雪涛:难以忽视的能源真相

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能源短缺的真相

当下席卷全球的能源问题,表面看是短期供求错配、政策低估外生冲击和各种微观博弈的结果,背后不可忽视的真相是大自然的力量。地球气候系统正在加速接近剧变的临界点,高温严寒带来的能源需求增量和少风缺水造成的能源供给减量可能演变为长期问题。大自然的转变是不可逆转的,人类的能源革命既在和大自然赛跑,也在和自己赛跑。化石能源在某个时间节点的紧缺程度以及可再生能源对于未来的重要性,可能都会不断超出预期。

气候是一个复杂系统,2021年真锅淑郎和哈塞尔曼凭借利用复杂系统解决气候变化问题的开创性研究获得了诺贝尔物理学奖。

能源也是一个复杂系统,当前全球气候系统正在发生剧变,这和当前的全球能源问题不仅紧密关联,甚至就是问题的真相。

今年夏天以来,能源成为了全球的共同问题。尽管能源问题的背后存在很多个性因素,例如供给受限、进口收缩、疫情延误、资本开支纪律、ESG等等。

但也存在两个明显的共性问题,一是高温严寒带来的能源需求增量,二是少风缺水造成的能源供给减量。而极端天气和少风缺水并非独立事件,都和气候系统变化有关。

地球的风带是一个环形,在北纬35-65度上空有一条常年由西向东旋转的西风带”,其中心最大风速能达到30-40/秒以上,属于高空急流的一种。

西风带分布在副热带高压和副极地低气压带之间,强度和路线受北极和中纬度地区之间的温差推动,南北温差越大速度越快,气流路线越趋于直线。

西风带环绕在中纬度地区,包裹着北极漩涡,将冷空气紧紧地禁锢在极区内。如果把极地比作一个巨大的羊圈,那么西风带就是围栏

正常情况下,赤道很热,极地很冷,这种温度差使得西风带自西向东沿纬线圈运动,没有大的波动,羊圈围栏非常牢。

相反,温差越小气流速度越慢,路线则呈现波浪形,冷空气便不能再稳固地被封锁在北极地区,容易顺着大气波的大槽长驱南下。

由于地球气候变暖,北极地区升温,从赤道到北极的南北温差减小,西风带变得不稳定,流动方向变得弯弯曲曲呈波浪状,“围栏”也就变得不牢固了。

这同时导致了两个后果。

一是赤道与北极之间的温度梯度减小,中纬度带状风的风速减弱,北半球西风带正在风速变慢、方向紊乱。

一些学术研究指出了这个问题:

比如丁一汇等(2020)指出,近50年来中国地面风速平均减小速率为0.10-0.22 m/s/10a,其中内蒙古中西部、黑龙江西南部、辽宁西南—河北东北部、甘肃西北部—青海北部、新疆天山地区和南部等北方地区、浙江与福建沿海以及西藏的东南部风速降幅较大。

邢丽珠等(2020)发现,1961-2018年以来内蒙古全区94%的气象站点都出现了风速的下降,气候倾向率为 -0.21m/s/ 10a。

贾诗超等(2019)研究了新疆地区的风速变化,得到的结论是新疆地区风速随温度升高而降低,风速下降最快的是准格尔盆地周边的北疆地区。

由于西风带的存在,北纬35-65度上集中了欧洲(从地中海到斯堪的纳维亚半岛)和中国(江苏河南青海及以北地区)主要的风电场,这一区域的风速降幅对风电供应产生了明显的负面影响。

今年6-7月,欧洲地区的风电发电量合计降低了11.6%,占总发电量比重从去年同期的11.5%下降至9.8%。

根据Qun Tian等(2019)的研究,1979年至2016 年间全球73%的站点出现了风速下降,北美、欧洲和亚洲分别约有 30%、50%和80%的电站损失了超过 30% 的风电潜力。

我们用“风电设备发电量/装机容量”衡量风电的产出效率,发现中国的风电产出效率近三年持续走低,其中2020年仅为1472.7h,较2018年下降了16.6%。

分地区来看,除云南外的绝大多数省份都出现了风电产出效率的下降,其中又以北方的山西、河南、山东和宁夏最为严重。

考虑到2018-2020年我国风电利用率分别为93%、96%、96.5%,说明风电产出效率的下降并不是因为弃风问题恶化,而可能是因为风速的放缓

二是西风带变得不稳定,流向紊乱,导致冷空气南移和热空气北移,结果是寒冷地区高温、多雨地区干旱、少雨地区暴雨等极端天气事件越来越频繁。

本来地球上的高低气压带是环环相套的,全球变暖导致热交换放缓后,西风带阻塞,冷空气南移,热空气北移,高低气压带搅在了一起。

中心低压、周边高压的地方形成了一个个“低涡”,只要高压保持稳定压力并且周边有源源不断的潮湿空气补充,这些“低涡”就会变成下雨的“漏斗”,造成极端暴雨现象。

今年夏天,本该纬向流动(东西风)的北半球西风带环流出现了大量经向流动(南北风),大槽大脊带来了南北冷暖气流的剧烈交汇,德国、美国东部和中国华北等地区都出现了稳定的低涡系统。

以中国华北地区为例,7月偏强偏北的西太平洋副热带高压维持在日本海地区,大陆高压维持在中国的西北地区,两者之间的低涡系统在黄淮地区停滞,太平洋上的台风烟花又提供了源源不断的水汽,最终将一场史无前例的降雨灌注到了处于低涡地带的郑州地区。

副热带高压的过度北移还造成了这些年中国“南旱北涝”的气候现象。

一方面,北上的副热带高压覆盖了中国华南大部分地区,使得暖湿气流难以进入南方腹地形成降雨,导致华南地区出现持续的高温和干旱。

另一方面,北上的副热带高压在华北、东北地区和南下的强冷空气碰撞,配合太平洋夏季输送来的暖湿气流在中国北方形成了一条持久充沛的降雨带。

今年“南旱北涝”现象尤为明显。华北多雨的时节通常为每年7月中下旬至8月上中旬,但今年9月以来北方地区降水量较常年同期偏多1.4倍,为历史同期最多。

同期南方遭遇了罕见的连续高温,贵州、湖南、福建、江苏、浙江、甘肃、广东、重庆、宁夏、江西、上海、湖北、四川、广西和安徽15个省(市、区)气温为1961年以来历史同期最高。

降雨带的北移和水电的装机分布构成了错位。

我国水电装机容量最高的三个省是四川、云南和湖北,但今年澜沧江和金沙江上游降雨量偏低、来水偏枯,四川、云南和湖北的水电供给明显减少,8月水电产量分别同比下滑6.9%、2.8%和15.9%。

据上市公司长江电力披露:今年二季度位于金沙江的云南溪洛渡水库来水总量约130.6亿立方米,较上年同期偏枯44.7%;位于长江的湖北三峡水库来水总量约887.7亿立方米,较上年同期偏枯6.7%;受此影响,公司今年二季度总发电量较上年同期减少11.2%。

全球气候系统悄然发生的巨大变化,正在对根据历史气候特征布局的全球风电和水电设施构成挑战,给全球能源供给带来了负面冲击。

与此同时,全球气候变暖带来了极端天气,极寒和高温等异常天气现象变得越来越常见,又给全球能源需求带来了正面冲击。

全球气候变暖并不代表一年到头的气温都会上升,而是冬天可能更冷、夏天可能更热。

全球变暖的背景下,北极升温速率上升了1-2倍,海冰快速融化,南北温度差缩小。北极平流层极涡减弱,中纬度西风带波动性加大,冷空气在欧亚大陆上一路南下,形成了北半球冬季的剧烈寒潮。

今年2月俄罗斯、欧洲北部和北美洲平均气温较往年明显偏低,美国得克萨斯州的寒潮造成了大规模停电,超过100名居民因此身亡。

另一方面,西风带的长波脊不断北伸时,其与南方暖空气的联系可能会被南下的冷空气所切断,出现闭合的高压脊中心。因为气压较高,水蒸气难以凝结,高压脊中心地区将出现持续的干旱和极端的高温。

根据国家气候中心的监测,今年6月下旬到7月上旬西风带出现了四个高压脊,图中的三个圆圈区域分别为欧洲、俄罗斯远东地区、北美西部上空的三个高压脊中心,还有一个位于北大西洋。

由于高压脊拱形越明显,异常幅度越大,今年欧洲大部、俄罗斯东部、北美西部气温均较常年异常偏高,其中北美西风带高压脊又和北扩的东太平洋副热带高压结合在一起,形成了非常强的阻塞高压,加剧了今年加拿大和美国西北部的极端高温

更大的问题是,未来极端天气现象可能会越来越常见,原因是气候变暖会自我强化。

自1979年有卫星观测记录以来,北极9月份海冰覆盖面积在以每10年12.8%的速度减少,这使得北极深色的水域越来越多,太阳辐射更容易被海水吸收而不是被冰雪反射回太空;也使得泛极地区域冻土融化,向大气释放二氧化碳和甲烷;还造成了海水的淡化,减慢了环流热交换。

种种后果都会形成正反馈循环的闭环,带来温室效应的进一步强化。

而且越来越多的迹象表明,地球气候系统正在面临临界点。

2019年11月《自然》杂志上,英国埃克塞特大学Tim Lenton教授列出了全球气候系统的九大关键临界点:北极海冰不断减小、格陵兰冰盖加速流失、北方针叶林频繁火灾与虫害、永久冻土不断融化、大西洋经向翻转环流不断减弱、亚马逊雨林频发性干旱、暖水珊瑚大规模死亡、西南极冰盖和东南极部分地区加速流失。

Lenton教授指出了临界点之间的正反馈关系:北极海冰消失正在加剧区域变暖,区域变暖和格陵兰冰盖融化正在推动淡水流入北大西洋,造成大西洋经向翻转环流放缓,这可能会破坏西非季风的稳定,引发非洲萨赫勒地区的干旱;还可能使亚马逊河枯竭,扰乱东亚季风,带来南大洋热量积聚,加速南极冰的流失。

他还指出,气候模型的结果显示全球气候的敏感性(温度对二氧化碳翻倍的响应)相比以往大大增加了。

回到本文的开头,地球气候系统是一个复杂系统,在复杂系统中,一旦越过了某个关键(气候)临界点,将大大增加其余系统临界点被激活的风险。

一旦系统的临界点被真正触发,系统不会再是原有的状态,“缓慢”的量变会突然变为“激烈”的质变,这是复杂系统的特征。

届时气候变化可能跃迁为更加陡峭的非线性指数级数,未来人类将面临不可逆和不可预测的气候变化。

我们既不是地球气候专家也不是全球能源专家,但在简单汇总一些事实后,我们可以得出三个比较明显的结论:

第一,当下席卷全球的能源问题,表面看是短期供求错配、政策低估外生冲击和各种微观博弈的结果,背后难以忽视的真相是大自然的力量推动了这场能源短缺,而人类的行为加剧了短缺的程度。

第二,地球气候系统正在加速接近剧变的临界点,高温严寒带来的能源需求增量和少风缺水造成的能源供给减量可能演变为长期问题。

第三,大自然的转变是不可逆转的,人类的能源革命既在和大自然赛跑,也在和自己赛跑。化石能源在某个时间节点的紧缺程度以及可再生能源对于未来的重要性,可能都会不断超出预期。

风险提示

全球气候变化超预期;能源供给结构变化超预期;科技进步超预期

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