城市热岛效应在热浪期间导致风能供应不足

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Urban Heat Islands Create a Wind Energy Deficit during Heatwaves

城市热岛效应显著影响风能分布，波士顿-普罗维登斯都会区热浪期间形成城市风能损失区（减少20-30 W/m2）和郊区增益区（增加40 W/m2），损失随距离衰减。独立风机在热浪中供电减少25%，而建筑制冷需求上升30-40%，凸显城市风能规划必要性。

　　城市风能是实现城市可持续电力供应的重要途径。随着全球能源需求的不断增长，环境挑战也日益严峻，特别是在化石燃料使用方面。可再生能源，如太阳能、风能和水能，已成为解决这些问题的关键。风能作为可再生能源的一种，近年来得到了显著发展，其全球装机容量在2022年达到了923 GW，并预计在2025年将超过1210 GW。城市风能系统因其能够在高人口密度和高电力需求区域产生电力而受到关注，包括屋顶小型涡轮机、垂直轴涡轮机与城市建筑集成，以及在公园、工业区或水岸地块上设置的独立涡轮机。

城市风能系统具有多种优势，例如在电力消费点附近发电，可以减轻电网基础设施的压力，支持高峰时段的电力调节，减少输电损耗，并有助于降低温室气体排放。然而，城市风能系统也面临一系列挑战，包括建筑物引起的湍流、噪音污染以及公众接受度有限等问题。因此，理解城市内部及其周边地区的风场动态对于提高风场效率至关重要。

城市热岛（UHI）效应是影响风场动态的关键因素之一。城市区域的温度通常高于周边乡村地区，这种温度差异通过多种机制改变了风的模式。UHI与风能之间的相互作用主要体现在三个方面：首先，热力驱动的环流，即城市与乡村之间水平温度梯度所引发的次级气流（如城市热岛环流），可能导致空气汇聚，降低城市核心区域的风速，而在城市外围则可能加速风速；其次，增强的城市边界层大气不稳定性和湍流，会干扰稳定的风流，增加风切变和风向的变化，从而影响涡轮机的效率；最后，热力学效应改变了空气的性质，如由于温度升高导致的空气密度降低，直接减少了可用于风能的动能，因为风能密度与空气密度成正比。

在热浪期间，极端高温会加剧UHI效应，从而增加大气不稳定性和湍流。然而，极端城市升温往往伴随着背景风速的减小，这会抑制风速并减少风能的生成。与此同时，空间冷却需求迅速上升，给电力供应系统带来压力。风能供应的减少与建筑能源需求的增加相结合，可能导致能源短缺，甚至影响电力服务的连续性，尤其是在依赖分布式风能的地区。在美国，分布式风能系统到2024年累计安装容量已达到1110 MW，超过92,000个单位。其中，大多数（89%）用于满足现场的能源需求，而小型风力涡轮机（最大100 kW，如屋顶或独立单位）占总容量的约14%（156.77 MW），而中型（101 kW–1 MW）和大型（>1 MW）涡轮机则占据了剩余的86%，尽管单位数量较少，但大型涡轮机提供了大部分的发电能力。

为了评估城市风能资源，特别是在极端温度事件期间的表现，本研究采用了高分辨率的模拟方法。传统的观测手段和再分析数据集通常无法满足城市尺度上的空间分辨率需求。因此，研究采用了Weather Research and Forecasting (WRF) 模型，并结合了Building Energy Parameterization (BEP) 和Building Energy Model (BEM) 作为多层城市冠层模型的一部分，以模拟城市气候和风场特征。该模型利用真实的地形数据、实时天气数据和大尺度大气运动，能够有效地再现城市热岛效应及其对城市能源需求的影响。

研究特别关注了波士顿-普罗维登斯都市区及其周边地区。该区域人口约为840万，经济意义重大，代表了重要的能源需求中心。波士顿在近地面（10米）的平均风速为11.5英里/小时，而在涡轮机高度（100米）的风速约为8-8.9米/秒，这在美国主要城市中名列前茅，表明该地区具有较强的风能资源潜力。该地区拥有大量的风力涡轮机，特别是分布式城市系统，马萨诸塞州到2021年已达到120 MW的安装容量。在波士顿和普罗维登斯的紧凑城市区域，一些独立的风力涡轮机仍位于相对开放的空间，如公园和水岸地块。

尽管已有大量关于城市风场动态的研究，但UHI效应对城市及其周边地区风能的影响仍缺乏深入探讨。大多数关于城市空气动力学的研究，如城乡环流，主要关注近地面风速（如10米高度），而风能应用则需要在与涡轮机高度相关的高度（如50、100、150和200米）进行分析。此外，以往的研究多集中在长期风能密度上，忽视了在短期极端天气事件如热浪期间，风能供应与建筑能源需求之间的时空分布变化。特别是在热浪期间，离网风力涡轮机可能无法满足局部的能源需求，因此有必要评估城市热岛效应对风能供应的影响。

本研究通过数值模拟的方法，探讨了城市升温对风能潜力的影响。研究使用了从模拟风速中得出的理论参数，如风能密度（WPD）和理论发电量（TPO），以区分城市升温对风能潜力的具体贡献。研究还整合了土地利用和覆盖（LULC）数据到WRF-BEP/BEM模型框架中，以模拟城市升温情景下的风能密度和温度时空变化。随后，评估了城市升温对风能供应范围的影响，并进一步分析了在高需求期间建筑能源需求与风能供应之间的差距。

研究结果揭示了城市热岛效应对风能分布的影响。在波士顿-普罗维登斯都市区，UHI效应导致了“风能损失区”的形成，该区域在50-100米高度的风能密度（WPD）减少了20-30 W/m2。而在郊区和农村地区，则出现了“风能增益区”，WPD增加了高达40 W/m2。这些损失随着距离城市中心的增加而减弱，并在主要城市和郊区扩张区域之外变得可以忽略不计。热浪不仅扩大了城市的“损失区”，还增强了郊区和农村地区的风能增益，这是由于更强的热力梯度和背景风速的减弱，导致了空气汇聚的增强，从而加剧了城市风能损失15-20%。此外，通过分析235个风力发电场的涡轮机发电曲线，研究发现依赖于独立或离网涡轮机的城市区域在热浪期间面临显著的能源缺口。风能供应下降了高达25%，而与降温相关的建筑能源需求则上升了30-40%。这些发现强调了在极端高温情况下进行战略城市风能规划的重要性，以确保电力供应的可靠性。

研究方法采用了系统化的模拟流程，从WRF模拟到风能密度、理论发电量和幂律指数的计算。模型验证部分使用了七个国家海洋和大气管理局（NOAA）气象站的观测数据，评估了WRF模型在2米空气温度（T2）、10米风速（WS10）和10米风向（WD10）方面的模拟准确性。模拟结果与NOAA观测数据表现出良好的一致性，证明了WRF-BEP/BEM模型配置的可靠性。

研究结果表明，城市热岛效应在城市区域形成了明显的“风能损失区”，而在郊区和农村地区则出现了“风能增益区”。这些变化在热浪期间尤为显著，因为热浪不仅加剧了城市热岛效应，还通过增强热力梯度和减弱背景风速，导致了空气汇聚的增强，从而进一步降低了城市风能的可用性。同时，郊区和农村地区的风能增益也更加明显，因为这些区域的风场动态在热浪期间得到了更有效的增强。此外，研究还发现，城市区域中依赖独立或离网涡轮机的发电系统在热浪期间面临着较大的能源缺口，而与降温相关的建筑能源需求则显著上升。

为了进一步分析城市热岛效应对风能供应范围的影响，研究采用了多层WRF-BEP/BEM模型，模拟了在热浪期间城市升温情景下的风能密度和温度时空变化。结果表明，城市升温对风能供应的影响范围有限，主要集中在城市中心和其周边区域。随着距离城市中心的增加，这种影响逐渐减弱，并在主要城市和郊区扩张区域之外变得可以忽略不计。因此，城市风能系统的规划需要考虑到这种影响的范围和程度，以确保在极端天气条件下仍能保持较高的风能可用性。

此外，研究还评估了在高需求期间建筑能源需求与风能供应之间的差距。在热浪期间，由于风能供应的减少和建筑能源需求的增加，这种差距可能会变得更加明显。特别是在依赖分布式风能的城市区域，这种差距可能导致能源短缺或电力服务中断。因此，研究建议在城市风能规划中采取策略性措施，以确保在极端高温情况下仍能维持稳定的电力供应。

综上所述，本研究通过多层WRF-BEP/BEM模型，系统地分析了城市热岛效应对波士顿-普罗维登斯都市区及其周边地区风能分布的影响。研究结果不仅揭示了UHI效应对风能供应的具体影响，还强调了在极端天气条件下进行城市风能规划的重要性。通过结合理论参数和实际数据，研究为未来城市风能系统的优化提供了重要的参考依据。