全球海洋表面风速渐强之谜：与海温的神秘关联及对风能开发的重大启示

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在当今时代，环境与资源危机愈发严重，寻找可再生清洁能源变得至关重要。海洋风能作为一种极具潜力的可再生能源，相比陆地风能有着诸多优势。海洋表面风速比陆地大，能产生更多能量，而且海上风电场规模更大，可安装更大型的涡轮机，提升整体发电量。尽管建设海上风力涡轮机的初期成本较高，但从长期来看，其能源产量高，还能避免土地使用冲突，是未来能源的理想选择23。

全球海洋风能资源潜力巨大，高风能密度区域集中在南北半球的西风带，以及阿拉伯海西部、台湾海峡和加勒比海南部等特定地区。不过，虽然不少研究表明全球年平均海面风速呈上升趋势，但这一现象背后的原因还未完全明晰。此前研究虽对风能分布和密度有一定见解，但在理解长期风速变化的根本驱动因素方面存在欠缺，尤其是海表面温度（SST）与海洋风速（OW）在数十年尺度上的因果关系，尚未得到充分研究。而且，很少有研究利用像 ERA5 再分析数据这样长达八十多年的长期数据集，对这些关系进行全面量化45。

为了深入探究这些问题，来自中国台湾的国家科学技术减灾中心的研究人员 Wei-Bo Chen，在《Heliyon》期刊上发表了题为 “Gradual strengthening of global oceanic surface winds: Correlations with sea surface temperature and implications for wind power extraction” 的论文。该研究通过分析 1940 年至 2023 年的 ERA5 再分析数据，揭示了全球海洋表面风速的长期趋势，以及它与海表面温度之间的关系，为风能开发提供了重要依据16。

研究人员为了开展这项研究，用到了几个关键技术方法。他们使用了 ERA5 再分析数据集中的全球海洋风速和海表面温度数据，这些数据整合了多种观测来源，具有高精度和高分辨率。通过回归分析、格兰杰因果检验（Granger causality test）、曼 - 肯德尔检验（Mann–Kendall test）和互相关分析等统计方法，来确定变量之间的趋势和关系。利用功率律风廓线（power-law wind profile）和对数风廓线外推（logarithmic wind profile extrapolation）两种方法，将 10 米高度的风速转换为不同高度的风速，进而计算风能密度78。

下面来看看具体的研究结果：

3.1 全球和海洋 10 米高度风速的分布和趋势

研究人员对比了陆地和海洋的风速数据，发现陆地 10 米高度的年平均风速大多在 5 - 6 ，像北非、阿拉伯半岛、东欧、中国内蒙古和阿根廷南部这些地区风速相对较高，但从 1940 年到 2023 年，陆地风速并没有明显的增长趋势。而海洋的年平均风速超过 10 ，并且呈现出显著的上升趋势。通过最小二乘法回归和 t 检验，以及泰尔 - 森估计器（Theil–Sen estimator）和曼 - 肯德尔检验，发现海洋风速的增长趋势在 95% 的置信水平上显著，且陆地风速的年增长幅度仅为海洋的十分之一，很多陆地地区风速甚至呈下降趋势，这表明海洋在风能发电方面潜力更大910。

3.2 海洋风速的季节变化趋势

研究人员利用最小二乘法和 t 检验，以及泰尔 - 森估计器和曼 - 肯德尔检验，分析了 1940 年至 2023 年海洋风速的季节变化。结果发现，除了东半球赤道地区，大多数海洋区域的年平均海洋风速都呈显著上升趋势，部分地区每年增速超过 0.02 。不过，在春季，日本北部海域和东太平洋赤道地区风速显著下降；秋季，太平洋赤道地区风速明显降低；夏季和冬季，地中海的风速有所下降，这些现象值得进一步研究1110。

3.3 海洋风速的空间 - 年度和空间 - 年代际 - 月度变化

通过对 1940 年至 2023 年 10 米海洋风速的回归分析，研究人员发现全球海洋表面风速呈上升趋势，全球年平均海洋风速每年增加约 0.0053 ，北半球年平均海洋风速每年增加约 0.0042 ，南半球增加最多，每年约 0.0063 。从年代际和空间平均月度风速来看，虽然全球、北半球和南半球的平均海洋风速存在月度和年代际波动，但整体呈上升趋势，南半球的上升趋势尤为明显1213。

3.4 全球风能密度的分布

研究人员比较了两种估算方法在不同表面粗糙度参数下计算的风能密度（WPD）。结果显示，相同粗糙度条件下，方法 1 计算的 WPD 略大于方法 2，且 WPD 随粗糙度增加而显著增加。高 WPD 值区域主要分布在太平洋和大西洋北纬 30° - 60° 之间、南大洋南纬 40° - 60° 之间，以及阿拉伯海西部、台湾海峡和加勒比海南部。全球 100 米高度 84 年平均总 WPD 约为 110.66 ，南纬 40° - 60° 之间的海洋区域 WPD 最高，占全球的 35.55%1415。

在讨论部分，研究人员指出，全球海表面温度上升会通过热力学和流体动力学过程，增强海洋风速。温暖的海洋表面使空气浮力增加，引发更强的对流，加强了空气的垂直运动，进而促进强风系统的发展。此外，还有一些反馈机制也能提高风速，比如强风促进海洋层混合，使冷水上涌，重新分配热量，维持气压梯度，还能增加蒸发和潜热释放，持续推动对流和风速加快16。

研究还发现，海表面温度在过去几十年显著上升，除了北大西洋格陵兰东南部海域温度呈下降趋势外，其他地区大多呈上升趋势，年增幅接近 0.016℃。通过回归分析，研究人员发现海表面温度与海洋风速呈正相关，全球年平均海表面温度每升高 1℃，全球平均海洋风速预计增加约 0.62 。格兰杰因果检验表明，海表面温度有助于预测未来海洋风速，从互相关分析的空间分布来看，海表面温度变化对海洋风速的影响在某些地区会持续或增强，大约 2 年后全球平均海洋风速会全面增强1718。

这项研究意义重大。它明确了海洋风速的显著上升趋势，尤其是南半球 40° - 60° 区域对全球风能密度贡献巨大，是未来风能开发的关键区域。研究还建立了海表面温度与海洋风速之间的紧密联系，量化了海表面温度变化对风速的影响，揭示了热力学和大气反馈机制在风速变化中的作用。这充分体现了海洋风能相比陆地风能的优势，为可再生能源发展指明了方向。同时，研究结果表明气候变化下，海表面温度上升与风速增加相关，为在变暖气候中优化风能生产提供了依据，强调了将气候科学融入可再生能源规划的必要性，为未来风能战略的制定提供了重要基础，有助于更好地利用海洋风能，推动可持续能源发展1920。