风力发电的优势众所周知。风是清洁、充足且可再生的。大规模安装涡轮机有助于让依赖碳排放的文明摆脱对化石燃料的依赖。新的研究表明，有一天可能会有另一个主要好处：大规模的风力涡轮机安装可以减弱强大飓风登陆时带来的毁灭性降雨。在最近的哈维和弗洛伦斯等带来历史性降雨量的风暴中，这本可以减少洪水和破坏，以及减少死亡。“海上风力发电场无疑可以成为削弱飓风和减轻其破坏的潜在工具，”特拉华大学地球、海洋与环境学院教授Cristina Archer说道，她近期在一项发表在《环境研究快报》期刊上的研究中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，这就是我感到兴奋的原因。”
近年来，气候变化一直在驱动着更大、更强的飓风。蒸发的海水为飓风提供燃料，其强度取决于海水从海洋蒸发的速率。当海水蒸发时，它将热量从海洋传递到大气，然后转化为风能，产生越来越强的风。随着海水温度的升高，蒸发率也随之升高，风力也随之增强。海洋越温暖，蒸发越快。而气候变化正在以一种不祥的速度加热着海洋。
在早期的研究中，Archer证明了海上风力发电场会吸收飓风的动能，从而减弱风和风暴潮的影响。她的最新研究表明，当部署数量非常庞大的涡轮机时，它们还可能减少风力发电场下游陆地地点的降雨。“这项新研究的动机主要是哈维，”Archer说。“它倾泻了惊人的雨量，而正是雨水导致了休斯顿地区的洪水。”
要理解飓风遇到风力涡轮机时会发生什么——以及涡轮机如何减轻降雨——就必须了解影响降水的两个重要因素：辐合和辐散。强烈的飓风风速在遇到风力涡轮机时会减慢，并向上移动，因为它们没有其他地方可去。这会将更多湿气带入大气，从而增加降雨。这就是辐合。
辐散则相反；它导致向下运动，吸引干燥的空气向下运动，从而抑制降水。
“想象一下，辐合就像高速公路上的交通堵塞，大家都在飞速前进，然后——突然——发生了一起事故，所有人都慢了下来，”Archer解释说。“汽车发生了辐合，造成了拥堵……这就是海上风力发电场上游的辐合。辐散则类似于汽车终于通过事故点，大家又加速行驶的情况。”
辐合和辐散在许多情况下会自然发生。“例如， wherever we have a low-pressure center — associated with storms in the mid latitudes — typically the surface winds converge towards it,” Archer says. “Vice versa, wherever we have a high-pressure center, like during clear and warm weather, winds at the surface diverge out of it. When you have a change in land use, like from ocean to land, or from forest to pasture, this causes a change in the winds — deceleration from ocean to land, or acceleration from forest to grass -and thus you have convergence and divergence, respectively.”
“在风力发电场上方，风速会减慢，‘因为这就是涡轮机的作用’，”她说。“它们从风中提取动能，因此它们后面的、每个涡轮机下游的风比上游的风要弱。将越来越多的涡轮机组合成一个大型风力发电场，你可以想象，在风到达第一批涡轮机之前，在风力发电场前方会引起辐合，而在风力发电场之后，风再次加速，会产生辐散。”
因此，要产生降水，必须有向上的运动，将近地面的湿润空气带入大气层，在那里凝结并形成雨水。“要在近地表产生向上的运动，就需要有辐合，”她说。然后，“要消除降水，就需要向下的运动，这就是表面辐散发生时的情况。显然，你还需要一个一开始就富含水分的环境。如果你在沙漠中发生辐合，无论多么强烈，都不会有降水，因为它太干燥了。”
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，因为飓风形成于水面，一旦到达陆地就会迅速消散。“[海上]有充足的水分，所以我们更有可能看到效果，”她说。“我们研究飓风是因为它们持续时间足够长，以便形成和保持辐合/辐散的模式。如果你仔细想想，一个飓风会持续数天，并带来来自几乎相同方向——从海洋到陆地——的强大、稳定的风。”
目前的一个缺点是，涡轮机在强风下通常会被关闭。Archer说，他们的计算机模拟考虑了“切断”风速，目前德国Enercon 126海上风力涡轮机型号的切断风速是每小时76英里。然而，制造商现在正在开发能够承受更强风的新型涡轮机，例如飓风和台风中的风，预计这些将于2020年上市，她补充道。
科学家们使用了覆盖德克萨斯州和路易斯安那州海岸的数值计算机模拟，研究了在哈维期间存在海上风力发电场的情况下可能会发生什么。他们考察了不同数量的涡轮机、不同大小的区域以及各种布局。
“当空气到达陆地时，它已经挤出了大量的水分，”Archer说。“在哈维模拟中，我们减少了30%的降水量。这意味着，如果一个地区有海上风力涡轮机阵列，并且该地区发生飓风，那么陆地上的降水量很可能会减少。”
该研究使用了从零涡轮机（对照组）到最多74,619台涡轮机（目前在美国不现实的数量）的假设涡轮机。“与欧洲（拥有100多台海上风力涡轮机）不同，美国只有五台，它们都是该国第一座且唯一的海上风力发电场，位于罗德岛州布洛克岛附近。”
她表示，最大的配置有74,000台，最小的配置有22,000台。“所以这些数字无疑很高。”她说。“相比之下，今天全球大约有300,000台涡轮机。”
尽管她认为涡轮机越多越好，但科学家们发现，使用较少涡轮机或将涡轮机布置在较小区域也有积极效果。“例如，你不需要[涡轮机覆盖大片区域]，”Archer说。你可以用一个‘聪明地’放置在休斯顿的[小型布局]获得几乎相同的效益。”
她表示，在中等大小的区域内有33,363台涡轮机，休斯顿都会区降水量减少了15%。在小型[区域]内有28,197台涡轮机，降水量减少了10%。“我们在其他地区看到了更大的降水减少，但我们专注于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，尽管“海上风力发电场越多，对飓风的影响就越大，”她说。“当飓风真正登陆时，这些涡轮机阵列已经运行了数天，从风暴中提取能量和水分。结果，风暴会变弱。字面意义上。”
她指出，社区可以修建海堤或人工屏障岛来抵御风暴潮。但这些无法抵御降雨。“成本很高，而且它们只服务于一个目的，”她说。“另一种选择是建造海上风力发电场，它们[最终]能够收回成本，产生清洁可再生的能源，而且——锦上添花——还能抵御包括降雨和风暴潮在内的飓风。”
玛琳·西蒙斯为Nexus Media撰稿，该媒体是一家涵盖气候、能源、政策、艺术和文化的联合新闻社。
