文摘
纪念趋势表面风速在北美的全球气候模型模拟了气候模型相互比较项目阶段5 (CMIP5)存档。使用21世纪的RCP 8.5场景下模拟温室气体排放,5 - 10百分比增加每世纪10米风速出现在中部和东部的美国加州海岸,美国的南部和东部沿海地区在冬季。在夏天,气候模型预测风速的降低每世纪从5到10%相同的沿海地区。这些投影表面风速的变化是温和和暗示当前估计的风能潜力北美基于现代气候学不会显著改变温室气体强迫在未来几十年。
1。介绍
快速科技发展在过去的十年里建立了风能的主要替代化石燃料为基础的能源。风力发电的潜力仅在美国,包括离岸和在岸”能力,估计约15000千瓦(例如,洛佩兹et al。1])。这个估计通常没有考虑未来气候变化可能改变近地表风的模式和强度在理想的位置为风电场(弗里德曼et al。2任),(3])。在世界范围内,decadal-to-centennial气候变化的长期预测由于人为排放的温室气体(GHG)系统地进行了气候模型组参与气候模型相互比较项目阶段5 (CMIP5,泰勒et al。4],cmip5-pcmdi.llnl.gov / cmip5),密切与政府间气候变化专门委员会(IPCC)联合国(联合国政府间气候变化专门委员会(5])。而气候模型输出CMIP5及其前身已经广泛用于项目区域温度变化和水文周期(例如,Seager et al。6),贝克和黄(7]),很少有研究利用数据集项目未来表面风的变化。值得注意的是,普赖尔和Barthelmie8]分析了区域模型模拟NARCAAP (Mearns et al。9]),受到全球模型预测CMIP3(冷缩et al。10]),得出GHG-induced气候变化不会显著影响风力发电潜力,美国在未来几十年。对这未开发的研究领域,本研究将使用新的CMIP5模型数据的一个子集构造GHG-induced趋势在近地表风速超过北美。
水平分辨率的全球气候模型CMIP5大概都在100 - 150公里在情理之中。据悉,这是不够好解决详细在中尺度地形和submesoscale,可对低层风场有重要的影响。然而,从全球模型提供的信息一阶的大规模流动的变化,将形成未来努力缩减规模全球的基础模型输出区域和城市尺度。21世纪的CMIP5模拟是由不同的场景的辐射强迫推导出人为温室气体和工业气溶胶的排放。地区气候变化由于土地利用变化(例如,城市化)甚至大规模风电场的影响(例如,基斯et al。11),亚当斯和基斯(1221世纪])不受场景CMIP5和不考虑这项工作。
2。数据集
5个模型,从CMIP5 EC-Earth、IPSL-CM5-LR GISS-E2-H, CSIRO-MK 3.6.0,和访问(列在表1.01),在这项研究中使用。的散点图,首先检查指标的大规模风场(Paek方式和黄13Pacific-North美国部门]),这5个模型被选为一个子集,至少反映了多样性(模型的分辨率和偏见)CMIP5 30多个模型。例如,IPSL-CM5-LR GISS-E2-H大幅低估和CSIRO-MK 3.6.0高估了低空急流在北美,而另两个模型产生只有小偏差特性(没有显示)。目的推导趋势,20世纪的历史运行和相应的21世纪代表浓度下运行通路(RCP) 8.5使用场景。作为一个简短的背景,RCP8.5场景征收8.5 W / m2预期引发的辐射强迫,温室气体浓度的增加,大气向21世纪的结束。它产生的增加全球平均地表气温范围从+ 2.6 + 4.8°C / 21世纪大多数CMIP5从预测模型(联合国政府间气候变化专门委员会(5])。
全球模型CMIP5通常很少在行星边界层垂直水平。考虑到风力涡轮机通常在80 - 100米高度,没有直接的模型输出,最接近的标准输出变量,我们可以使用来自CMIP5表面风速和矢量风场在10米高度计算从边界层参数化方案。我们将使用标准的月度意味着这些变量从CMIP5档案。值得注意的是,与我们的目标一致,表面风速的月均值存档的月平均风速计算每日或subdaily频率。虽然风速度通常小于10米,在80 - 100米高度,相关的两个高度相关,可以由赫尔曼指数和风梯度方程用于风力涡轮机(例如,Kaltschmitt et al。14])。因此,我们分析了10米风的关闭代理实际风力涡轮机的高度。
模拟近二十年来的历史和RCP8.5用于推断运行趋势。更准确地说,纪念趋势的定义是气候学的气候学2079 - 2099 - 1979 - 1999。冬季和夏季将分别进行分析。10米风数据NCEP-DOE reanalysis-2 (Kanamitsu et al。15),获得的数据归档http://www.esrl.noaa.gov/psd/1979 - 1999年)也将被用于交叉验证CMIP5历史运行。
3所示。表面风速在现在和未来的气候
图1显示表面的气候学(10米)风速在北美冬季(型号)由20世纪的最后二十年历史运行(图1(一))和21世纪的最后二十年RCP 8.5(图运行1 (b))在CMIP5使用五种不同的模型。图2是类似于图1但对于夏季(6)。20世纪的模拟,模型产生最高的常见的一阶特征风速在海洋和相对较高的风速在大平原相比落基山脉和美国东南部。风速是整体在冬季高于夏季。这些一阶特性也产生的21世纪,给第一个迹象表明GHG-induced气候变化不显著改变海面风场。群20或21世纪内运行时,明显的差异模型。例如,在冬天,GISS-E2-H 1.0和访问产生了更强的表面风东海岸的美国比其他模型;IPSL-CM5-LR和EC-Earth产生一个更独特的局部最大值的表面风在美国的中北部,是不太明显的其他三个模型的模拟。也是有趣的注意,只有EC-Earth产生局部表面风最大的五大湖。这是因为模型中分辨率最高5(见表1),足够高的部分解决湖泊。上面提到的精细结构,独特的个体模型往往存在于20和21世纪模拟的模型。这表明温室气体强迫下的模型偏差仍类似的在21世纪。换句话说,如果一个定义了趋势随着21世纪气候学和20世纪气候学的区别,从相同的模型,偏差会取消。因此,这一趋势模型推导出仍然可以是有意义的,即使如此有偏见。
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图3显示了地表风速的趋势,定义为2079 - 2099年的气候学- 1979 - 1999年的气候学在北美冬季(图3(一个)),夏季(图3 (b)5),基于模拟的模型如图1和2。模型的温室气体强迫产生不同的反应。例如,冬天IPSL-CM5-LR产生一个积极的趋势和消极的趋势在夏季几乎整个北美部门,而反应CSIRO-MK 3.6.0模型温和的季节。然而,当整个模型,平均GHG-induced表面风速总体增加的趋势在冬季和夏季减少在北美大陆。冬天表面风速的增加大致符合东对流层的增强射流在空中(这是一个冬天的主要特征)发现在之前分析的CMIP5纬向风数据(Paek和黄13])。
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趋势图的决心3完全是基于模型。如上所述,如果模型偏差不影响温室气体强迫在21世纪,以21世纪和20世纪之间的区别,偏见会取消本身。这种哲学也是通过政府间气候变化专门委员会在其对未来气候变化专门委员会(IPCC评估报告(5])。然而,出于完整性的考虑,我们应该选择比较模型与20世纪再分析确认偏见并不过分。图4显示了1979 - 1999年气候学(平均超过所有季节)的表面风速NCEP-DOE reanalysis-2(图4(一)),连同它的同行使用GISS-E2-H从历史运行(图4 (b))和EC-Earth(图4 (c))。整个模式再分析和模型模拟相似,尽管GISS-E2-H略微低估了风速超过美国中西部而EC-Earth高估了它。一个更复杂的画面出现进一步比较了气候学- - -制造10米的风。图5(一个)是类似于图4但对于分表面风和图5 (b)是它的分量。尽管EC-Earth表面风速较大的偏差,它模拟了分的风场比GISS-E2-H更好。EC-Earth的偏见是主要的分。数据的两种情况4和5足以说明模型偏差有所复杂模式但不过度的大小。同时,进一步检查没有发现一个简单的通信模式之间的偏见和模式的趋势。
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4所示。区域表面风场
与表面风速的变化如图3,也许有人会问,如果还有风向的变化。10米风字段的映射,选择模型和显著的地区风速的变化,如图6和7。数据6(一)和7(一)显示历史运行和数据6 (b)和7 (b)显示相应的RCP 8.5运行。风字段显示为箭头,风矢量的大小在后台对色差。图6显示了美国中部的EC-Earth模拟(上)和美国东海岸的夏天(底部)。图7显示了美国南部和GISS-E2-H模拟墨西哥湾(上)的一部分,美国西海岸(底部),为冬季。而重要的风向的变化被发现在几个孤立的地方,例如,伊利诺斯州的第一行图6,宾夕法尼亚州和新泽西州海岸在底部排图6如图,对于大多数地区6和7温室气体强迫不引起主要风向的变化和表面风的模式。
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5。讨论
我们的分析使用了风速和水平速度场在10米高度,直接可以从CMIP5存档。据悉,10米风作为代理的风力涡轮机的高度80 - 100米,这是通常比风在表面附近。因此,一个更有用的衡量温室气体强迫的影响也许是百分比变化,变化的绝对值,而是在10米风速。在一个网格点(,),和经度和纬度的指数,multimodel 10米的平均百分比变化风速的定义是 WS21哪里RCP的风速8.5运行和WS20风速从历史的运行和吗的指数模型。因为这5个模型有不同的水平分辨率,CMIP5数据第一次插入到相同的网格(使用的reanalysis-2)前统计计算。的计算不会有意义的地区地表风速(WS20)非常小,风力发电机在哪里也不太可能。排除了这些地区,我们认为大多数的大容量风力涡轮机操作5 m / s以上实际的能源生产。由赫尔曼指数和风梯度方程用于风力涡轮机(例如,Kaltschmitt et al。14]),风速度80通常是1.5到2倍的风速在10米高。因此,我们将忽略10米的区域风速小于2米/秒。(如果至少一个模型满足这一标准在一个给定的网格点,排除在计算网格点)。的地图冬天的图吗8(一个)和夏天在图8 (b)。白色的区域图8是表面的气候学风很小或表面风很小的百分比变化。intramodel标准差(作为衡量偏离multimodel的意思是,)的百分比变化两个赛季也显示在图9。标准偏差计算只在计算均值。为方便策划的结果,在图9标准差被设置为零的领域不计算。冬天气候表面风更强的整体时,我们发现一个温和增长5 - 10%的近地表风速在中央和美国中北部沿海地区在加州和美国的南部和东部沿海地区。使用贝茨定律(风力发电风速的立方体)成正比,相当于风能潜力的变化将是大约15 - 30%每世纪彩色区域图8(一个)。在夏天,降低风速5 - 10%的类似的范围是在上述沿海地区发现。发现更大的减少,接近20%,在美国西部和中西部的孤立的位置。然而,这些值是不可靠,因为它们与高intramodel标准差(比较数据8(一个)和9(一个)),表明更高比例的变化是由一个或少量的离群值。
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在前面的分析中我们将GHG-induced 10米的变化发生变化的风速估计风能潜力通过简单立方定律应用到风速在20和21世纪,然后在“风速立方计算百分比变化。“我们使用这个简单的方法,因为CMIP5存档并没有提供详细的风和温度降低边界层中的概要信息。(空气温度可在2米。)注意,风力涡轮机高速度,,大约是风速相关参考高度(10 m在我们的例子中),的关系,在那里和是涡轮的高度和参考电平(中立稳定姿态~ 0.14)是一个可调参数(例如,彼得森和亨尼西Jr。16])。因此,我们获得了风力发电的比例变化的估计潜在的隐式假设或静态稳定在较低的边界层,由温室气体强迫没有改变在未来。验证这个假设是超出了本研究的范围,但将是一个有用的未来气候建模工作高垂直分辨率。
我们的结果表面风速和风向的变化表明,温室气体强迫(用于CMIP5模拟在RCP 8.5情况下)有一个温和的,但不是主要的,影响近地表风场在北美。这广泛同意的结论普赖尔和Barthelmie8)风力发电潜力的估计美国使用现代气候学在未来几十年仍将是有用的。注意,这一趋势被认为是在这项研究中被定义为纪念变化在整个21世纪。只相当于改变了未来50年(所讨论的普赖尔和Barthelmie8])将会更小。RCP 8.5场景选择我们的分析是具有更高的估计未来的温室气体排放。如果选择RCP 4.5场景,预计趋势也会更小。
6。结束语
使用来自CMIP5归档和5模型比较与历史运行RCP 8.5运行,温和的纪念趋势预计在10米风速超过北美。在冬天,我们发现5 - 10百分比增加每世纪在美国中部和中东部,加州海岸,和美国的南部和东部沿海地区。在夏天,降低风速范围从5到10%每世纪被发现在相同的沿海地区。这些投影表面风速的变化是温和的整体。从全球模型预测,北美风能潜力的估计基于现代气候学在未来几十年仍将是准确。相对粗分辨率的全球模型不允许一个中尺度的准确表示submesoscale地形,这可能会影响预测的表面风场的变化。我们的结果将作为一个有用的基础指导未来工作降尺度submesoscale CMIP5模型输出,这可能有助于解决地形的影响。RCP场景中使用CMIP5不考虑未来的土地利用变化的影响,包括那些与大型风力发电场的建设。这些影响到区域气候建模的集成,使用CMIP5全局模型的输出作为边界条件,将有助于完善这项工作的结论。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。