氣候是一個復(fù)雜系統(tǒng)，2021年真鍋淑郎和哈塞爾曼憑借利用復(fù)雜系統(tǒng)解決氣候變化問題的開創(chuàng)性研究獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

能源也是一個復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)前全球氣候系統(tǒng)正在發(fā)生劇變，這和當(dāng)前的全球能源問題不僅緊密關(guān)聯(lián)，甚至就是問題的真相。

今年夏天以來，能源成為了全球的共同問題。盡管能源問題的背后存在很多個性因素，例如供給受限、進口收縮、疫情延誤、資本開支紀(jì)律、ESG等等。

但也存在兩個明顯的共性問題，一是高溫嚴(yán)寒帶來的能源需求增量，二是少風(fēng)缺水造成的能源供給減量。而極端天氣和少風(fēng)缺水并非獨立事件，都和氣候系統(tǒng)變化有關(guān)。

地球的風(fēng)帶是一個環(huán)形，在北緯35-65度上空有一條常年由西向東旋轉(zhuǎn)的“西風(fēng)帶”，其中心最大風(fēng)速能達到30-40米/秒以上，屬于高空急流的一種。

西風(fēng)帶分布在副熱帶高壓和副極地低氣壓帶之間，強度和路線受北極和中緯度地區(qū)之間的溫差推動，南北溫差越大速度越快，氣流路線越趨于直線。

西風(fēng)帶環(huán)繞在中緯度地區(qū)，包裹著北極漩渦，將冷空氣緊緊地禁錮在極區(qū)內(nèi)。如果把極地比作一個巨大的“羊圈”，那么西風(fēng)帶就是“圍欄”。

正常情況下，赤道很熱，極地很冷，這種溫度差使得西風(fēng)帶自西向東沿緯線圈運動，沒有大的波動，“羊圈”的“圍欄”非常牢。

相反，溫差越小氣流速度越慢，路線則呈現(xiàn)波浪形，冷空氣便不能再穩(wěn)固地被封鎖在北極地區(qū)，容易順著大氣波的“大槽”長驅(qū)南下。

由于地球氣候變暖，北極地區(qū)升溫，從赤道到北極的南北溫差減小，西風(fēng)帶變得不穩(wěn)定，流動方向變得彎彎曲曲呈波浪狀，“圍欄”也就變得不牢固了。

這同時導(dǎo)致了兩個后果。

一是赤道與北極之間的溫度梯度減小，中緯度帶狀風(fēng)的風(fēng)速減弱，北半球西風(fēng)帶正在風(fēng)速變慢、方向紊亂。

一些學(xué)術(shù)研究指出了這個問題：

比如丁一匯等（2020）指出，近50年來中國地面風(fēng)速平均減小速率為0.10-0.22 m/s/10a，其中內(nèi)蒙古中西部、黑龍江西南部、遼寧西南—河北東北部、甘肅西北部—青海北部、新疆天山地區(qū)和南部等北方地區(qū)、浙江與福建沿海以及西藏的東南部風(fēng)速降幅較大。

邢麗珠等（2020）發(fā)現(xiàn)，1961-2018年以來內(nèi)蒙古全區(qū)94%的氣象站點都出現(xiàn)了風(fēng)速的下降,氣候傾向率為 -0.21m/s/ 10a。

賈詩超等（2019）研究了新疆地區(qū)的風(fēng)速變化，得到的結(jié)論是新疆地區(qū)風(fēng)速隨溫度升高而降低，風(fēng)速下降最快的是準(zhǔn)格爾盆地周邊的北疆地區(qū)。

由于西風(fēng)帶的存在，北緯35-65度上集中了歐洲（從地中海到斯堪的納維亞半島）和中國（江蘇河南青海及以北地區(qū)）主要的風(fēng)電場，這一區(qū)域的風(fēng)速降幅對風(fēng)電供應(yīng)產(chǎn)生了明顯的負面影響。

今年6-7月，歐洲地區(qū)的風(fēng)電發(fā)電量合計降低了11.6%，占總發(fā)電量比重從去年同期的11.5%下降至9.8%。

根據(jù)Qun Tian等（2019）的研究，1979年至2016 年間全球73%的站點出現(xiàn)了風(fēng)速下降，北美、歐洲和亞洲分別約有 30%、50%和80%的電站損失了超過 30% 的風(fēng)電潛力。

我們用“風(fēng)電設(shè)備發(fā)電量/裝機容量”衡量風(fēng)電的產(chǎn)出效率，發(fā)現(xiàn)中國的風(fēng)電產(chǎn)出效率近三年持續(xù)走低，其中2020年僅為1472.7h，較2018年下降了16.6%。

分地區(qū)來看，除云南外的絕大多數(shù)省份都出現(xiàn)了風(fēng)電產(chǎn)出效率的下降，其中又以北方的山西、河南、山東和寧夏最為嚴(yán)重。

考慮到2018-2020年我國風(fēng)電利用率分別為93%、96%、96.5%，說明風(fēng)電產(chǎn)出效率的下降并不是因為棄風(fēng)問題惡化，而可能是因為風(fēng)速的放緩。

二是西風(fēng)帶變得不穩(wěn)定，流向紊亂，導(dǎo)致冷空氣南移和熱空氣北移，結(jié)果是寒冷地區(qū)高溫、多雨地區(qū)干旱、少雨地區(qū)暴雨等極端天氣事件越來越頻繁。

本來地球上的高低氣壓帶是環(huán)環(huán)相套的，全球變暖導(dǎo)致熱交換放緩后，西風(fēng)帶阻塞，冷空氣南移，熱空氣北移，高低氣壓帶攪在了一起。

中心低壓、周邊高壓的地方形成了一個個“低渦”，只要高壓保持穩(wěn)定壓力并且周邊有源源不斷的潮濕空氣補充，這些“低渦”就會變成下雨的“漏斗”，造成極端暴雨現(xiàn)象。

今年夏天，本該緯向流動（東西風(fēng)）的北半球西風(fēng)帶環(huán)流出現(xiàn)了大量經(jīng)向流動（南北風(fēng)），大槽大脊帶來了南北冷暖氣流的劇烈交匯，德國、美國東部和中國華北等地區(qū)都出現(xiàn)了穩(wěn)定的低渦系統(tǒng)。

以中國華北地區(qū)為例，7月偏強偏北的西太平洋副熱帶高壓維持在日本海地區(qū)，大陸高壓維持在中國的西北地區(qū)，兩者之間的低渦系統(tǒng)在黃淮地區(qū)停滯，太平洋上的臺風(fēng)煙花又提供了源源不斷的水汽，最終將一場史無前例的降雨灌注到了處于低渦地帶的鄭州地區(qū)。

副熱帶高壓的過度北移還造成了這些年中國“南旱北澇”的氣候現(xiàn)象。

一方面，北上的副熱帶高壓覆蓋了中國華南大部分地區(qū)，使得暖濕氣流難以進入南方腹地形成降雨，導(dǎo)致華南地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)的高溫和干旱。

另一方面，北上的副熱帶高壓在華北、東北地區(qū)和南下的強冷空氣碰撞，配合太平洋夏季輸送來的暖濕氣流在中國北方形成了一條持久充沛的降雨帶。

今年“南旱北澇”現(xiàn)象尤為明顯。華北多雨的時節(jié)通常為每年7月中下旬至8月上中旬，但今年9月以來北方地區(qū)降水量較常年同期偏多1.4倍，為歷史同期最多。

同期南方遭遇了罕見的連續(xù)高溫，貴州、湖南、福建、江蘇、浙江、甘肅、廣東、重慶、寧夏、江西、上海、湖北、四川、廣西和安徽15個?。ㄊ小^(qū)）氣溫為1961年以來歷史同期最高。

降雨帶的北移和水電的裝機分布構(gòu)成了錯位。

我國水電裝機容量最高的三個省是四川、云南和湖北，但今年瀾滄江和金沙江上游降雨量偏低、來水偏枯，四川、云南和湖北的水電供給明顯減少，8月水電產(chǎn)量分別同比下滑6.9%、2.8%和15.9%。

據(jù)上市公司長江電力披露：今年二季度位于金沙江的云南溪洛渡水庫來水總量約130.6億立方米，較上年同期偏枯44.7%；位于長江的湖北三峽水庫來水總量約887.7億立方米，較上年同期偏枯6.7%；受此影響，公司今年二季度總發(fā)電量較上年同期減少11.2%。

全球氣候系統(tǒng)悄然發(fā)生的巨大變化，正在對根據(jù)歷史氣候特征布局的全球風(fēng)電和水電設(shè)施構(gòu)成挑戰(zhàn)，給全球能源供給帶來了負面沖擊。

與此同時，全球氣候變暖帶來了極端天氣，極寒和高溫等異常天氣現(xiàn)象變得越來越常見，又給全球能源需求帶來了正面沖擊。

全球氣候變暖并不代表一年到頭的氣溫都會上升，而是冬天可能更冷、夏天可能更熱。

全球變暖的背景下，北極升溫速率上升了1-2倍，海冰快速融化，南北溫度差縮小。北極平流層極渦減弱，中緯度西風(fēng)帶波動性加大，冷空氣在歐亞大陸上一路南下，形成了北半球冬季的劇烈寒潮。

今年2月俄羅斯、歐洲北部和北美洲平均氣溫較往年明顯偏低，美國得克薩斯州的寒潮造成了大規(guī)模停電，超過100名居民因此身亡。

另一方面，西風(fēng)帶的長波脊不斷北伸時，其與南方暖空氣的聯(lián)系可能會被南下的冷空氣所切斷，出現(xiàn)閉合的高壓脊中心。因為氣壓較高，水蒸氣難以凝結(jié)，高壓脊中心地區(qū)將出現(xiàn)持續(xù)的干旱和極端的高溫。

根據(jù)國家氣候中心的監(jiān)測，今年6月下旬到7月上旬西風(fēng)帶出現(xiàn)了四個高壓脊，圖中的三個圓圈區(qū)域分別為歐洲、俄羅斯遠東地區(qū)、北美西部上空的三個高壓脊中心，還有一個位于北大西洋。

由于高壓脊拱形越明顯，異常幅度越大，今年歐洲大部、俄羅斯東部、北美西部氣溫均較常年異常偏高，其中北美西風(fēng)帶高壓脊又和北擴的東太平洋副熱帶高壓結(jié)合在一起，形成了非常強的阻塞高壓，加劇了今年加拿大和美國西北部的極端高溫。

更大的問題是，未來極端天氣現(xiàn)象可能會越來越常見，原因是氣候變暖會自我強化。

自1979年有衛(wèi)星觀測記錄以來，北極9月份海冰覆蓋面積在以每10年12.8%的速度減少，這使得北極深色的水域越來越多，太陽輻射更容易被海水吸收而不是被冰雪反射回太空；也使得泛極地區(qū)域凍土融化，向大氣釋放二氧化碳和甲烷；還造成了海水的淡化，減慢了環(huán)流熱交換。

種種后果都會形成正反饋循環(huán)的閉環(huán)，帶來溫室效應(yīng)的進一步強化。

而且越來越多的跡象表明，地球氣候系統(tǒng)正在面臨臨界點。

2019年11月《自然》雜志上，英國埃克塞特大學(xué)Tim Lenton教授列出了全球氣候系統(tǒng)的九大關(guān)鍵臨界點：北極海冰不斷減小、格陵蘭冰蓋加速流失、北方針葉林頻繁火災(zāi)與蟲害、永久凍土不斷融化、大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流不斷減弱、亞馬遜雨林頻發(fā)性干旱、暖水珊瑚大規(guī)模死亡、西南極冰蓋和東南極部分地區(qū)加速流失。

Lenton教授指出了臨界點之間的正反饋關(guān)系：北極海冰消失正在加劇區(qū)域變暖，區(qū)域變暖和格陵蘭冰蓋融化正在推動淡水流入北大西洋，造成大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流放緩，這可能會破壞西非季風(fēng)的穩(wěn)定，引發(fā)非洲薩赫勒地區(qū)的干旱；還可能使亞馬遜河枯竭，擾亂東亞季風(fēng)，帶來南大洋熱量積聚，加速南極冰的流失。

他還指出，氣候模型的結(jié)果顯示全球氣候的敏感性（溫度對二氧化碳翻倍的響應(yīng)）相比以往大大增加了。

回到本文的開頭，地球氣候系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，在復(fù)雜系統(tǒng)中，一旦越過了某個關(guān)鍵（氣候）臨界點，將大大增加其余系統(tǒng)臨界點被激活的風(fēng)險。

一旦系統(tǒng)的臨界點被真正觸發(fā)，系統(tǒng)不會再是原有的狀態(tài)，“緩慢”的量變會突然變?yōu)椤凹ち摇钡馁|(zhì)變，這是復(fù)雜系統(tǒng)的特征。

屆時氣候變化可能躍遷為更加陡峭的非線性指數(shù)級數(shù)，未來人類將面臨不可逆和不可預(yù)測的氣候變化。

我們既不是地球氣候?qū)＜乙膊皇侨蚰茉磳＜?，但在簡單匯總一些事實后，我們可以得出三個比較明顯的結(jié)論：

第一，當(dāng)下席卷全球的能源問題，表面看是短期供求錯配、政策低估外生沖擊和各種微觀博弈的結(jié)果，背后難以忽視的真相是大自然的力量推動了這場能源短缺，而人類的行為加劇了短缺的程度。

第二，地球氣候系統(tǒng)正在加速接近劇變的臨界點，高溫嚴(yán)寒帶來的能源需求增量和少風(fēng)缺水造成的能源供給減量可能演變?yōu)殚L期問題。

第三，大自然的轉(zhuǎn)變是不可逆轉(zhuǎn)的，人類的能源革命既在和大自然賽跑，也在和自己賽跑?；茉丛谀硞€時間節(jié)點的緊缺程度以及可再生能源對于未來的重要性，可能都會不斷超出預(yù)期。