大型光伏電站對共和盆地荒漠區微氣候的影響

殷代英, 馬 鹿， 屈建軍, 趙素平, 余 曄, 譚立海, 肖建華

(1.中國科學院 西北生態環境資源研究院 敦煌戈壁荒漠生態與環境研究站， 甘肅 蘭州 730000; 2.中國科學院寒旱區陸面過程與氣候變化重點實驗室, 甘肅 蘭州730000; 3.青海黃河上游水電開發有限責任公司, 青海 西寧 810008)

大型光伏電站對共和盆地荒漠區微氣候的影響

殷代英1,2, 馬 鹿3， 屈建軍1, 趙素平2, 余 曄2, 譚立海1, 肖建華1

(1.中國科學院 西北生態環境資源研究院 敦煌戈壁荒漠生態與環境研究站， 甘肅 蘭州 730000; 2.中國科學院寒旱區陸面過程與氣候變化重點實驗室, 甘肅 蘭州730000; 3.青海黃河上游水電開發有限責任公司, 青海 西寧 810008)

[目的] 揭示光伏電站內外局地小氣候的差異,評估大型光伏電站的布設對共和盆地荒漠區小氣候的影響。[方法] 利用自動氣象站的觀測數據,通過對比對照點和光伏電站內觀測點觀測得到的基本氣象要素(氣溫、相對濕度、風速和風向、輻射)和土壤溫濕度評估大型光伏電站的布設對共和盆地荒漠區小氣候的影響。[結果] 光伏電站的布設使得共和盆地荒漠區相對濕度增加3.93%,這種影響在較干日和夜間表現的更明顯。在布設光伏電站后風向由原來的東北風轉為以東風為主,光伏電站的布設使得局地風向更加單一。對于風速而言,在布設光伏電站后大風速出現的比例顯著降低。大型光伏電站使得共和盆地荒漠區風速減小了53.92%。大型光伏電站使得共和盆地荒漠區10，20，40 cm平均土壤溫度分別降低17.20%,16.75%和16.09%,對淺層的影響大于深層。光伏電站對共和盆地荒漠區10 cm土壤濕度的影響較其他要素更顯著,大型光伏電站使得共和盆地荒漠區10 cm平均土壤濕度增加了71.61%。[結論] 大型光伏電站使得共和盆地荒漠區的濕度增加；風向變得單一，風速減小；土壤溫度降低和土壤濕度增加。

光伏電站; 共和盆地; 荒漠區; 微氣候

文獻參數： 殷代英, 馬鹿，屈建軍, 等.大型光伏電站對共和盆地荒漠區微氣候的影響[J].水土保持通報，2017,37(3)：15-21.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.003； Yin Daiying, Ma Lu, Qu Jianjun, et al. Effect of large photovoltaic power station on microclimate of desert region in Gonghe Basin[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：15-21.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.003

太陽能作為一種清潔能源，具有無限性、普遍性、清潔性和經濟性等優點。太陽能光伏發電具有結構簡單，使用方便、清潔、安全、無噪聲、價格低、市場好等優點[1]，目前，全球光伏發電總裝機容量約占全球發電總裝機容量的1%，預計至2030年，可提供全球15%的電能[2-3]。光伏發電必將占據越來越重要的地位。近年來，光伏電站對氣候和環境影響的研究逐漸受到重視。國外，Fthenakis等[4]在北美一個大型光伏電站用實測溫度場數據于模擬的溫度場數據最對比。Haider Taha[5]對洛杉磯地區進行氣象建模來評估光伏電站的大氣效應。Nemet[6]研究了由于安裝大范圍太陽電池板所引起的反照率變化對全球氣候的影響。Genchi等[7]研究了東京大規模屋頂光伏裝置對城市熱島效應的影響。Theocharis等[8]的研究表明太陽能光伏發電的環境影響比較小，并且可以通過一些措施將其影響降低到最小。國內，王濤[9]、盧霞[10]研究了光伏電站建設對氣候效應的影響。周波等[11]分析了荒漠戈壁區光伏電與風電對水土流失特征的對比。趙名彥等[12]研究了光伏電站建設給生態脆弱地區環境帶來的影響。楊麗薇等[13]研究了格爾木光伏電站內的輻射特征。

至今對光伏電站小氣候效應比較系統的研究還很少，小氣候是指在近地面1.5～2.0 m 以下的局部地區內，因下墊面局部特性影響而形成的貼地層和土壤上層的氣候，它與大氣候不同，其差異可用范圍小、差別大、很穩定來概括[14-15]。研究小氣候具有很大的實踐意義[16-23]，光伏電站由于光伏電板的架設改變了下墊面，對局地小氣候會形成一定的影響，研究光伏電站對小氣候的影響具有重要的學術和現實意義。本文擬用光伏電站內的風速、氣溫、相對濕度、輻射量、土壤溫濕度等氣象要素與電站外對照點進行比較，揭示光伏電站內外局地小氣候的差異，評估大型光伏電站的布設對共和盆地荒漠區小氣候的影響。

1 研究區概況

共和盆地位于青藏高原東北邊緣的祁連山、昆侖山與秦嶺之間，地理坐標為98°46′—101°22′E，35°20′—36°51′N。盆地以西北西—南東南的走向延伸，長約210 km，寬為30～90 km，總面積約為13 800 km2。海拔高度2 400～3 500 m，地貌類型主要由平原、黃河及其支流的河谷和階地、黃土丘陵和風沙地貌等類型組成。氣候類型屬高原溫帶亞干旱氣候，年平均氣溫1.0～3.3 ℃;年平均降水量250～400 mm，年平均蒸發量1 528～1 937 mm，年平均風速2.1～2.7 m/s，年平均大風日數17.7～43.2 d，最多可達75 d，年平均沙塵暴日數在6.5～20.7 d[24-26]。

試驗點位于青海省共和縣境內，共和盆地中西部的塔拉灘上的塔拉214國道以南，毗鄰龍羊峽水光互補光伏電站，是目前國內大型光伏電站之一，建設面積約6 km2，地勢平坦而開闊，對照點(36°7′48″N，100°31′6″E，海拔2 906 m)，光伏電站內的點(36°7′9″N，100°32′22″E，海拔2 863 m)。共和產業園分為3期，1期200 MW，2期150 MW，3期200 MW，均成功并網。

2 研究方法

2015年8月1日至9月30日在共和光伏電站內和在電站外部東北方向2 km處架設一套自動氣象站作為對照點，利用HOBO觀測儀對2個觀測點的風速、氣溫、相對濕度、土壤溫濕度等小氣候要素進行觀測。風速風向、氣溫和相對濕度的觀測高度為2 m，其中風速傳感器S-WSA-M003的測量范圍：0～45 m/s，精確度為±1.1 m/s；風向傳感器S-WDA-M003測量范圍：0～355°，5°死區，精度：±5°；空氣溫濕度傳感器S-THB-M002量程：溫度: -40 ℃～75 ℃，精度：溫度±0.7°；相對濕度：0%～100%，精度：±3%。土壤溫、濕度分10，20，40 cm 3個梯度布設，土壤溫度的監測用的是12位溫度傳感器S-TMB-M002，量程：-40°～100 ℃，精度：<±0.2°；土壤濕度采用EC-5土壤水分傳感器，測量范圍：0～0.550 m3/m3，精度：±0.031 m3/m3(±3%)；太陽總輻射傳感器S-LIB-M003測量范圍：0～1 280 W/m2，溫度范圍：-40°～75 ℃，精確度：±5%。觀測時間為24 h不間斷觀測，數據采集間隔為5 min。輸出的數據用HOBO軟件導出Excel數據，利用Matlab軟件進行數據的整理和分析，用Origin 8.6作圖。HOBO觀測儀是目前使用比較廣泛的小氣候觀測儀器，它能準確、快速并連續地觀測氣溫、土壤溫濕、風速、相對濕度等小氣候因子。

3 結果與分析

3.1 光伏電站對基本氣象要素的影響

3.1.1 光伏電站對相對濕度的影響 圖1a給出了2015年8—9月對照點和光伏電站內日平均相對濕度的變化。由圖1a可見，對于空氣濕度較高日(9月11日)，對照點和光伏電站內日平均相對濕度差異較小(對照點88.9%，電站內88.3%，差值-0.6%)，而對于空氣相對濕度較低(9月15日)，光伏電站內相對濕度明顯高于對照點(對照點50.5%，電站內58.3%，差值7.8%)，這表明光伏電站對空氣相對濕度的影響在空氣較干日表現的更為顯著。此外，圖1a對比了2015年8月和9月兩觀測點(對照點和光伏電站內)相對濕度的平均日變化。對照點和光伏電站內相對濕度平均日變化趨勢較一致。然而，夜間(早上8點以前和晚上20點以后)光伏電站內相對濕度明顯高于對照點，這可能與夜間光伏電站使得近地面氣溫較對照點更低進而增強邊界層逆溫(圖1b)，不利于水汽的向上輸送有關。觀測期間對照點和光伏電站內觀測點平均相對濕度分別為63.56%和66.06%。此外，為了更好地量化大型光伏電站對共和盆地荒漠區小氣候的影響，表1也統計了對照點與光伏電站內觀測點對應基本氣象要素和土壤溫濕度的差值及其占對照點的百分比。由表1可以看出，大型光伏電站的布設使得共和盆地荒漠區局地相對濕度增加了3.93%。以上的分析表明光伏電站通過改變下墊面性質對較干日和夜間相對濕度影響較大。

圖1 2015年8-9月對照點和光伏電站內 基本氣象要素日平均值的變化表1 2015年8和9月對照點和光伏電站內觀測點基本氣象要素和土壤溫、濕度及其差值#

月份T/℃RH/%WS/(m·s-1)SR/(W·m-2)ST-10/℃ST-20/℃ST-40/℃SW-10/%對照點12.8263.564.21222.5417.2717.3116.9716.91光伏電站內12.6266.061.94215.0314.3014.4114.2429.02差值-0.22.50-2.27-7.51-2.97-2.90-2.7312.11百分比/%-1.563.93-53.92-3.37-17.20-16.75-16.0971.61

注：T，RH，WS，SR，ST-10，ST-20，ST-40，SW-10分別表示氣溫、相對濕度、風速、輻射量、10，20，40 cm土壤溫度和10 cm土壤濕度； 差值=光伏電站內觀測點—對照點；百分比=(光伏電站內觀測點—對照點)/對照點×100%。

3.1.2 光伏電站對氣溫的影響 圖1b和2 b分別給出了2015年8—9月對照點和光伏電站內日平均氣溫的變化以及2015年8和9月兩觀測點氣溫平均日變化的對比。由這2幅圖可以看出，對照點和光伏電站內日平均氣溫的變化不僅趨勢較一致，總體上氣溫呈降低的趨勢，而且其在量級上也差異很小，對照點的氣溫比電站內的僅高出0.2 ℃。這表明光伏電站通過改變下墊面性質對共和盆地日平均氣溫的影響較小，從表1也可得到類似的結論。為了更好地了解氣溫對大型光伏電站的響應，對比了對照點和光伏電站內氣溫的平均日變化(2b)。夜間(早上8點以前和晚上20點以后)光伏電站內氣溫明顯低于對照點，而日間(早上8點—晚上20點)光伏電站內氣溫高于對照點，這也很好地解釋了上面得到的光伏電站對日平均氣溫影響較小的結論。對照點和光伏電站內氣溫差值的平均日變化與相對濕度差值的平均日變化相反。

圖2 2015年8-9月對照點和光伏電站內 基本氣象要素日變化的對比

3.1.3 光伏電站對太陽總輻射的影響 圖1c和2c分別給出了2015年8—9月對照點和光伏電站內日平均輻射量的變化以及2015年8和9月對照點和光伏電站內輻射量平均日變化的對比。可以看出，觀測期間兩觀測點日平均輻射量的變化趨勢較一致，均呈波動性降低的趨勢。對照點8和9月的輻射總量分別為641.93，505.45 MJ/m2，電站內8和9月的輻射總量分別為569.45，470.97 MJ/m2，電站內的輻射總量與對照點相比在8月降低了11.3%，9月降低了6.8%。對于低輻射量日，兩觀測點日平均輻射量差異較小，而對于高輻射量日，對照點日平均輻射量高于光伏電站內觀測點。

對于輻射量日變化而言，2個觀測點輻射量均為單峰型，峰值出現在下午14點左右，2016年8月和9月輻射量平均日變化峰值分別為850，650 W/m2。對照點輻射量高于光伏電站內觀測點，特別是當輻射量較高時表現的更為顯著。2015年8—9月期間，對照點和光伏電站內觀測點平均輻射量分別為222.54，215.03 W/m2，大型光伏電站的布設使得共和盆地荒漠區輻射量減少了3.37%(表1)。由以上的分析可以發現大型光伏電站的布設對白天時段的太陽輻射具有較大的影響，這一結果也與楊麗薇[13]等對格爾木電站研究得出的結論相一致。

3.1.4 光伏電站對風速、風向的影響 如圖3所示，在未布設光伏電站之前共和盆地的主導風向為東北風。由于光伏電站的布設使得局地風況發生了顯著的變化。在布設光伏電站后風向由原來的東北風為主轉為以東風為主，東風出現的比例提高到50%左右，表明光伏電站的布設使得局地風向更加單一，這主要與太陽能板布設的方向有關。對照點和光伏電站內觀測點觀測期間平均風速分別為4.21，1.94 m/s，大型光伏電站使得共和盆地荒漠區風速減小了53.92%(表1)，這也在一定程度上起到了固沙的作用。此外，在布設光伏電站后大風速出現的比例顯著降低。光伏電站內觀測點風速主要集中在8.0 m/s以下(表2)，2015年8和9月分別有98.3%和94.6%的風速低于8.0 m/s，而對照點在不同方向均有大于8.0 m/s風速的出現，對照點2015年8和9月風速大于8.0 m/s出現的比例分別為14.7%和18.2%，遠高于光伏電站內的1.7%和5.4%。以上的分析表明光伏電站的布設對共和盆地局地風速和風向均有顯著的影響。

表2 2015年8和9月對照點和光伏電站內 觀測點不同段風速所占的比例

3.2 光伏電站對土壤溫、濕度的影響

3.2.1 光伏電站對土壤溫度的影響 圖4a和圖5a—5c分別給出了2015年8—9月對照點和光伏電站內不同深度日平均土壤溫度的變化以及2015年8和9月2個觀測點不同深度土壤溫度平均日變化的對比。可以看出，觀測期間不同深度日平均土壤溫度均呈顯著減小的趨勢，對照點不同深度日平均土壤溫度均明顯高于光伏電站內觀測點，而且觀測期間兩觀測點日平均土壤溫度的差值逐漸增加，2015年9月對照點與光伏電站內觀測點不同深度日平均土壤溫度差值(10 cm 4.08 ℃；20 cm 3.66 ℃；40 cm 3.25 ℃)高于2015年8月(10 cm 1.81 ℃；20 cm 2.03 ℃；40 cm 2.19 ℃)。為了更好地了解土壤溫度對大型光伏電站的響應，對比了2015年8和9月兩觀測點不同深度土壤溫度的平均日變化(圖5a—5c)。不同時刻對照點10，20和40 cm土壤溫度均高于光伏電站內觀測點。光伏電站內觀測點10和20 cm土壤溫度日變化特征較對照點更弱，這反映了光伏電站對土壤溫度的影響，特別地對于20 cm土壤溫度。兩觀測點40 cm土壤溫度日變化均不明顯，表明光伏電站對40 cm土壤溫度的影響主要集中在其量級上，8—9月40 cm土壤溫度對照點的日均值為16.98 ℃，電站內為14.24 ℃，站內低于站外2.74 ℃，對日變化特征的影響可以忽略。為了量化光伏電站對土壤溫度的影響，表1給出了觀測期間對照點和光伏電站內不同深度平均土壤溫度及其差值。可見，光伏電站內10，20，40 cm平均土壤溫度分別為14.30，14.41，14.24 ℃，分別較對照點的17.27，17.31，16.97 ℃低2.97，2.90和2.73 ℃，分別比對照點10，20和40 cm平均土壤溫度降低了17.20%，16.75%和16.09%。以上的分析均表明大型光伏電站對共和盆地荒漠區土壤溫度具有較顯著的影響，而且對淺層的影響大于深層。

圖3 2015年8和9月對照點和光伏電站內風玫瑰圖

圖4 2015年8-9月對照點和光伏電站內土壤溫濕度日平均值的變化

3.2.2 光伏電站對土壤濕度的影響 圖4b和5d分別給出了2015年8—9月對照點和光伏電站內不同深度日平均土壤濕度的變化以及2015年8和9月2個觀測點10 cm土壤濕度平均日變化的對比。由圖4b和5d可見，觀測期間10 cm土壤濕度的變化較20 cm的變化更為顯著，這與淺層土壤濕度更易受下墊面性質變化影響的事實有關。另外，光伏電站的布設可以使得局地10 cm土壤濕度顯著增加，而對20 cm土壤濕度的影響較小，到了40 cm處電站內的土壤濕度反而低于對照點，這主要由2個觀測點土壤性質的差異造成。為了更好地了解淺層土壤濕度對大型光伏電站的響應，對對照點和光伏電站內觀測點10 cm土壤濕度平均日變化特征進行了對比(圖5d)。由圖5d可知，不同時刻對照點10 cm土壤濕度均顯著低于光伏電站內觀測點。另外，兩觀測點10 cm土壤濕度平均日變化特征存在顯著的差異。對照點10 cm土壤濕度在早上8點存在峰值，而光伏電站內觀測點在此期間為谷值，光伏電站內觀測點10 cm土壤濕度的峰值出現在下午16點左右。上面的分析均表明大型光伏電站的布設通過改變下墊面的性質進而對共和盆地10 cm土壤濕度日變化特征存在顯著的影響。光伏電站對共和盆地荒漠區土壤濕度的影響較其它要素更顯著(表1)，大型光伏電站使得共和盆地荒漠區10 cm土壤濕度增加了71.61%，光伏電站通過影響土壤濕度進而影響該地區的陸—氣相互作用以及能量平衡。

圖5 2015年8和9月對照點和光伏電站內土壤溫濕度日變化的對比

4 討論與結論

(1) 大型光伏電站的布設對共和盆地荒漠區氣溫和太陽輻射的影響較小，對高輻射量時段的太陽輻射具有一定的影響。光伏電站內相對濕度較對照點高3.93%，光伏電站對共和盆地相對濕度的影響在較干日和夜間表現的更明顯。

(2) 光伏電站的布設使得局地風況發生了顯著的變化。大型光伏電站使得共和盆地荒漠區風速減小了53.92%，在一定程度上起到了防沙固沙的作用。

(3) 光伏電站內10，20，40 cm平均土壤溫度分別為14.30，14.41，14.24 ℃，分別較對照點低2.97，2.90和2.73 ℃，分別占對照點10，20和40 cm平均土壤溫度的17.20%，16.75%和16.09%。大型光伏電站對共和盆地荒漠區土壤溫度具有較顯著的影響，而且對淺層的影響大于深層。

(4) 光伏電站對共和盆地荒漠區10 cm土壤濕度的影響較其他要素更顯著，大型光伏電站使得共和盆地荒漠區平均土壤濕度增加了71.61%，光伏電站通過影響土壤濕度進而影響該地區的陸—氣相互作用以及能量平衡。

本文只用了2015年8和9月2個月的觀測數據，樣本數量有限，以后還需要積累長時間序列數據分析光伏電站在不同季節對小氣候的影響。并且，在光伏電站對各個小氣候因子產生影響的原因等，還需要進一步做深入的分析。這將是下一步工作的重點。

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Effect of Large Photovoltaic Power Station on Microclimate of Desert Region in Gonghe Basin

YIN Daiying1,2, MA Lu3, QU Jianjun1,ZHAO Suping2, YU Ye2, TAN Lihai1, XIAO Jianhua1

(1.DunhuangGobiandDesertEcologyandEnvironmentResearchStation,NorthwestInstituteofEco-environmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China;2.KeyLaboratoryofLandSurfaceProcessandClimateChangeinColdandAridRegions,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China; 3.HuangheHydropowerDevelopmentCo.,Ltd.,Xining,Qinghai810008,China)

[Objective] The effect of large photovoltaic(PV) power station on micro-climate of desert region in Gonghe Basin was evaluated via comparing basic meteorological factors to reveal the difference of microclimate both inside and outside of the photovoltaic power station. [Methods] Based on the meteorological data measured by automatic meteorological station, the impact of large PV power stations on microclimate of desert region in Gonghe Basin was evaluated by comparing the basic meteorological elements, including air temperature, relative humidity(RH), wind speed and direction, solar radiation, and soil temperature and water content of control point and monitoring points. [Results] The RH increased by 3.93% in desert region of Gonghe Basin due to the effect of large PV power station, which was more evident in drier day and during nighttime. The prevailing wind direction shifted from northeast to east after PV power station was established, and PV power station made local wind direction more single. As for wind speed, the frequency of high wind was significantly decreased after PV power station was established, and the wind speed reduced by 53.92% in desert region of Gonghe Basin due to the effect of large PV power station. The large PV power station made mean soil temperature reduced by 17.20%, 16.75% and 16.09% at the depth of 10,20,40 cm, and the impact for shallow soil layer was more significant than that for deep soil layer. Additionally, the effect of large PV power station on soil water content in desert region of Gonghe Basin was more obvious than the ones on other factors. The mean soil water content(10 cm) was increased by 71.61% in Gonghe Basin due to the effect of large PV power station. [Conclusion] The large PV power station made the relative humidity increased, the prevailing wind direction became single, the wind speed and mean soil temperature decreased, and soil humidity increased in desert region of Gonghe Basin.

photovoltaic(PV) power station; Gonghe Basin; desert region; microclimate

2016-09-20

2016-10-14

黃河水電水利公司項目“光伏產業帶動生態建設試驗示范”(90Y490B21); 中國科學院寒旱區陸面過程與氣候變化重點實驗室開放資助項目支持(LPCC201502)

殷代英(1985—),女(漢族),甘肅省文縣人,碩士,工程師,主要從事風沙工程與干旱區陸面過程研究。E-mail:yindaiying@lzb.ac.cn。

A

1000-288X(2017)03-0015-07

Q948， S718.51+2