我國大別山區風電場群對局地氣候影響研究初探
——以湖北大悟為例

張雪婷 李金鑫 陳正洪 何飛 崔楊

（1 湖北省氣象服務中心，武漢 430205；2 湖北省氣象能源技術開發中心，武漢 430205；3 中廣核新能源投資（深圳）有限公司湖北分公司，武漢 430205）

0 引言

風能是一種綠色的可再生能源，風力發電更起到了節能減排的作用，因此被譽為“氣候變化的衛士”[1]，近年來在世界范圍內得到規模化發展。風電開發和運行在帶來積極環境效應的同時，對生態環境甚至氣候的一些不利影響越來越受到關注，國內外也開始有了這方面的研究。

雖然風力發電不會像火力發電一樣產生溫室氣體和其他污染氣體，但是由于風機渦輪振動、風能轉化為電能，改變了自然界原有的能源循環模式，同時風電場的建設會改變地面的粗糙度，從而改變陸表和大氣的熱交換過程，導致風電場對局地氣候可能產生影響[2]。大量建立在觀測和數值模擬基礎上的研究表明，風電場的建立和運行對局地下游氣候會有明顯影響，主要是造成下游風速明顯減弱；同時對下游氣溫也有明顯影響，其變暖或變冷效應取決于局地近地層大氣穩定度特征[3]。以2003—2011年期間的衛星遙感數據為基礎，研究大型風電場的地表氣溫變化特征。與無風電場區域相比，有風電場區域的氣溫有一個較明顯的增溫趨勢，且增溫現象在夜間尤為顯著[4]。而風速通過風場區域后減小，存在風速損失，尤其對高空的風速影響明顯，這種影響至少延伸到下風向的10 km之外[5-6]。對于降水來說，風電場主要影響季節性降雨量，對平均降雨量的影響不顯著[7]。另外，風電場的運行通過晝夜循環還增加了空氣、地表及土壤溫度，且風機群形成的局地氣候影響在溫度和絕對濕度方面隨著與風電場距離的增大成對數性減少[8]。

1 資料與方法

本文采用了大悟縣風電場群周邊3個國家氣象站，即大悟、紅安、黃陂氣象站的氣溫、風速、降水資料進行分析（圖1、表1）。其中紅安、黃陂氣象站周邊沒有建成的風電場，且上述地區的主導風向為偏北風，綜合考慮位置和風向，上述兩站未受到大悟縣風電場群的影響，因此將紅安、黃陂兩地作為非影響區，而大悟周邊尤其是北邊逐步建成多個風電場，因此將其作為影響區。大悟已建成風電場基本情況如表2所示。其中黃陂站距離大悟稍遠，作為參考站。3個氣象站點的基本情況如下：大悟氣象站建站以來，遷站2次，分別在1978、2017年，其觀測環境發生了較大變化（超高建筑），導致平均風速呈顯著減小趨勢，特別是2007年。紅安氣象站分別在1959、1980年遷過2次站，2005年之后，由于建筑遮擋，風速下降嚴重。黃陂氣象站建站至今未曾遷站，觀測環境較好，測風資料比較完整。

圖1 風電場及周邊氣象臺站位置示意圖Fig.1 Map of meteorological stations around the Dawu wind farms

表1 大悟縣風電場群周邊國家氣象站分布情況Table 1 The distribution of meteorological stations around the Dawu wind farms

計算影響區與非影響區各自代表氣象站同年的氣溫差值（ΔT1）、風速比值（rV1）、降水量比值（rR1），再分別求取風電場建成后（3 a、2 a）與前（20 a、10 a、5 a）ΔT1的差值（ΔT2-3a、ΔT2-2a）、rV1的比值（rV2-3a、rV2-2a）、rR1的比值（rR2-3a、rR2-2a），從而剔除了大氣候背景下氣溫、風速、降水量波動或趨勢變化，可揭示出大悟縣風電場群對當地氣溫、風速、降水的可能影響。

表2 大悟、紅安、黃陂風電場建設情況（含建成、在建、待建風電場）Table 2 Construction of wind farms in Dawu, Hongan and Huangpi (including wind farms which are built, currently being built, or to be built)

其中，

式中，T為平均氣溫，V為平均風速，R為降水量， 后為2014—2016年（3 a）或2015—2016年（2 a），前為1993—2012年（20 a）或2003—2012年（10 a）或2008—2012年（5 a）。

由于各站點資料時間長度不同，因此年際變化的分析采用1993—2016年的資料，近20、10、5年平均分別采用1993—2012、2003—2012、2008—2012年的資料，風電場陸續建成對局地氣候影響的分析分別采用2014—2016年（建成后3年）、2015—2016年（建成后2年）資料同近20、10、5年平均值作對比。其中，大悟縣風電場集中式的建設于2013年開始，同年共有2個風電場開始運行，并網發電時間分別為6、12月，因此不能確定2013年是否受到風電場群的影響，所以分析時暫不采用2013年的資料。

最后采用滑動t-檢驗來判斷氣溫差值、風速和降水比值序列的突變點，驗證大悟縣風電場群對當地氣溫、風速、降水影響程度的顯著性。

2 風電場群對氣溫的影響研究

2.1 風電場群周邊氣溫變化特征

影響區（大悟站）、非影響區（紅安站）1993—2016年累年平均氣溫分別為16.2、16.4 ℃，其中，影響區平均氣溫在15.1（1993年）～17.0℃（2016年）變化，非影響區平均氣溫在15.2（1993年）～17.2 ℃（2007年）變化。1993—2016年影響、非影響區平均氣溫年際變化均略有上升，上升速率分別為0.43、0.35 ℃/10 a。其中風電場群建成前（20 a），影響區與非影響區平均氣溫的年際變化基本一致，且均呈上升趨勢，上升速率均為0.3℃/10 a。除2014—2016年外，非影響區的平均氣溫均大于影響區（圖2）。

從圖3可知，在相同微波時間和微波功率條件下，3～6 mm堆積厚度范圍內，紫菜的感官評分呈上升趨勢；在6～9 mm范圍內，紫菜的感官性狀呈緩慢下降趨勢；當堆積厚度為6 mm時，感官評分最高為87.6分。在干燥試驗過程中，一開始堆積厚度太薄，導致紫菜干燥過度變焦，影響感官評分。而堆積厚大于6 mm時，紫菜干燥不完全導致水分含量過高，影響紫菜的品質。

圖2 影響、非影響區（1993—2016年）平均氣溫年際變化Fig. 2 Interannual change in temperature average at the affected and unaffected areas during 1993—2016

計算影響與非影響兩個區域的氣溫差值，即ΔT1，其歷年變化曲線如圖3所示。可以看出，ΔT1在2014年以后突然增大，由1993—2013年的負值變為正值，平均ΔT1為0.06 ℃，比1993—2012年的ΔT1（-0.27 ℃）增大了0.33 ℃。由于氣溫差值已經排除了大氣候背景下氣溫受氣候變化的影響，可以近似認為這種影響與非影響區平均氣溫差值突然增大是由于風機渦輪作用混合了上下層空氣導致的風電場局地氣候效應造成的[9]，總體表現為增溫。

圖3 影響、非影響區（1993—2016年）平均氣溫差值年際變化Fig. 3 Interannual variation of ΔT1 between the affected and unaffected areas during 1993—2016

2.2 風電場群建成后氣溫的變化特征

為了討論風電場群對近3年和近2年周邊氣溫的影響，將2014—2016、2015—2016年氣溫與常年氣溫進行對比分析。表3分別計算了近20、10、5年四季及年的ΔT1與近3、2年四季及年的ΔT1。

表3 影響區與非影響區氣溫差值比較（單位：℃）Table 3 Comparison of ΔT1 between the affected and unaffected areas (unit: ℃)

計算結果顯示，常年四季及年的ΔT1基本為負值，在-0.46～0.00 ℃，近3年四季及年的ΔT1在-0.15～0.20 ℃，比常年增大0.15～0.43 ℃。其中，夏季和冬季增大0.30 ℃以上，春季和秋季增大0.15 ℃以上。近2年四季及年的ΔT1在-0.08～0.06℃，比常年增大0.05～0.44 ℃。其中，冬季增大0.31 ℃以上，春季未超過0.1 ℃。可見，建風電場后，四季及年的ΔT1比建風電場前有所增大，春季增大較少，冬季增大較多，且近2年的春夏氣溫變化較近3年的春夏氣溫變化略微偏小，秋季略微偏大，但從全年來看兩者區別不大。

3 風電場群對風速的影響研究

3.1 大悟站平均風速的訂正

調查表明，20世紀80年代末以來，全國城市化加劇，至90年代初中期，許多氣象站所在地由原來的遠郊區變為近郊區，四周蓋起了樓房，一些觀測場環境遭到嚴重破壞，觀測到的風速逐步甚至急劇減小。其中，大悟氣象站（影響區）建站以來，觀測環境發生了較大變化，導致平均風速呈現顯著減小趨勢，特別是2007年，觀測場周圍有住戶強行超高建房，進一步破壞了探測環境（年平均風速已經由60年代的3～4 m·s-1降至2007—2011年的2 m·s-1以下）。紅安氣象站（非影響區）于2005年修建了新的辦公樓，觀測站受到遮擋，導致2005年之后風速明顯下降。而同為非影響區的黃陂氣象站建站至今未曾遷站，觀測場環境較好，因此在風的分析中采用黃陂作為非影響區。而為了撇除地面觀測站受周邊環境等變化而造成的風速減少，我們對大悟站進行訂正（由于大悟站1978年遷站，因此1978年之前的風速不采用）。

由于黃陂氣象站周圍環境變化不大，且年平均風速變化比較平緩，因此認為黃陂氣象站風速的變化為自然變化，以此對大悟氣象站由于測風環境引起的風速減小進行訂正。大悟和黃陂氣象站年平均風速1990—2006年比2007—2016年分別減少0.70、0.07 m·s-1。黃陂和大悟氣象站地理位置較為接近，因此可初步認為在大氣候背景下風速受氣候變化影響的變量是相等的，1990—2006年兩站環境均無明顯變化，因此以此時間段為基準，將兩站1990—2006年較2007—2016年的平均年平均風速變化做差值，即0.70-0.07=0.63 m·s-1，可認為該值排除了自然因素（氣候變化），為2007—2016年間人為因素的影響量，將0.63 m·s-1加到大悟氣象站2007—2016年逐年平均風速實測值上便得到了自然條件下的逐年平均風速值。訂正后的1990—2016年逐年平均風速變化曲線見圖4。

圖4 大悟氣象站（1990—2016年）平均風速年際變化Fig. 4 Interannual changes in mean wind velocity of Dawu Meteorological Station during 1990—2016

3.2 風電場群周邊風速變化特征

影響區、非影響區1993—2016年累年平均風速分別為2.3、1.9 m·s-1，其中，影響區平均風速在1.9（2006年）～2.7 m·s-1（1993年）變化，非影響區平均風速在1.7～2.1 m·s-1變化。1993—2016年影響、非影響區平均風速年際變化均呈下降趨勢，下降速率分別為0.143、0.067 m·s-1/10 a。其中風電場群建成前（20 a），影響區與非影響區平均風速的年際變化基本一致，且均呈下降趨勢，下降速率均為0.2 m·s-1/10 a（圖5）。

圖6給出影響區與非影響區的年平均風速比值（rV1）歷年變化曲線。可以看出，rV1呈波動性變化，各年在1.1～1.5，2014—2016年的rV1值在1993—2016年所有值中偏小，但總體來看其變化還是位于年際變化周期中。其中，2005年黃陂站風速缺測。

圖5 影響、非影響區（1993—2016年）平均風速年際變化Fig. 5 Interannual changes in mean wind velocity at affected and unaffected areas during 1993—2016

3.3 風電場群建成后風速的變化特征

表4分別計算了近20、10、5年的rV1與2014—2016、2015—2016年的rV1，并進行了對比。

表4 影響區與非影響區風速比值比較Table 4 Compare of rV1between the affected area and non-affected area

計算結果顯示，常年rV1在1.26～1.27，近3年的rV1為1.16，近2年的rV1為1.19。而rV2-3a和rV2-2a分別在0.91～0.92和0.93～0.94。可見，rV1在大悟縣風電場群并網發電前后有略微差異，風速比建風電場前減小，且近2年的風速變化較近3年的風速變化略微偏小。

4 風電場群對降水的影響研究

4.1 風電場群周邊氣溫變化特征

影響區、非影響區1993—2016年累年平均降水量分別為1091.6、1174.5 mm。其中，影響區平均降水量在567.6（2011年）～1744.7 mm（2016年）變化，非影響區平均降水量在694.7（2011年）～1857.6 mm（2016年）變化。風電場群建成前（20 a），影響區與非影響區降水量的年際變化基本一致，且均呈下降趨勢。2014—2016年影響、非影響區平均降水量年際變化呈上升趨勢，且影響區2016年降水量為1961年以來最大值（圖7）。

圖8給出影響區與非影響區的年降水量比值（rR1）的歷年變化曲線。可以看出，rR1總體上有微弱的下降趨勢，2014—2016年的rR1值均小于1，但與前期相比，該段比值的變化仍位于年際變化周期中。由于降水量比值已經排除了大氣候背景下降水受氣候變化的影響，可以近似認為大悟縣風電場群對降水的影響不大。

圖6 影響、非影響區（1993—2016年）平均風速比值年際變化Fig. 6 Interannual change of rV1 between the affected and unaffected areas during 1993—2016

圖7 影響、非影響區（1993—2016年）降水量年際變化Fig. 7 Interannual change of precipitation at affected and unaffected areas during 1993—2016

圖8 影響、非影響區（1993—2016年）平均降水量比值年際變化Fig. 8 Interannual change of rR1 between the affected and unaffected areas during 1993—2016

4.2 風電場群建成后降水的變化特征

表5分別計算了近20、10、5年的rR1與2014—2016、2015—2016年的rR1，并進行了比較分析。

計算結果顯示，常年rR1在0.80～0.94，近3年rR1為0.87，近2年rR1為0.84。可見，近3年及近2年的降水量比值均在常年降水量比值范圍內，rR2-3a和rR2-2a分別在0.93～1.09和0.89～1.04，且在1上下浮動。可見，rR1在大悟縣風電場群并網發電前后僅有略微差異，風電場群形成的局地氣候對降水量的影響并不明顯。

表5 影響區與非影響區降水量比值比較Table 5 Comparison of rR1 between the affected and unaffected areas

5 突變檢驗

為了驗證大悟縣風電場群對當地氣溫、風速、降水影響程度的顯著性。采用滑動t-檢驗來判斷氣溫差值、風速和降水比值序列的突變點。

經過計算發現，氣溫差值序列于2013年通過0.001顯著性水平，可見氣溫差值在2013年后發生了明顯的突變。風速比值序列于2012年通過0.05顯著性水平，可見風速比值在2012年后發生了突變。而大悟縣風電場群從2009年開始建設，并于2014年大規模建成，因此風電場群的運行對當地氣溫的影響明顯，對風速也有較小影響。而降水比值序列在2009年之后并未發生突變，說明風電場群的運行對降水的影響不太明顯。

6 結論與討論

本文以大悟縣風電場群為研究對象，對比分析了風電場群影響區和非影響區的站點在風電場群運行前后氣溫、降水、風速要素的變化，具體結果如下。

1）大悟縣風電場群形成的局地氣候對氣溫造成了影響，總體表現為增溫。其中，ΔT1序列從2014年突然增大，比常年ΔT1增大0.24 ℃以上，可見大悟縣風電場陸續投入運行后，影響區氣溫明顯升高，春季增溫較小，冬季增溫較大，且近2年的春夏氣溫變化較近3年的春夏氣溫變化略微偏小，秋季略微偏大，但從全年來看兩者區別不大。

2）大悟縣風電場群形成的局地氣候對風速有一定影響，總體表現為風速減小。其中，rV1序列在2014年以后略有減小，與常年rV1的比值，即rV2在0.91～0.94，可見大悟縣風電場陸續投入運行后，影響區風速有略微減小趨勢。但是，風速在風電場群影響期（后3年）的波動未超出其年代際變化。

3）大悟縣風電場群形成的局地氣候對降水量的影響不大。近3、2年rR1與常年rR1的比值，即rR2在0.89～1.09，且近3、2年的rR1在常年rR1的范圍內，可見風電場群影響期的變化位于年際變化周期中，因此風電場群的運行對其影響不太明顯。

與目前國內外相關的研究（主要采用數值模擬或在現場進行觀測的方法）相比，本文采用了國家氣象站資料進行分析，其研究地點僅涉及單點，造成了一定局限性。如涉及風電場附近有實際觀測的研究，其研究時間多為風電場運行后五至幾十年，本文僅采用大悟縣風電場群運行后3年時間的觀測資料與歷史氣候值作對比分析，時間略短。另外，氣象站的觀測還受到多種因素的影響，尤其是周邊環境及儀器設備的維護和更換，分析方法也較為簡單，因此對風電場群建設造成的局地氣候效應有待更長時間觀測統計分析及更多研究方法的驗證。

由于大悟縣的主要產業是農林牧漁業，受到城市化的影響較小，因此文章未考慮排放、城市化等因素的影響。未來隨著城市的逐漸發展應適當考慮這些因素的影響。