風(fēng)電場對干旱荒漠區(qū)地表溫度影響分析*

文 | 鄭平，李國慶，李朋磊，方中祥，韓倩倩

在全球變暖及環(huán)境污染加劇的大背景下，“節(jié)能減排”是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分。這一政策促進(jìn)了我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，從2008年開始，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的已有裝機(jī)容量、裝機(jī)速度，一直穩(wěn)居世界第一位，風(fēng)能未來會在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位。風(fēng)電場建立之初，政府部門和研究人員更多關(guān)注于風(fēng)力發(fā)電相對于傳統(tǒng)化石能源的CO2減排作用，對環(huán)境的其他影響被人為忽視了。“不能認(rèn)為所有的人類行為都會對環(huán)境造成相應(yīng)的影響，但未來幾十年將建造越來越多的風(fēng)電場，現(xiàn)在風(fēng)能被忽略的細(xì)節(jié)問題，未來可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的影響?！庇袑W(xué)者指出。地表溫度（Land Surface Temperature，LST）作為地表能量平衡和交換、地表物理過程的重要因子，是生態(tài)系統(tǒng)地表水、碳、氮等物質(zhì)循環(huán)過程的主導(dǎo)因子，LST變化會對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)及能量循環(huán)產(chǎn)生重大影響。目前國外已有學(xué)者開始關(guān)注風(fēng)電場對LST的可能影響，理論上風(fēng)電場會使得下風(fēng)處的近地表下層空氣出現(xiàn)白天“減溫增濕”，晚上“增溫減濕”的現(xiàn)象，上風(fēng)處剛好相反。但現(xiàn)有研究表明，風(fēng)電場對本地區(qū)和周圍地區(qū)LST的影響趨勢并不一致，在有些地區(qū)是變暖，而在另一些地區(qū)是變冷，這可能與風(fēng)電場所在區(qū)域的下墊面類型有直接關(guān)系。我國作為世界風(fēng)能利用的第一大國，風(fēng)力發(fā)電場主要集中在干旱、半干旱區(qū)，而探討風(fēng)電場對該類地區(qū)LST的影響卻鮮見。本文以甘肅省瓜州風(fēng)電場為例，以遙感技術(shù)為主要手段，探討風(fēng)電場對干旱荒漠區(qū)LST的影響范圍和強(qiáng)度，期待為進(jìn)一步研究風(fēng)電場對我國地表環(huán)境的影響提供借鑒。

研究區(qū)位置與概況

一、自然地理概況

本文研究區(qū)位于甘肅省酒泉市瓜州縣（原安西縣，2008年更名為瓜州縣）。風(fēng)電場形成的有利地形條件：酒泉市四周分布有天山、祁連山、阿爾泰山、阿爾金山等山脈，疏勒河谷從東向西穿越酒泉，正好在玉門、瓜州形成了一個巨大的“喇叭狀”地形，有利于風(fēng)能的儲存。而瓜州縣又分別與祁連山和馬鬃山南北相望，中間是地形平坦的沙漠戈壁，形成了兩山夾一谷的有利地形，特殊的地理環(huán)境和地形及季風(fēng)的影響，形成了一條東西風(fēng)通道。風(fēng)電場形成的有利氣候條件：受西伯利亞的高壓氣流影響的冬季風(fēng)又受祁連山的阻擋，使得該氣流從嘉峪關(guān)以西的開闊地帶進(jìn)入疏勒河流域，沿玉門、瓜州向西，越敦煌奔樓蘭，形成著名的氣流“狹管效應(yīng)”。

二、風(fēng)電場概況

在地形與氣候條件的共同作用下，酒泉風(fēng)能資源總儲量可達(dá)1.5億千瓦，可開發(fā)量在4000萬千瓦以上，10米高度風(fēng)功率密度均在每平方米250～310瓦以上，年平均風(fēng)速在每秒5.7米以上，年有效風(fēng)速達(dá)6300小時以上，年滿負(fù)荷發(fā)電小時數(shù)達(dá)2300小時。而瓜州縣是酒泉市風(fēng)能儲量最大的地區(qū)之一，可達(dá)酒泉風(fēng)力開發(fā)量的一半，風(fēng)能資源可利用面積近一萬平方公里，年風(fēng)能資源可開發(fā)量在2000萬千瓦以上，故被稱為“世界風(fēng)庫”。研究區(qū)屬于典型的大陸性氣候，其主要特點(diǎn)是降雨少、蒸發(fā)量大、光照時間長，地勢南北高、中間低，平均海拔1500米，研究區(qū)位置如圖1所示。本文選擇風(fēng)電場占地范圍內(nèi)的50km緩沖區(qū)作為研究區(qū)（風(fēng)電場主要通過影響風(fēng)速的形式對地表過程進(jìn)行擾動，一般認(rèn)為風(fēng)電場對風(fēng)速的影響距離為30～60km）。

數(shù)據(jù)來源

（1）氣象數(shù)據(jù)：2001年和2014年甘肅省瓜州氣象站的日風(fēng)向數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（網(wǎng)址：http//:new-cdc.cma.gov.cn）；

（2）遙感數(shù)據(jù)：2001年和2014年MODY11 LST數(shù)據(jù)（以8天為單位），2001年和2013年MOD12Q1土地利用類型數(shù)據(jù)，上述遙感數(shù)據(jù)均來源于美國國家航空航天局（網(wǎng)址：http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html）；

（3）甘肅省的DEM數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云（網(wǎng)址：http://www.giscloud.cn/csearch.jsp）。

圖1 研究區(qū)位置圖

圖2 風(fēng)向頻率玫瑰圖

研究方法

一、上/下風(fēng)向的判定

利用2001年、2014年的日風(fēng)向數(shù)據(jù)，得到如圖2所示的風(fēng)向頻率玫瑰圖。通過分析風(fēng)向頻率可知，風(fēng)向頻率的最高月份集中在ESE和E所夾的風(fēng)向、WSW和W所夾的風(fēng)向，上述風(fēng)向分別集中在2－7月份和9－11月份，故按照上述兩個時間段對本文研究區(qū)進(jìn)行討論。另外，本文并未按照季節(jié)探討風(fēng)電場對LST的影響（若按季節(jié)劃分，風(fēng)向頻率玫瑰圖會出現(xiàn)多個主導(dǎo)風(fēng)向，不利于準(zhǔn)確分析風(fēng)向和LST的關(guān)系）。將2－7月份風(fēng)向頻率最高的ESE和E所夾的風(fēng)向定為上風(fēng)向（以下簡稱“2－7月上風(fēng)向”），其相對應(yīng)的WSW和W所夾的風(fēng)向定為2－7月的下風(fēng)向（以下簡稱“2－7月下風(fēng)向”）。在9－11月，將風(fēng)向頻率最高的WSW和W所夾的風(fēng)向定為上風(fēng)向（以下簡稱“9－11月上風(fēng)向”），ESE和E所夾的風(fēng)向?yàn)橄嘛L(fēng)向（以下簡稱“9－11月下風(fēng)向”）。其他風(fēng)向區(qū)域統(tǒng)稱為旁風(fēng)向區(qū)。

二、LST數(shù)據(jù)的重構(gòu)

本文所采用的MODY11數(shù)據(jù)包含8天合成的白天、夜晚LST數(shù)據(jù)以及質(zhì)量控制文件等。為剔除2001年、2014年云量及噪聲對LST產(chǎn)品的影響，在考慮質(zhì)量控制文件的基礎(chǔ)上，需要對上述的MODY11數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理。時間序列諧波分析法（Harmonic Analysis of Time Series，HANTS）結(jié)合了平滑和濾波兩種方法，本文通過HANTS濾波最終實(shí)現(xiàn)了圖像的重構(gòu)，進(jìn)一步去除云量和噪聲的影響。具體過程如下：分別將2001年和2014年2－7月份和9－11月份這兩個時間段的MODY11可用數(shù)據(jù)濾波，最終得到2001年和2014年2－7月份晝/夜的重構(gòu)圖像；2001年和2014年9－11月份的晝/夜重構(gòu)圖像。

三、LST的計(jì)算

將HANTS濾波后8天為單位的LST數(shù)據(jù)按照上述時間點(diǎn)求和，并將熱力學(xué)溫度（K）轉(zhuǎn)換為攝氏度（℃）：

其中LST為待求各個季節(jié)的LST值（℃）；Bi代表2－7月或9－11月經(jīng)過HANTS濾波以8天為單位的熱力學(xué)溫度影像（K）；N為2－7月份或9－11月份可用的圖像數(shù)量；a是換算系數(shù)，b是截距（其中a＝0.02，b＝－273.15）。最終得到2001年和2014年研究區(qū)2－7月份晝/夜和9－11月份晝/夜像元值為攝氏溫度的LST數(shù)據(jù)。

四、風(fēng)電場對LST的影響計(jì)算

研究區(qū)風(fēng)電場一期工程開建于2009年8月，建成于2013年10月，因此本文選擇2001年及2014年作為風(fēng)電場建設(shè)前、后的代表年份進(jìn)行分析。為準(zhǔn)確判斷風(fēng)電運(yùn)行對LST的影響，需要剔除下面兩個因素對研究結(jié)果的影響：1. 地表?xiàng)l件的異質(zhì)性，包括各遙感像元地形條件及植被組成的異質(zhì)性；2. 氣候條件，尤其是LST的自然時空變率。本文參照（Walsh-Thomas et al.，2012；Smith et al.，2013；Harris et al.，2014）的研究，采用下面4種方法剔除上述因素的影響：（1）為剔除LST自然時空變率的影響，根據(jù)風(fēng)向頻率玫瑰圖，將旁風(fēng)區(qū)溫度的變化區(qū)間作為LST的自然時空變化區(qū)間；（2）為進(jìn)一步剔除各遙感像元內(nèi)植被組成異質(zhì)性對研究結(jié)果的影響，以風(fēng)電場矩形中心為圓心，分別做半徑為10km、20km、30km、40km、50km的緩沖區(qū)，利用ArcGIS分別統(tǒng)計(jì)上述范圍內(nèi)不同風(fēng)向區(qū)的平均溫度，并認(rèn)為2001－2014年研究區(qū)內(nèi)各像元地形不會發(fā)生劇烈變化，分別對2014年與2001年2－7月份及9－11月份晝/夜的溫度求差（圖3）；（3）在此基礎(chǔ)上，為避免土地利用類型變化對研究結(jié)果的影響，利用MOD12Q1的土地利用類型數(shù)據(jù)，判斷研究區(qū)2001、2014年土地利用類型是否出現(xiàn)顯著變化（圖4、圖5）。

圖3 2014與2001年不同年份晝/夜溫差圖

圖4 2001年土地利用類型及高程圖

圖5 2013年土地利用類型及高程圖

結(jié)果分析

一、LST的變化特點(diǎn)

風(fēng)電場建成后，在2－7月的白天，旁風(fēng)向的LST下降2.59℃至1.93℃。而上風(fēng)向的溫度下降幅度為2.39℃至1.55℃之間、下風(fēng)向區(qū)溫度下降在1.82℃至0.39℃之間（圖3a所示），最大增溫差已達(dá)到2.2℃。風(fēng)電場占地面積內(nèi)溫度下降1.25℃?？梢姡c旁風(fēng)向相比，風(fēng)電場對其占地范圍區(qū)域內(nèi)上、下風(fēng)區(qū)的溫度有明顯增溫效應(yīng)，尤其對下風(fēng)區(qū)的增溫效應(yīng)更為明顯。

在2－7月份的晚間，與旁風(fēng)向南側(cè)相比，風(fēng)電場的上、下風(fēng)區(qū)、旁風(fēng)向北側(cè)也會出現(xiàn)增溫效應(yīng)，但這種增溫效應(yīng)并不如白天明顯。但從圖3b可以看出，風(fēng)電場占地范圍內(nèi)的LST，卻出現(xiàn)了明顯上升，平均上升溫度1.19℃。

在9－11月份的白天，旁風(fēng)向的LST下降范圍在1.00～0.20℃之間，而上、下風(fēng)向區(qū)的上升溫度卻在0.10℃～1.05℃之間。風(fēng)電場占地范圍內(nèi)溫度上升0.14℃。雖然上、下風(fēng)向溫度上升仍普遍高于旁風(fēng)向，但并沒有出現(xiàn)2－7月份下風(fēng)區(qū)的增溫效應(yīng)明顯大于上風(fēng)區(qū)的現(xiàn)象（圖3c所示）。

在9－11月份的夜晚，旁風(fēng)向的溫度下降范圍在5.56℃～4.43℃之間（圖3d所示）。上、下風(fēng)向沒有出現(xiàn)溫度上升幅度大于旁風(fēng)向的情況，相反，溫度升高最為明顯的區(qū)域卻集中在旁風(fēng)向的南側(cè)部分。風(fēng)電場占地范圍內(nèi)溫度下降5.10℃，但與其附近溫度相比，也呈現(xiàn)上升現(xiàn)象。

綜上，無論是2－7月，還是9－11月，白天時段，風(fēng)電場占地范圍內(nèi)的溫度均呈現(xiàn)升高現(xiàn)象；上、下風(fēng)區(qū)的增溫也大于旁風(fēng)向，這說明風(fēng)電場在白天對地面上、下風(fēng)區(qū)的增溫效果更加明顯；但夜晚的溫度變化并不遵循與白天相似的規(guī)律。為解釋出現(xiàn)晝夜及月份差異的原因，本文將利用高程及土地利用類型數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析。

二、LST的差異性分析

總體上看，研究區(qū)土地利用類型以稀疏植被為主，南側(cè)土地利用類型比較復(fù)雜，除稀疏植被外，還包含以農(nóng)用地及草地為主的其他土地利用類型。在地表高程分布上，風(fēng)電場西側(cè)和南側(cè)的地形起伏較小，地形平坦；風(fēng)電場東側(cè)海拔比西側(cè)和南側(cè)稍高，地形也比較平坦；風(fēng)電場北側(cè)地形起伏明顯，往北依次升高，高差達(dá)到500米以上（如圖4、圖5所示）。

2－7月白天溫度下風(fēng)向高于上風(fēng)向，這與相關(guān)研究結(jié)論是一致的。但9－11月白天溫度上風(fēng)向高于下風(fēng)向，筆者認(rèn)為之所以不同月份上、下風(fēng)向的溫度出現(xiàn)不同的上升趨勢，主要原因是地表類型的不一致。雖然研究區(qū)上、下風(fēng)向的植被均是稀疏植被，但植被群落特點(diǎn)和植被組成并不完全一致，植被生長期的差異會使得植被在不同月份對溫度變化的響應(yīng)不一致。

無論是2－7月份還是9－11月份夜晚，均出現(xiàn)了旁風(fēng)向的溫度上升幅度大于上、下風(fēng)向的情況。在2－7月夜晚，研究區(qū)旁風(fēng)向北側(cè)溫度高于其他區(qū)域，這可能與地形對溫度的影響相關(guān)。有研究表明，我國西北地區(qū)地形因子是影響溫度變化的最重要因素。但在地形起伏明顯的區(qū)域，地形和溫度的關(guān)系是非常復(fù)雜的，并不遵循一致性的規(guī)律。地表溫度還受到大氣環(huán)流、下墊面、季節(jié)和太陽輻射等諸多因素的影響，這一點(diǎn)在夜間表現(xiàn)得尤為明顯。所以出現(xiàn)了2－7月份風(fēng)電場北側(cè)溫度升高，9－11月份的夜晚北側(cè)溫度卻下降的情況。而對于9－11月份的夜晚，旁風(fēng)向南側(cè)溫度明顯高于上、下風(fēng)向。從圖4、圖5可以看出，南側(cè)風(fēng)向主要是農(nóng)用地。

9－11月份主要是冬小麥的種植及出苗期，2－7月份是夏玉米的種植及出苗期，有研究認(rèn)為，冬小麥在出苗期的長勢和LST有極顯著的正相關(guān)性，而玉米的出苗期和LST卻沒有明顯的相關(guān)性。因此出現(xiàn)9－11月份夜晚南側(cè)溫度升高，而2－7月份夜晚卻沒有該現(xiàn)象。另外，由于研究區(qū)干旱缺水，白天農(nóng)作物的蒸騰作用使其處于缺水狀態(tài)，長勢欠佳；夜晚溫差小，農(nóng)作物水分充足，使得冬小麥在夜晚的長勢較好，9－11月夜晚旁風(fēng)向南側(cè)LST升高1℃左右，幅度不是很大，所以出現(xiàn)了9－11月份夜晚南側(cè)LST少許上升的情況。

風(fēng)電場占地范圍內(nèi)溫度是一直升高的，這與現(xiàn)有的研究結(jié)論是一致的：由于風(fēng)電場的建設(shè)改變了大氣能量的轉(zhuǎn)換路徑，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成的電能和湍流交換能力最終都以熱能的形式釋放在大氣中。

綜上所述，分析風(fēng)電場對LST的影響，需要考慮的因素是非常復(fù)雜的。地形、月份、地表植被類型，均會對LST產(chǎn)生相應(yīng)的影響，尤其分析風(fēng)電場對夜晚LST的影響可能還需要考慮更為復(fù)雜的因素，在此基礎(chǔ)上作進(jìn)一步研究。

結(jié)論

通過上文的分析可以看出，風(fēng)電場對其周圍LST的影響是非常復(fù)雜的，總的來說：（1）風(fēng)電場的建設(shè)和運(yùn)行會導(dǎo)致其占地范圍內(nèi)上、下風(fēng)向區(qū)內(nèi)的溫度升高，但不同的月份，風(fēng)電場對上、下風(fēng)向區(qū)的LST影響程度不同；（2）風(fēng)電場對LST影響存在晝夜差異，尤其對夜間LST的影響機(jī)制更為復(fù)雜，需要考慮植被、地形等更為復(fù)雜的因素進(jìn)行綜合分析；（3）風(fēng)電場對LST的影響并不完全遵循白天“減溫增濕”，晚上“增溫減濕”的規(guī)律，因此探討風(fēng)電場對LST的影響還需要針對風(fēng)電場分布的典型區(qū)作進(jìn)一步研究。文章研究還存在一些不足，例如：（1）地形變化對溫度的影響是極其復(fù)雜的，進(jìn)而導(dǎo)致溫度變化的不一致性，風(fēng)電場上、下風(fēng)向內(nèi)溫度的變化與研究區(qū)地形起伏的關(guān)系還需要細(xì)致分析；（2）本文是對干旱荒漠區(qū)中風(fēng)電場進(jìn)行的研究，得出的結(jié)論和目前已有的研究結(jié)果并不完全一致，筆者認(rèn)為，這主要是本文研究區(qū)地表類型差異較大造成的，因此探討風(fēng)電場對地表溫度的影響還需要對不同地表類型的風(fēng)電場進(jìn)行對比研究；（3）風(fēng)電場周圍溫度的升高會導(dǎo)致植被的生長狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而反作用影響風(fēng)電場周圍溫度的變化，今后將加強(qiáng)這方面因素的考慮；（4）與傳統(tǒng)的地表溫度變化實(shí)地驗(yàn)證相比，遙感手段能更宏觀和迅速地反映這一過程。但分析風(fēng)電場對地表溫度的影響，需要遙感監(jiān)測及實(shí)地驗(yàn)證相結(jié)合，才能發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確總結(jié)出風(fēng)電場對不同地表類型LST影響的規(guī)律。