我國(guó)大別山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)局地氣候影響研究初探
——以湖北大悟?yàn)槔?/h1>

2019-05-31 01:34:10張雪婷李金鑫陳正洪何飛崔楊

Advances in Meteorological Science and Technology訂閱 2019年2期 收藏

關(guān)鍵詞：大悟縣大悟年際

張雪婷 李金鑫 陳正洪 何飛 崔楊

（1 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205；2 湖北省氣象能源技術(shù)開發(fā)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(fēng)能是一種綠色的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電更起到了節(jié)能減排的作用，因此被譽(yù)為“氣候變化的衛(wèi)士”[1]，近年來在世界范圍內(nèi)得到規(guī)模化發(fā)展。風(fēng)電開發(fā)和運(yùn)行在帶來積極環(huán)境效應(yīng)的同時(shí)，對(duì)生態(tài)環(huán)境甚至氣候的一些不利影響越來越受到關(guān)注，國(guó)內(nèi)外也開始有了這方面的研究。

雖然風(fēng)力發(fā)電不會(huì)像火力發(fā)電一樣產(chǎn)生溫室氣體和其他污染氣體，但是由于風(fēng)機(jī)渦輪振動(dòng)、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，改變了自然界原有的能源循環(huán)模式，同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)會(huì)改變地面的粗糙度，從而改變陸表和大氣的熱交換過程，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)對(duì)局地氣候可能產(chǎn)生影響[2]。大量建立在觀測(cè)和數(shù)值模擬基礎(chǔ)上的研究表明，風(fēng)電場(chǎng)的建立和運(yùn)行對(duì)局地下游氣候會(huì)有明顯影響，主要是造成下游風(fēng)速明顯減弱；同時(shí)對(duì)下游氣溫也有明顯影響，其變暖或變冷效應(yīng)取決于局地近地層大氣穩(wěn)定度特征[3]。以2003—2011年期間的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究大型風(fēng)電場(chǎng)的地表氣溫變化特征。與無風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域相比，有風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的氣溫有一個(gè)較明顯的增溫趨勢(shì)，且增溫現(xiàn)象在夜間尤為顯著[4]。而風(fēng)速通過風(fēng)場(chǎng)區(qū)域后減小，存在風(fēng)速損失，尤其對(duì)高空的風(fēng)速影響明顯，這種影響至少延伸到下風(fēng)向的10 km之外[5-6]。對(duì)于降水來說，風(fēng)電場(chǎng)主要影響季節(jié)性降雨量，對(duì)平均降雨量的影響不顯著[7]。另外，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行通過晝夜循環(huán)還增加了空氣、地表及土壤溫度，且風(fēng)機(jī)群形成的局地氣候影響在溫度和絕對(duì)濕度方面隨著與風(fēng)電場(chǎng)距離的增大成對(duì)數(shù)性減少[8]。

1 資料與方法

本文采用了大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群周邊3個(gè)國(guó)家氣象站，即大悟、紅安、黃陂氣象站的氣溫、風(fēng)速、降水資料進(jìn)行分析（圖1、表1）。其中紅安、黃陂氣象站周邊沒有建成的風(fēng)電場(chǎng)，且上述地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，綜合考慮位置和風(fēng)向，上述兩站未受到大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群的影響，因此將紅安、黃陂兩地作為非影響區(qū)，而大悟周邊尤其是北邊逐步建成多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，因此將其作為影響區(qū)。大悟已建成風(fēng)電場(chǎng)基本情況如表2所示。其中黃陂站距離大悟稍遠(yuǎn)，作為參考站。3個(gè)氣象站點(diǎn)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(cè)環(huán)境發(fā)生了較大變化（超高建筑），導(dǎo)致平均風(fēng)速呈顯著減小趨勢(shì)，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(fēng)速下降嚴(yán)重。黃陂氣象站建站至今未曾遷站，觀測(cè)環(huán)境較好，測(cè)風(fēng)資料比較完整。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)及周邊氣象臺(tái)站位置示意圖Fig.1 Map of meteorological stations around the Dawu wind farms

表1 大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群周邊國(guó)家氣象站分布情況Table 1 The distribution of meteorological stations around the Dawu wind farms

計(jì)算影響區(qū)與非影響區(qū)各自代表氣象站同年的氣溫差值（ΔT1）、風(fēng)速比值（rV1）、降水量比值（rR1），再分別求取風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)速、降水量波動(dòng)或趨勢(shì)變化，可揭示出大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)當(dāng)?shù)貧鉁?、風(fēng)速、降水的可能影響。

表2 大悟、紅安、黃陂風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)情況（含建成、在建、待建風(fēng)電場(chǎng)）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(fēng)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(diǎn)資料時(shí)間長(zhǎng)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(fēng)電場(chǎng)陸續(xù)建成對(duì)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(duì)比。其中，大悟縣風(fēng)電場(chǎng)集中式的建設(shè)于2013年開始，同年共有2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)開始運(yùn)行，并網(wǎng)發(fā)電時(shí)間分別為6、12月，因此不能確定2013年是否受到風(fēng)電場(chǎng)群的影響，所以分析時(shí)暫不采用2013年的資料。

最后采用滑動(dòng)t-檢驗(yàn)來判斷氣溫差值、風(fēng)速和降水比值序列的突變點(diǎn)，驗(yàn)證大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)當(dāng)?shù)貧鉁?、風(fēng)速、降水影響程度的顯著性。

2 風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)氣溫的影響研究

2.1 風(fēng)電場(chǎng)群周邊氣溫變化特征

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

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

圖2 影響、非影響區(qū)（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(jì)算影響與非影響兩個(gè)區(qū)域的氣溫差值，即ΔT1，其歷年變化曲線如圖3所示?？梢钥闯?，ΔT1在2014年以后突然增大，由1993—2013年的負(fù)值變?yōu)檎担骄1為0.06 ℃，比1993—2012年的ΔT1（-0.27 ℃）增大了0.33 ℃。由于氣溫差值已經(jīng)排除了大氣候背景下氣溫受氣候變化的影響，可以近似認(rèn)為這種影響與非影響區(qū)平均氣溫差值突然增大是由于風(fēng)機(jī)渦輪作用混合了上下層空氣導(dǎo)致的風(fēng)電場(chǎng)局地氣候效應(yīng)造成的[9]，總體表現(xiàn)為增溫。

圖3 影響、非影響區(qū)（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(fēng)電場(chǎng)群建成后氣溫的變化特征

為了討論風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析。表3分別計(jì)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(qū)與非影響區(qū)氣溫差值比較（單位：℃）Table 3 Comparison of ΔT1 between the affected and unaffected areas (unit: ℃)

計(jì)算結(jié)果顯示，常年四季及年的ΔT1基本為負(fù)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 ℃?？梢?，建風(fēng)電場(chǎng)后，四季及年的ΔT1比建風(fēng)電場(chǎng)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(qū)別不大。

3 風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)風(fēng)速的影響研究

3.1 大悟站平均風(fēng)速的訂正

調(diào)查表明，20世紀(jì)80年代末以來，全國(guó)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(yuǎn)郊區(qū)變?yōu)榻紖^(qū)，四周蓋起了樓房，一些觀測(cè)場(chǎng)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，觀測(cè)到的風(fēng)速逐步甚至急劇減小。其中，大悟氣象站（影響區(qū)）建站以來，觀測(cè)環(huán)境發(fā)生了較大變化，導(dǎo)致平均風(fēng)速呈現(xiàn)顯著減小趨勢(shì)，特別是2007年，觀測(cè)場(chǎng)周圍有住戶強(qiáng)行超高建房，進(jìn)一步破壞了探測(cè)環(huán)境（年平均風(fēng)速已經(jīng)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(qū)）于2005年修建了新的辦公樓，觀測(cè)站受到遮擋，導(dǎo)致2005年之后風(fēng)速明顯下降。而同為非影響區(qū)的黃陂氣象站建站至今未曾遷站，觀測(cè)場(chǎng)環(huán)境較好，因此在風(fēng)的分析中采用黃陂作為非影響區(qū)。而為了撇除地面觀測(cè)站受周邊環(huán)境等變化而造成的風(fēng)速減少，我們對(duì)大悟站進(jìn)行訂正（由于大悟站1978年遷站，因此1978年之前的風(fēng)速不采用）。

由于黃陂氣象站周圍環(huán)境變化不大，且年平均風(fēng)速變化比較平緩，因此認(rèn)為黃陂氣象站風(fēng)速的變化為自然變化，以此對(duì)大悟氣象站由于測(cè)風(fēng)環(huán)境引起的風(fēng)速減小進(jìn)行訂正。大悟和黃陂氣象站年平均風(fēng)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(rèn)為在大氣候背景下風(fēng)速受氣候變化影響的變量是相等的，1990—2006年兩站環(huán)境均無明顯變化，因此以此時(shí)間段為基準(zhǔn)，將兩站1990—2006年較2007—2016年的平均年平均風(fēng)速變化做差值，即0.70-0.07=0.63 m·s-1，可認(rèn)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(fēng)速實(shí)測(cè)值上便得到了自然條件下的逐年平均風(fēng)速值。訂正后的1990—2016年逐年平均風(fēng)速變化曲線見圖4。

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

3.2 風(fēng)電場(chǎng)群周邊風(fēng)速變化特征

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

圖6給出影響區(qū)與非影響區(qū)的年平均風(fēng)速比值（rV1）歷年變化曲線。可以看出，rV1呈波動(dòng)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(fēng)速缺測(cè)。

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

3.3 風(fēng)電場(chǎng)群建成后風(fēng)速的變化特征

表4分別計(jì)算了近20、10、5年的rV1與2014—2016、2015—2016年的rV1，并進(jìn)行了對(duì)比。

表4 影響區(qū)與非影響區(qū)風(fēng)速比值比較Table 4 Compare of rV1between the affected area and non-affected area

計(jì)算結(jié)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?？梢姡瑀V1在大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群并網(wǎng)發(fā)電前后有略微差異，風(fēng)速比建風(fēng)電場(chǎng)前減小，且近2年的風(fēng)速變化較近3年的風(fēng)速變化略微偏小。

4 風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)降水的影響研究

4.1 風(fēng)電場(chǎng)群周邊氣溫變化特征

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

圖8給出影響區(qū)與非影響區(qū)的年降水量比值（rR1）的歷年變化曲線?？梢钥闯?，rR1總體上有微弱的下降趨勢(shì)，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(jīng)排除了大氣候背景下降水受氣候變化的影響，可以近似認(rèn)為大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)降水的影響不大。

圖6 影響、非影響區(qū)（1993—2016年）平均風(fēng)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(qū)（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(qū)（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(fēng)電場(chǎng)群建成后降水的變化特征

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

計(jì)算結(jié)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?？梢?，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(nèi)，rR2-3a和rR2-2a分別在0.93～1.09和0.89～1.04，且在1上下浮動(dòng)?？梢?，rR1在大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群并網(wǎng)發(fā)電前后僅有略微差異，風(fēng)電場(chǎng)群形成的局地氣候?qū)邓康挠绊懖⒉幻黠@。

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

5 突變檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群對(duì)當(dāng)?shù)貧鉁亍L(fēng)速、降水影響程度的顯著性。采用滑動(dòng)t-檢驗(yàn)來判斷氣溫差值、風(fēng)速和降水比值序列的突變點(diǎn)。

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，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(fā)生了明顯的突變。風(fēng)速比值序列于2012年通過0.05顯著性水平，可見風(fēng)速比值在2012年后發(fā)生了突變。而大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群從2009年開始建設(shè)，并于2014年大規(guī)模建成，因此風(fēng)電場(chǎng)群的運(yùn)行對(duì)當(dāng)?shù)貧鉁氐挠绊懨黠@，對(duì)風(fēng)速也有較小影響。而降水比值序列在2009年之后并未發(fā)生突變，說明風(fēng)電場(chǎng)群的運(yùn)行對(duì)降水的影響不太明顯。

6 結(jié)論與討論

本文以大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群為研究對(duì)象，對(duì)比分析了風(fēng)電場(chǎng)群影響區(qū)和非影響區(qū)的站點(diǎn)在風(fēng)電場(chǎng)群運(yùn)行前后氣溫、降水、風(fēng)速要素的變化，具體結(jié)果如下。

1）大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群形成的局地氣候?qū)鉁卦斐闪擞绊懀傮w表現(xiàn)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(fēng)電場(chǎng)陸續(xù)投入運(yùn)行后，影響區(qū)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(qū)別不大。

2）大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群形成的局地氣候?qū)︼L(fēng)速有一定影響，總體表現(xiàn)為風(fēng)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(fēng)電場(chǎng)陸續(xù)投入運(yùn)行后，影響區(qū)風(fēng)速有略微減小趨勢(shì)。但是，風(fēng)速在風(fēng)電場(chǎng)群影響期（后3年）的波動(dòng)未超出其年代際變化。

3）大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群形成的局地氣候?qū)邓康挠绊懖淮?。?、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(nèi)，可見風(fēng)電場(chǎng)群影響期的變化位于年際變化周期中，因此風(fēng)電場(chǎng)群的運(yùn)行對(duì)其影響不太明顯。

與目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究（主要采用數(shù)值模擬或在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)的方法）相比，本文采用了國(guó)家氣象站資料進(jìn)行分析，其研究地點(diǎn)僅涉及單點(diǎn)，造成了一定局限性。如涉及風(fēng)電場(chǎng)附近有實(shí)際觀測(cè)的研究，其研究時(shí)間多為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行后五至幾十年，本文僅采用大悟縣風(fēng)電場(chǎng)群運(yùn)行后3年時(shí)間的觀測(cè)資料與歷史氣候值作對(duì)比分析，時(shí)間略短。另外，氣象站的觀測(cè)還受到多種因素的影響，尤其是周邊環(huán)境及儀器設(shè)備的維護(hù)和更換，分析方法也較為簡(jiǎn)單，因此對(duì)風(fēng)電場(chǎng)群建設(shè)造成的局地氣候效應(yīng)有待更長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析及更多研究方法的驗(yàn)證。

由于大悟縣的主要產(chǎn)業(yè)是農(nóng)林牧漁業(yè)，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(fā)展應(yīng)適當(dāng)考慮這些因素的影響。

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