吴正人;刘维维;王松岭
【摘 要】作为实现能源结构调整及节能减排的重要发电技术之一,风力发电在有效利用风能的同时,风力机的大规模运行也可能会对局地大气的自然循环产生影响.在综述国内外有关风电场可能存在的气候效应的相关研究的基础上,具体分析了包括地表粗糙度、地面附近湍流热交换、边界层高度等环境物理参数受到风电场运行的潜在影响,得出了大型风电场对局地气候存在潜在影响的结论. 【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2014(047)006
【总页数】5页(P101-105)
【关键词】风力发电;气候效应;节能减排;大型风电场
【作 者】吴正人;刘维维;王松岭
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【作者单位】小蒸箱华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003;华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003;华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003
【正文语种】中 文
【中图分类】TM614
0 引言
作为一种清洁能源利用技术，风力发电是解决能源短缺、能源安全和环境问题（通常所说的污染问题、碳排放等）的有力手段，目前，风力发电是可再生能源中最具有规模化开发条件和商业前景的发电技术[1-2]。
任何把自然界的资源和能源转化为人类所需的行为，都会对整个自然生态环境产生影响，只不过是影响的方式不同[3-5]。风力发电不同于其他能源转换，虽然其没有传统意义上的污染，但由于风电场的运行改变了正常的自然水汽循环规律，对大气循环造成一定的影响，进而可能会影响到当地气候。对于不同地区，甚至还会出现风力发电引起的加热效应
或冷却效应[6-7]，而环境的改变也反之影响风能的有效利用[8]。由此可知，风力发电虽然是调整能源结构的重要方式之一，但是由于风力机把风能转化为电能，改变了自然界原有的能量循环模式，也会对风电场及其周边地区的天气甚至区域气候造成影响[9]。但是，鉴于目前风能的利用还未到达一定规模，因此还未产生明显的气候影响，但随着将来风电开发利用规模的不断扩大，一旦对气候等造成影响，很可能引发连锁反应，后果很严重。
围绕风电场运行可能存在的环境影响问题，本文对风电场的气候效应及风电场对地表粗糙度、地面附近湍流热交换、大气边界层的影响情况进行了综述分析，为风电场对气候影响的研究提供参考依据，使风能在未来成为一个更为友好的可持续发展能源。
1 风电场的气候效应
由于气候是由多种要素组成的复杂综合体，而能源结构的调整在一定程度上会改变地表特征。风电场的运行，改变了原有的自然循环运作机理，影响自然气候过程，可能会引起气候的变化。
如今，一般从观测和数值模拟2个方面来研究风电场的局地气候效应。结果表明，风电场的
运行，在水平方向上吸收气流的动量，将风能转化为电能，显著降低风电场下游地区的风速，进而减少了热量的传递，同时风力机的转动，引起竖直方向上气流的变化，使气流向上流动，云层变稀、变高，进而影响当地降水等气象要素[10]。
风电场除了对局地气候有影响外，还可能对全球气候产生影响。近几年来，国内科学研究多数集中在风电场对环境生态系统、视觉感官等影响方面，国外已有针对风电场对气候影响的研究。
文献[11]应用 2种环流模型 NCAR（national center for atmospheric research， NCAR）及 GFDL（geophysical fluid dynamics laboratory， GFDL）， 通过改变地面拖曳系数来探究风力机对气候的影响，也从能量角度加以分析，结果证明，虽然全球温度变化不大，但是季节平均温度最大值约有±2℃的波动。文献[12]指出，大型风电场通过降低风速、尾迹中产生湍流、产生剪切应力等改变地表通量、热湿对流，进而对气候产生非直接影响。文献[13]利用NCAR模型，通过研究单独的地表粗糙异常对气候的影响，在一系列的实验中均出现连续的大气长波，这种现象的结果是使风速、温度、云层的分布发生异常，文章通过浅水模型对此进行了验证。文献[14]利用叶素-动量理论（blade element momentum，BEM）
快开阀芯>不锈钢旗杆制作研究风力机与大气之间的关系，估计了由此所引起的全球及区域大气能量损失。文献[15]应用美国NCAR全球大气-海洋和陆地完全耦合模式（community climate model 3，CCM 3），通过设置7组实验中不同的粗糙度研究了大规模风电场对气候的潜在影响，结果发现，风电场会引起明显的温度变化，会使全球降雨量的分布发生改变，沙尘暴可能发生。文献[16]采用中尺度模型对此问题进行探究，结果表明，风电场显著影响近地面空气的湿度、温度及表面潜热、感热通量，影响的大小取决于大气倾斜率及总的水混合比，还在一定程度上取决于风电场的大小。文献[17]依据2003—2011年在得克萨斯州（此处坐落有世界面积最大的4个风电场）测量的卫星气象数据表明，与未安装风力机地区相比，风电场区域夜间温度平均每10年增加0.72℃。文献[18]利用风场模型，采用风洞试验得出结论：尽管整体上风电场区域的表面热通量变化较小，但是由风电场布局造成的不均匀空间扰动非常明显。
综上所述，风力机的安装会对地表粗糙度造成影响，进而由于叶片旋转，搅动空气，形成湍流，影响大气边界层高度，随后此3个参数相互干扰、相互促进，从而可能使温度、湿度、风速等气象参数发生变化，最终对气候造成影响。
2 风电场运转影响的主要环境物理参数
地表和大气的相互作用是通过物质交换来进行的，任何相关通量发生变化都会对大气环流与大气热力状况造成一定的影响[4]。风电场的建设，首先改变了土地利用覆盖率，影响土壤、水文等要素，另外在风电场的运行过程中，生态系统的能量交换和物质循环也随之变化。因此，风电场的运行从各个方面在不同尺度上改变了生态系统的结构、功能和过程，直接影响到生态系统水热平衡、能量平衡，最终可能对气候产生影响。
2.1 风电场对地表粗糙度的影响
地表粗糙度的数值反映了下垫面与地面附近气流之间的相互作用力的大小，同时也反映了两者的物质和能量交换及传输强度，它受到植被特征、风速、风向等因子的影响，其在大气数值模拟及在包括动量通量、显热通量和潜热通量的陆面地表通量参数化模型中发挥着重要作用[19-20]。
众多气候变化研究表明，由下垫面改变造成区域气候的变化可能会比温室气体的影响更严重，所以在研究气候变化的影响中，作为第一阶气候强迫因子，下垫面的作用是不能忽略的[21-22]。在平坦的地面突兀的建立起众多风力机使得原有下垫面的自然环境如农田、牧场等发生了根本的变化，风力机高度集中，以水泥、沥青、砖石、陶瓦和金属板等坚硬密
实、干燥不透水的风机底座，替代了原来疏松的植物覆盖的土壤。这种人为的风力机立体下垫面，使空气的温度、湿度、风速和风向等发生改变，同时改变土壤中水分和热量的传输，进而造成气候的变化[9]。因此研究人员通过改变地表的粗糙度来模拟风电场，以此来研究其对气候的影响。例如，文献[13]在一套环流模型的实验中通过改变坐落于北美、欧洲、亚洲的试验场地的地表粗糙长度模型来模拟大型风电场对能量消耗的影响，实验表明，在粗糙度增强的地方温度有明显的升高，而且在远离扰动区域数千公里以外的地方也观察到温度变化，变化的幅度取决于模型、季节、扰动空间的详细分布。文献[15]通过使用起伏的山丘和丛生的树木，造成表面“粗糙凹凸”，形成4种不同粗糙度的地面形态，阻碍风的流动，以此来改变在风电场区域的近地层摩擦力和拖曳力等，结果表明，4种不同地表均使地面拖曳力增强，靠近地面处风速降低，同时全球范围内的温度都有不同程度的提高。
此外，其他应用全球气候模型模拟的实验[23]也是应用不同的地表粗糙度来模拟风力机，以此来研究风电场对气候的影响。实验证明，这些依靠风能的风力机，对于加强地表与大气之间的热湿交换是非常重要的，而热湿交换又在地表温度、大气循环、水循环方面起着重要作用，所以风电场就可能通过这种方式间接地改变了气候。但是应用此方法的最大挑
战就是求得相应合适的粗糙长度。文献[24]对相应风电场的粗糙度的计算进行了描述，提出了Lettau公式。作为一种估算地表粗糙长度的方法，Lettau公式优于它的精简，并且在详细审查后下均可成立，而且它已经被证明可以应用于更为复杂的情况来估算风电场的地表粗糙度，但是当风力机的密度发生一定变化时，公式将不再适用。文献[25]通过精确描述地表拖曳力并且在假设的中型稳定度条件下计算出相应的风电场粗糙度长度，而文献[7]没有直接去计算粗糙度，相反的，通过模拟单个转子的运作作为风能湍动能的来源进行模拟实验。
2.2 风电场引起湍流造成的影响扎带
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风力机在风电场中运行，上游风力机组产生的尾流效应会在一定程度上影响风场内的空气流场，下游风力机组的出力就会随之变化。另外，空气的湍流程度也由于风力机的尾流效应而增加，由此加强了竖直方向上各个物理量的交换，同时尾流效应会对运行的风电场造成不可忽略的能量损失[26-28]。尽管对全球风能而言，风电场产生的能量和动能耗散的能量仅仅是一小部分，但是风能可以通过传输热量与水分而带动更多的能量流动，因此，在相等的条件下，改变空气动能会比改变辐射有更明显的气候效应。
在大气边界层内，考虑整体风电场对能量的转化作用，风力机转动将会产生很大的湍流能量，陆地风电场地区的湍流动能平均增加约0.9 m2/s2，海上风电场则可能达到1.3～3.1 m2/s2[9]，且湍流尺度在能量向下游扩散的过程中越来越大，这直接增大了风电场近地面层的湍流交换系数，湍流的混合运输将动量传至下游，并且通过黏性（摩擦）耗散将动能转化为热能，热能逐渐消散并加热大气，造成温度的升高。
文献[7]研究发现，风电场对地面的影响取决于旋转转子的尾迹流动造成的垂直方向增强的气流混合。考虑到温度随着高度而增加的静态稳定的环境，湍流会使热空气下降，冷空气上升，使得地表温度升高，空中温度冷却。而当大气不稳定的时候，相反的情况会发生。
文献[15]认为，湍流的热交换是从表面到高空逐渐减少的，气温的上升是由于风力涡轮机影响两个过程，即纵向和横向运动湍流热传输。而这两个过程在地表气温和大气循环中发挥关键性的作用。湍流运动指的是热量和水分从地表或海洋表面转移到低层大气中的过程。横向热传输则是稳定而大规模的风从较热地区（一般在水平方向）将大量热量带走，然后将其传送到较冷地区的过程。这个过程是大规模热量再分配的至关重要的一步，而湍流运动的影响相当局限。
2.3 风电场对大气边界层的影响
大气边界层位于对流层的最底部，直接与地面相贴，因此强烈受到湍流摩擦、水汽交换、物质扩散等各种交互作用和地形的影响。无论是气候变化还是大气环流异常都与陆面过程和大气边界层密不可分[29]，一个单独的风力机是通过叶片的压力梯度和尾迹流动来影响动量运输，而一系列的风力机是通过改变边界层的长度来影响动量运输，文献[30]在建立模型时考虑到了风电场与大气的相互作用，文献[31]应用大涡模拟（large-eddy simulation，LES）整个风电场区域内的大气边界层流动进行模拟，采用不旋转制动盘模型（actuator-disk model without rotation， ADM-NR）、 旋转制动 盘 模 型 （actuator-disk model with rotation，ADM-R）、 制 动 线 模 型 （actuator-line model，ALM）3种模型进行对比来研究风力机对大气边界层流动的影响，求得了经过不同距离后，尾流在竖直方向上的速度分布情况。
大型风电场建设后，通过风力机活动和风机尾流效应等方式，首先对风电场所在地和风电场周边地区的大气运动及水汽传输等造成影响。风力机的运行及其产生的尾流效应首先影响边界层内部湍流能量的传输及水汽扩散，进而对风电场周边地区边界层高度造成影响，
文献[32]基于风机尾流模型进行的研究表明，大气边界层高度随着粗糙度的变化而变化，在风电场内部，边界层比较高，下游则恢复到原来状态。
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