中國儲能網(wǎng)訊：為應對全球氣候變化，在“碳達峰、碳中和”的目標愿景下，風光發(fā)電在過去十幾年來得到了快速的發(fā)展，全球年新增裝機由2016年的163吉瓦增長至2023年的500吉瓦，在新增電源中的比重從60%攀升至80%以上，成為新增電源的主力。我國風光發(fā)電更是實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，截至2023年底，我國風電累計裝機441吉瓦，光伏發(fā)電累計裝機714吉瓦，累積和新增裝機規(guī)模長期位居世界首位，風電光伏發(fā)電合計裝機已超過煤電裝機。風光資源利用作為能源轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容和應對氣候變化的重要途經(jīng)，未來仍將維持高比例發(fā)展態(tài)勢。
伴隨全球可再生能源開發(fā)利用規(guī)模不斷擴大，風電場和光伏電站的建設在帶來諸多益處的同時，其對氣候的影響不容小覷，風電場和光伏電站與大氣邊界層的雙向作用逐漸受到關注，能源利用整個生命周期中對環(huán)境的影響評價得到重視。研究表明，風經(jīng)過風電機組發(fā)生動能與電能轉(zhuǎn)換，會影響陸地表面和大氣層之間的能量交換和循環(huán)模式，在對局地天氣和氣候影響的同時，可能進一步影響全球氣候，北美地區(qū)風電場引起的邊界層擾動可能導致北大西洋上的旋風軌跡及其發(fā)展變化。雖然不乏學者對風電場和光伏電站的區(qū)域甚至全球氣候效應展開討論，但是多數(shù)研究還是圍繞局地氣候展開。2010年以后，國內(nèi)學者開始對我國西北、華北和東北等地區(qū)大型風電場和光伏電站開展相關研究。除了其對風速、氣溫、降水等方面的影響外，大量研究還表明，風電場和光伏電站的建設會使周邊的植被活力呈增加趨勢，尤其在一些光合有效輻射較高并存在光抑制和光損傷的光伏場站更為明顯。因此，光伏電站區(qū)生態(tài)保護與修復成為當前光資源開發(fā)利用與生態(tài)文明建設共贏的重要舉措。
風光資源利用與局地氣候變化研究是當前可再生能源發(fā)展所關注的重要課題。然而，氣候模式和模擬試驗設計等的不確定性，導致風電場和光伏電站建設運行對于氣候和環(huán)境影響仍存在很大的不確定性。有學者指出，風電場建設對全球氣候的平均影響較小，其增暖效應小于人類活動產(chǎn)生的溫室氣體所造成的增暖效應。
我們通過回顧國內(nèi)外陸上風電場和光伏電站建設運行的局地氣候效應研究，從研究方法、影響機理、研究過程及成果等幾方面對文獻進行總結，著重梳理不同大氣穩(wěn)定度、參數(shù)化方案、下墊面條件下風電場對局地氣候的差異化影響以及在地表反照率、光伏組件與近地表大氣之間非線性的相互作用共同影響下的光伏電站局地氣候效應，進一步分析了風電光伏一體化運行對局地氣候的影響，旨在了解風電光伏一體化運行對氣候的綜合影響，為指導風電場和光伏電站科學合理的規(guī)劃布局以及風能太陽能可持續(xù)發(fā)展提供支撐依據(jù)。
風電場建設運行對局地氣候的影響
● 研究方法
目前，風電場建設運行的氣候效應研究主要以風電場建設前后或風電場內(nèi)外的（近）地面觀測、風洞試驗觀測、遙感資料分析及數(shù)值模擬為技術手段。其中，（近）地面觀測資料主要以自動氣象站觀測數(shù)據(jù)、測風塔觀測數(shù)據(jù)以及風力發(fā)機組運行風數(shù)據(jù)為主。風洞試驗是風電機組運行對邊界層的影響研究中重要的研究手段之一，在熱穩(wěn)定性改變情況下風電機組的尾流變化特征以及湍流效應的產(chǎn)生對風電機組輸出功率的影響等方面取得了很多具有實際意義的研究成果。無人機測風、合成孔徑雷達（SAR）、連續(xù)波雷達（ZephIR）及Galion（Galion Aerosol Lidar Observation Network）激光雷達等遙感資料，主要用于風場的差異化研究。
因上述研究手段的局限性，數(shù)值模式逐漸成為研究風電場氣候效應的主要工具。在局地氣候效應研究中，主要采用區(qū)域氣候模式（Regional Climate Model, RCM）、區(qū)域大氣模式系統(tǒng)（Regional Atmospheric Modeling System, RAMS）、中尺度天氣預報模式（Weather Research and Forecasting Model, WRF），計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）模型及大渦模擬（Large Eddy Simulation, LES）模型等?；陲L電機組尾流參數(shù)化模型（WRF-Fitch），將風力機的拖曳系數(shù)引入WRF模式的風速和湍流動能計算中，近年來常用于國內(nèi)外的風電場氣候效應研究中。
● 影響機理
風電機組運行過程中，其旋轉(zhuǎn)吸收風能的同時，增加了區(qū)域內(nèi)地表粗糙度，并對氣流增加了擾動作用，表現(xiàn)出“低風速、高湍流”的尾流效應，促進大氣邊界層中質(zhì)量、動量、能量以及其它物質(zhì)的垂直混合。經(jīng)過若干風電機組群的尾流疊加效應，即形成風電場尺度的大氣內(nèi)邊界層，當其充分發(fā)展時，可對風電場下游幾十公里范圍內(nèi)產(chǎn)生干擾作用。尾流效應的量級和距離受風電場的大小影響的同時，還和大氣邊界層的穩(wěn)定性有關。研究表明，在大氣中性層結條件下，風電場尾流距離可以表示為風電機組直徑、高度、行數(shù)、列間距、動能利用系數(shù)和地表粗糙度的函數(shù)。隨著大規(guī)模風電基地的開發(fā)，風電場尾流效應可呈現(xiàn)出中尺度特征，影響局地或區(qū)域大氣物理過程，進而產(chǎn)生局地或區(qū)域氣候效應，影響機理如下圖所示：
↑ 風電場對局地氣候的影響機理
● 風電場對局地氣候的影響
風電場對邊界層風場的影響
風電場建設運行對邊界層風場的影響直接表現(xiàn)為風速的衰減和湍流的增大。其中，風速的變化是評估風電場未來經(jīng)濟可行性的重要因素之一。研究指出，河西走廊酒泉大型風電場和河北尚義大型風電場建成后年平均風速分別減小0.3米每秒與0.4米每秒。風電場建設對高空風速影響更為突出，使風電機組輪轂高度處的風速明顯減小，并會造成大氣邊界層高度的增加。有研究表明，大規(guī)模的風電場使慣性振蕩和與之相關的夜間低空急流高度上移約200米。風速衰減距離最大可達到30～60公里，隨著風速衰減距離的增大，風速衰減的程度逐漸減小，風速會在其下風方5～20公里范圍逐漸恢復到上風向風速的98%以上，然而風速的變化高度卻有所升高。此外，風電場對風速的影響隨著周圍環(huán)境風速的增大而減小，且風速的損失量與風電機組的推力系數(shù)有關。
風電場通過改變邊界層湍流運動，影響陸氣之間能量物質(zhì)的交換，引起局地氣象要素的變化，進而影響局地氣候。湍流強度除隨風電機組位置、下墊面類型、風速大小等因素呈現(xiàn)差異化外，大氣穩(wěn)定度對邊界層湍流運動具有重要影響。尾流區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定層結中風切變明顯，而不穩(wěn)定層結中表現(xiàn)出低風速、低風切變與高湍流強度的特征，穩(wěn)定層結的風切變指數(shù)整體大于不穩(wěn)定層結的風切變指數(shù)，由于不穩(wěn)定邊界層的湍流能量較強，風切變及氣象要素梯度較小，有利于尾流影響區(qū)和外界自由氣流的動量和能量交換，使得尾流風速恢復較快，尾流傳播距離較短，反之尾流風速恢復較慢，尾流傳播距離較遠。有研究表明河北尚義大型風電場建成后，近地面湍流增強，湍流強度的增加程度在夜間及70米高度要比白天和50米高度明顯，且湍流強度隨風速的增加而減小。
風電場對局地溫度的影響
風電機組在運行過程中，尾流的擾動作用使得近地表動量、熱量的垂直混合增強，進而對風電場內(nèi)部與周邊區(qū)域地表感熱潛熱通量的垂直分布等產(chǎn)生影響，造成氣溫和地表溫度的變化。通過衛(wèi)星遙感資料分析發(fā)現(xiàn)，德克薩斯中西部地區(qū)風電場內(nèi)外地表溫度呈0.724℃/10年的增溫趨勢。加利福尼亞南部風電場下風向增溫范圍可達12公里。我國西北、華北地區(qū)風電場及其下游地區(qū)同樣具有增溫趨勢，但是增溫幅度較小。
受大氣穩(wěn)定度等因素的影響，其增溫作用具有較為明顯的季節(jié)變化與日變化特征，甚至風電場尾流區(qū)域下風向表現(xiàn)出明顯的異常降溫效應。地表溫度的變化幅度主要取決于風電機組運行所造成的湍流動能和背景湍流動能之比。內(nèi)蒙古中部蘇尼特右旗朱日和境內(nèi)風電場上風向、風電場內(nèi)、下風向的溫度降幅依次為0.7%、1.2%和1.6%，且氣溫的變化隨觀測環(huán)境溫度的升高呈減小趨勢。大量研究表明，風電場引起的夜間增溫效應較為明顯，且最強增溫效應出現(xiàn)在夏季夜間，白天則更趨于降溫或不明顯的增溫。中國西北部的瓜州附近風電場夏季夜間增溫可達0.58℃/8年。不同的是，李思等在我國北方大型風電場對華北平原地區(qū)氣象要素影響的模擬中指出，風電機組在輪轂高度及更高處產(chǎn)生湍流動能，形成湍流逆溫效應，從而導致地面和輪轂高度處增溫，尤其冬季（1月）的湍流逆溫效應更加明顯，且風電場面積的擴大會對冬季的湍流逆溫效應增強起到促進作用。
在對風電場的增溫效應模擬研究中，不同的參數(shù)化方法會導致增溫效果的顯著差異，在增溫幅度和增溫范圍方面均有所影響。在LES和WRF模型中，分別用上升動量匯和空氣動力學粗糙度長度的增加來表示風電場，發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)化方法模擬結果可相差2～4倍，LES模擬結果溫度變化通常小于0.5℃，而WRF模擬中由于夸大了感熱通量，導致風電場區(qū)域近地面溫度變化達1～2℃。
風電場對局地降水的影響
風電場對局地降水的影響機理和結論目前尚存在一定的不確定性。風電場的存在，可能在一定程度上阻礙了來自西北部的干空氣平流，導致風電場東南部及其周邊區(qū)域降水量增加1%左右，并在某一個季節(jié)內(nèi)可能會對降水量產(chǎn)生強烈影響。在颶風等惡劣天氣條件下，海上風電場會使得累積降水的分布明顯變化，導致風電場上游或內(nèi)部的海上區(qū)域降水量增加，下游的陸上區(qū)域降水量明顯減少。胡菊等研究發(fā)現(xiàn)，酒泉地區(qū)風電場的建設，增加了大氣對流特性，使河西走廊地區(qū)西部對流性雨日增加1～1.5天/年，對流降雨量變化范圍在±5毫米之間。
● 不同下墊面條件下風電場對局地氣候的影響差異研究
不同下墊面條件下氣候背景的差異性，造成了不同下墊面條件下風電場運行的氣候響應特征的不同。不同地形條件下產(chǎn)生的湍流模型、邊界層穩(wěn)定情況等均不相同。地表粗糙度越大，風電場下游風速越小，且速度恢復越慢，湍流動能的空間非均勻分布特性越明顯，溫度的變化加劇、變化范圍加大。相較于復雜地形或陸地風電場，平坦地形或近海風電場由于粗糙度較低，湍流運動得到充分發(fā)展，尾流中風速得以補充，使得其對當?shù)氐臍夂蛴绊懜。謴偷酶臁?/span>
有學者以青海湖西南部的烏蘭茶卡至共和沙珠玉鄉(xiāng)為中心，利用WRF-Fitch分別在平坦峽谷、高海拔山地和水體下墊面條件下開展風電場運行的氣候效應敏感性數(shù)值試驗，得出在同等裝機的理想情景下，各風電場內(nèi)近地層平均風速均呈現(xiàn)出衰減特征，且夜間風速衰減程度更加明顯，2米氣溫以降低為主，平坦峽谷和水體下墊面風電場的氣溫變化明顯于高海拔地區(qū)，且水體風電場內(nèi)夜間濕度減小更明顯。
光伏電站建設運行對局地氣候的影響研究
● 研究方法
與風電場類似，當前光伏電站建設運行的氣候效應研究也主要以光伏電站建設前后或光伏電站內(nèi)外的（近）地面觀測、遙感資料分析及數(shù)值模擬為技術手段。（近）地面觀測存在觀測要素種類少、時空局限性強等缺點，一定程度上限制了從觀測角度研究光伏電站對局地氣候的潛在影響，但是近年來，地面觀測實驗在不斷完善。趙延巖等通過在新疆五家渠戈壁和光伏電站內(nèi)兩排光伏陣列中點不同高度或不同土壤深度處布設二維超聲風速風向儀、空氣溫濕度傳感器、四分量凈輻射傳感器、大氣壓力傳感器、土壤熱通量傳感器、土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器以及渦度相關系統(tǒng)，分析了戈壁與光伏電站混合下墊面地表輻射和能量收支特征。MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）、NASA（National Aeronautics and Space Administration）等遙感數(shù)據(jù)常用于地表溫度、長短波輻射與地表反照率的變化研究。
● 影響機理
研究指出，光伏電站對局地氣候的影響主要表現(xiàn)為通過改變地表粗糙度和反照率等陸面特征產(chǎn)生輻射強迫以及光伏組件與大氣邊界層之間的相互作用。光伏電站建設運行造成地表粗糙率和反照率的變化，改變地表-大氣的輻射平衡，進而對溫度場、濕度場、流場等產(chǎn)生一定影響。由于反照率的大小與下墊面類型有關，通常淺色地表反照率較高，深色地表的反照率較低，因此光伏電站對區(qū)域反照率的影響因下墊面類型而異。光伏組件和近地表大氣之間非線性的相互作用表現(xiàn)為：
（1）光伏組件的遮擋作用，減少了地表的熱量吸收；
（2）光伏組件在光電轉(zhuǎn)換的過程中，在其上下表面產(chǎn)生熱輻射；
（3）光伏電站的建設可能會伴隨地表植被的破壞，從而降低地表蒸散發(fā)作用造成的環(huán)境溫度冷卻效應；
（4）輻射能轉(zhuǎn)換為電能，使地表獲得的能量減少；
（5）光伏組件對向上長波輻射的反射和吸收，削弱了地表的夜間輻射冷卻。
其影響機理如下圖所示：
↑ 光伏電站對局地氣候的影響機理
● 集中式光伏電站對局地氣候的影響研究碳市場
光伏電站對輻射的影響
大型光伏電站的建設使電站內(nèi)太陽輻射的吸收能力增強，反照率下降，向上短波輻射減小。共和盆地荒漠區(qū)大型光伏電站建設使區(qū)域輻射量減少3.37%，且對白天時段太陽輻射影響更加明顯。也有研究進一步指出，冬季共和盆地荒漠地區(qū)大型光伏電站內(nèi)反照率增加，電站內(nèi)外反照率的季節(jié)差異，導致夏季電站內(nèi)向上短波輻射低于電站外，冬季電站內(nèi)向上短波輻射高于電站外，而電站內(nèi)向上長波輻射和向下長波輻射均低于電站外，尤以夏季表現(xiàn)最為明顯。
光伏電站對溫度的影響
光伏電站內(nèi)外氣溫的季節(jié)變化和日變化較為明顯。共和盆地和新疆五家渠光伏電站氣溫變化較為一致，均表現(xiàn)出白天增溫，夜間降溫的變化特征，新疆五家渠光伏電站的建設在白天對2米和10米高度的近地表空氣溫度分別產(chǎn)生了0.64開和0.32開的對流加熱效應，夜間則對2米和10米高度的空氣溫度產(chǎn)生0.24開和0.08開的冷卻效應。而格爾木荒漠地區(qū)大型光伏電站內(nèi)外氣溫變化與上述地區(qū)有所不同，除冬季白天差異不明顯外，全年的夜晚以及春、夏、秋季的白天站內(nèi)2米氣溫值均高于站外，尤其夏季差異最大，可達0.67℃，而全年10米氣溫均低于站外。
總體上，光伏電站的建設對地表溫度具有冷卻作用。共和盆地荒漠地區(qū)大型光伏電站建設產(chǎn)生了年平均4℃，月平均1.8～8.2℃的降溫。格爾木荒漠地區(qū)大型光伏電站建設同樣造成了白天地表淺層（5厘米）土壤溫度的下降，但是夜間除冬季外產(chǎn)生了地表淺層土壤溫度的升高。
光伏電站對其它要素的影響
光伏電站建設，改變了地表反照率和輻射平衡，直接影響土壤溫度和環(huán)境溫度等因素，間接影響蒸發(fā)量和降水量。區(qū)域反照率的增加可能會導致降水量的減少，使得蒸發(fā)量減少，進一步促進對降水量的抑制作用。有研究發(fā)現(xiàn)在沙漠區(qū)域布設光伏電站反照率減小，而在農(nóng)耕環(huán)境下布設光伏電站，由于植被破壞，會在暖季導致反照率的增加，從而減少區(qū)域蒸發(fā)量和降水量。
光伏電站建設對地表粗糙度的改變還可能造成風場類型、湍流強度、大氣邊界層高度等的變化。有研究指出，光伏電站區(qū)域的大氣邊界層高度在下午會升高150～250米，而光伏電站的布設，導致局地風向更加趨于單一，大風速占比例也明顯降低。
● 分布式光伏對城市氣候的影響研究交通
與集中式光伏電站相比，分布式光伏發(fā)電的建設規(guī)模相對較小，在未來的光伏產(chǎn)業(yè)中將扮演重要角色。由于光伏組件的遮蔽效應，減弱了太陽輻射對屋頂?shù)闹鄙渥饔?，同時光電轉(zhuǎn)換效應減少了建筑物表面對太陽輻射的吸收，從而影響城市熱量與環(huán)境溫度。光伏組件的安裝可以有效改變建筑物表面溫度，對城市熱島效應產(chǎn)生影響，但緩解情況取決于對太陽輻射的吸收率和城市氣候背景。
風電光伏一體化運行的綜合氣候效應研究
目前，風電光伏一體化運行的綜合氣候效應研究尚少。有學者采用氣候模式，模擬研究了覆蓋撒哈拉和薩赫勒地區(qū)的大規(guī)模風電光伏一體化運行對氣候的綜合影響。研究表明，風電場的建設造成該區(qū)域風速下降約36%，近地表顯著增溫2.36開，促進該地區(qū)熱低壓的增強，輻合上升運動加劇，導致降水量增加了一倍，約0.25毫米/天，尤其薩赫勒地區(qū)降水量平均增加了1.12毫米/天。光伏電站的建設使該地區(qū)降水量增加了50%，約0.13毫米/天，薩赫勒地區(qū)降水量平均增加0.57毫米/天。光伏電站的運行，引發(fā)了對風電場反照率減?。邓黾樱脖簧w度增加的正反饋，進一步導致氣溫和降水量增加，因此，風電光伏一體化運行導致了氣候變化加劇。
在我國西北干旱和半干旱地區(qū)風電場和光伏電站建設的氣候效應研究中，西北地區(qū)大規(guī)模風電場和光伏電站的建設導致局地地面凈短波輻射增加，地表感熱通量升高，近地面氣溫升高，使新疆西部地區(qū)、河西走廊地區(qū)和我國黃淮等地降水量增加，而華北部分地區(qū)降水減少。反照率的改變導致低層形成氣旋性環(huán)流，使我國中部地區(qū)出現(xiàn)南風異常，西北地區(qū)產(chǎn)生東風異常，高層形成反氣旋環(huán)流，可以影響我國大部分地區(qū)，過程機理如下圖所示。此外，研究還進一步指出，太陽能利用導致的氣候效應大于風能利用的氣候效應。
↑ 我國西北地區(qū)大規(guī)模風電場和光伏電站建設引起局地和區(qū)域環(huán)流變化的過程機理
結論
（1）風電場建設運行對邊界層風場的影響主要表現(xiàn)為風速的衰減和湍流的增大。湍流運動的改變，影響陸氣之間能量物質(zhì)的交換，導致大氣通量的變化，進而影響局地氣候。
（2）與風電機組運行相關的風速衰減距離、風切變、湍流強度、溫度等變化特征隨大氣穩(wěn)定度的不同存在明顯差異。
（3）風電場建成后，改變了近地層動量、風速以及感熱和潛熱通量，間接引發(fā)降水量和云量的變化，但是受地形、風速變化、熱量和水汽輸送等多種因素影響，使得風電場對降水的影響具有很大的不確定性，不同粗糙度下墊面條件下，地表粗糙度越大，局地氣候效應越明顯。
（4）地表反照率的改變是光伏電站對局地氣候產(chǎn)生影響的重要原因，此外，光伏組件的布設會同時伴隨物理遮擋、輻射能轉(zhuǎn)換為電能等因素導致的環(huán)境溫度冷卻效應，以及地表蒸散發(fā)作用降低、光伏組件在光電轉(zhuǎn)換的過程中熱量釋放、地表的夜間輻射冷卻削弱等因素產(chǎn)生的增溫效應。光伏電站建設運行的局地氣候效應是上述因素共同作用的結果，當光電轉(zhuǎn)換效率達到某一閾值，太陽能光伏的部署可以起到為城市環(huán)境降溫的目的。
在前期研究基礎上，我國學者總結出大型風電場和光伏電站局地氣候效應評估方法，分別制定陸上風電場和大型集中式光伏電站的局地氣候效應評估指南，從氣溫、風速、相對濕度、降水等方面衡量大型風電場和光伏電站對局地氣候的影響，對大型風電場和光伏電站局地氣候效應評估具有明確的指導作用。以減少風電場和光伏電站建設運行的不利氣候影響為出發(fā)點，結合氣候系統(tǒng)的反饋機制，研究確定風電場和光伏電站對氣候的潛在影響，探究風電場和光伏電站建設運行對氣候影響的評價方法和指標體系，可以為高效利用風光資源以及規(guī)劃布局氣候友好型風電場和光伏電站等提供科學支撐。
研究指出，太陽能利用導致的氣候效應大于風能利用的氣候效應，風電光伏一體化運行可能會導致局地氣候變化加劇，但是目前相關研究較少，隨著“風光（水）火儲一體化”項目的不斷推進，風電光伏一體化運行對氣候的綜合影響應得到廣泛關注，以期為相關部門提供科學合理的規(guī)劃建議，促進可再生能源開發(fā)利用可持續(xù)發(fā)展。
