風(fēng)電場(chǎng)是如何影響氣候環(huán)境的

風(fēng)能是可再生的綠色能源，全球風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模和數(shù)量正在快速增加。過(guò)去十余年中，中國(guó)開發(fā)了全球約35%的風(fēng)電裝機(jī)容量。中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院聯(lián)合中國(guó)氣象科學(xué)研究院等單位，對(duì)河北省尚義縣一大型陸地風(fēng)電場(chǎng)開展了一項(xiàng)為期15年的集氣象監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感和地面采樣的綜合實(shí)驗(yàn)，深入探討陸地風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前后局地氣候和環(huán)境變化差異。今天，我們約請(qǐng)研究論文主要作者、中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院羅立輝研究員向讀者介紹相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題。

巨大的“蝴蝶”群可能影響氣候環(huán)境

我們都聽說(shuō)過(guò)蝴蝶效應(yīng)，空中一只小小蝴蝶扇動(dòng)翅膀，產(chǎn)生的微弱氣流引起的連鎖反應(yīng)，最終可能引發(fā)一場(chǎng)龍卷風(fēng)。風(fēng)機(jī)葉片像一只巨大的“蝴蝶”，而風(fēng)電場(chǎng)則由成百上千只巨大的“蝴蝶”組成，它們的扇動(dòng)會(huì)對(duì)周邊乃至其他區(qū)域產(chǎn)生什么樣的連鎖反應(yīng)呢?

1891年，丹麥建立了全世界第一座風(fēng)力發(fā)電站。自20世紀(jì)70年代第一次世界石油危機(jī)以來(lái)，能源日趨緊張，各國(guó)開始用風(fēng)能來(lái)代替高污染的能源。目前，全球風(fēng)電的發(fā)電量占總發(fā)電量的4%左右，風(fēng)能發(fā)電相較于上個(gè)世紀(jì)末增加了幾百倍。至2050年，風(fēng)能發(fā)電將滿足世界上20%以上的電力需求。

2004年，有研究者首次提出，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行可能會(huì)影響局地和全球氣候。在部署風(fēng)電場(chǎng)的地區(qū)，當(dāng)風(fēng)力穿過(guò)風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，風(fēng)的動(dòng)能相當(dāng)大一部分被渦輪機(jī)提取而轉(zhuǎn)化為電能。這種能量之間的轉(zhuǎn)換影響陸地表面和大氣層之間的自然能量交換擾動(dòng)和循環(huán)模式，改變風(fēng)電場(chǎng)及其周邊地區(qū)的天氣和局地氣候，從而影響全球氣候。

國(guó)際上，2000年后開始出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)氣候效應(yīng)方面的研究，2010年后相關(guān)研究開始增長(zhǎng)。2010年以后，國(guó)內(nèi)學(xué)者開始對(duì)主要集中在西北、華北和東北等地的國(guó)內(nèi)大型風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行探索研究。目前主要采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感和無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建模型并進(jìn)行數(shù)值模擬等來(lái)分析風(fēng)電場(chǎng)對(duì)氣候和環(huán)境可能造成的影響。

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)速減小

中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站生態(tài)氣候效應(yīng)和環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究”資助下，試圖弄清大規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蚝铜h(huán)境的影響。我們選擇了麒麟山風(fēng)電場(chǎng)開展這項(xiàng)為期15年的研究。

麒麟山風(fēng)電場(chǎng)位于內(nèi)蒙古和河北交界處的河北省尚義縣和烏蘭察布市。風(fēng)電場(chǎng)從2008年開始建設(shè)到2015年建設(shè)結(jié)束，經(jīng)歷了四個(gè)建設(shè)階段。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)以農(nóng)田和草地為主，主要農(nóng)作物為馬鈴薯、玉米、大豆和蔬菜。該地區(qū)沒(méi)有大型哺乳動(dòng)物棲息，野生動(dòng)物群落主要由小型嚙齒動(dòng)物組成。該地區(qū)不是候鳥的主要棲息地，也不在候鳥的主要遷徙路線上。在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前的2005年，在風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)安裝了70米的氣象觀測(cè)塔。云高儀、三維激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、微波輻射儀、搭載多光譜相機(jī)的無(wú)人機(jī)和X射線熒光分析儀等設(shè)備在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)后被陸續(xù)用于此地的監(jiān)測(cè)。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)吸收氣流的動(dòng)量，增加地表的摩擦力，以往的研究顯示，這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部及下風(fēng)區(qū)的風(fēng)速衰減。風(fēng)速衰減的影響范圍最大達(dá)到了60公里，導(dǎo)致風(fēng)速得到恢復(fù)需要間隔一定的距離。隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的增加，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)速減小8%至16%。

在我們的這次研究中，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前，尚義縣周邊的幾個(gè)氣象站如尚義、興和、懷安和商都，風(fēng)速下降變化趨勢(shì)相對(duì)比較穩(wěn)定，風(fēng)電場(chǎng)建成后，興和下降趨勢(shì)變化不明顯，尚義下降趨勢(shì)是建設(shè)前的兩倍多，而商都呈略微增加趨勢(shì)。這個(gè)趨勢(shì)反映了尚義很大程度上受非氣候變化因素影響，致使風(fēng)電場(chǎng)建成后風(fēng)速下降。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)很可能造成尚義每年風(fēng)速降低0.19米/秒，相當(dāng)于建設(shè)后平均風(fēng)速的6%。在風(fēng)電場(chǎng)的下風(fēng)向風(fēng)速有明顯的衰減。

局地氣候影響小于自然變率

以往的研究顯示，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)氣溫的影響取決于近地層大氣層結(jié)的穩(wěn)定度，不同的穩(wěn)定度造成風(fēng)電場(chǎng)對(duì)近地層氣溫產(chǎn)生增溫或降溫的效應(yīng)，研究顯示多以增暖效應(yīng)為主，地表增溫效應(yīng)夜間強(qiáng)于白天，夏季強(qiáng)于冬季，尤其以夏季夜間的增暖效應(yīng)最強(qiáng)烈。不同規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)造成的風(fēng)電場(chǎng)地表溫度升溫0.18℃至0.70℃。

在我們這次的研究中，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前，尚義周邊各氣象站的氣溫波動(dòng)具有高度一致性，升溫趨勢(shì)較為接近，建設(shè)后，尚義、懷安和興和升溫趨勢(shì)明顯上升，是建設(shè)前的兩倍多，而商都升溫趨勢(shì)則略微降低。這一升一降的趨勢(shì)反映了尚義在很大程度上受非氣候變化因素影響，致使風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)后升溫明顯。

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)可能造成尚義年平均氣溫增加0.35℃。氣溫的增加主要發(fā)生在夜晚，且夏季夜晚和秋季夜晚增溫最為明顯。風(fēng)電場(chǎng)建成后，白天的陸地溫度呈每10年下降0.58℃的趨勢(shì)，而夜間的陸地溫度呈每10年上升0.46℃的趨勢(shì)。此外，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的相對(duì)濕度增加了大約5%，風(fēng)電場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)加快了地表的蒸發(fā)，蒸發(fā)量從34毫米增加到95毫米，降水沒(méi)有明顯的變化。

通過(guò)模擬不同下墊面條件下風(fēng)電場(chǎng)對(duì)夏季氣候影響的差異，我們發(fā)現(xiàn)，盡管近地層平均風(fēng)速減弱、氣溫增加，但高海拔山地的變化皆不明顯。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)區(qū)域氣候的影響幅度及范圍遠(yuǎn)小于氣候的自然變率。

綜合以往研究，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)降水的影響研究相對(duì)較少，大多數(shù)結(jié)果都表明，風(fēng)電場(chǎng)主要影響季節(jié)性降雨量，大型陸上風(fēng)電場(chǎng)增加了大氣對(duì)流特性，每年對(duì)流降水日增加1天至1.5天，受水汽和地形的影響，降水量在部分地區(qū)沒(méi)有相應(yīng)增加，對(duì)年平均降雨量的影響不顯著。

研究人員在現(xiàn)場(chǎng)收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

周邊的植被活力呈增加趨勢(shì)

風(fēng)電場(chǎng)在建設(shè)過(guò)程中需要開挖地面、埋設(shè)底座，破壞了地表的植被和土壤。相對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)建成前，風(fēng)電場(chǎng)建成后，周邊的植被得到了恢復(fù)。綜合以往研究，風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中對(duì)植被的生長(zhǎng)影響存在著差異。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)對(duì)區(qū)域氣候的影響，引起諸如溫度、風(fēng)速等氣候因子的變化，會(huì)影響到植被的生長(zhǎng)。

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)/外植被的影響機(jī)制是不同的。大部分研究都認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行有利于風(fēng)電場(chǎng)的上/下風(fēng)區(qū)域植被的生長(zhǎng)。而對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的植被生長(zhǎng)，卻存在著差異。有些研究認(rèn)為，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行不利于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的植被生長(zhǎng)，而有些研究則認(rèn)為，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的植被的負(fù)面影響很少，或者說(shuō)可以忽略不計(jì)。有研究者使用美國(guó)縣級(jí)農(nóng)作物和風(fēng)能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的增加導(dǎo)致玉米和大豆的產(chǎn)量增加了1%以上、干草的產(chǎn)量增加了3%左右。

在我們此次的研究中，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前后，風(fēng)電場(chǎng)周邊區(qū)域的植被活力呈增加趨勢(shì)。風(fēng)電場(chǎng)建成后，僅風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)少數(shù)區(qū)域植被活力呈下降趨勢(shì)。植被退化主要發(fā)生在靠近風(fēng)電場(chǎng)的城市區(qū)。植被活力退化的區(qū)域從建設(shè)前占總面積的5%變?yōu)榻ㄔO(shè)后不到總面積的1%，這說(shuō)明，風(fēng)電場(chǎng)建成后，植被得到了恢復(fù)，并有促進(jìn)植被生長(zhǎng)的趨勢(shì)。

對(duì)土壤環(huán)境的影響要引起重視

風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)飛行動(dòng)物，如蝙蝠及鳥類造成一定的傷害或者死亡。由于風(fēng)電場(chǎng)致死的鳥類在世界范圍內(nèi)每年達(dá)數(shù)百萬(wàn)只，特別是稀有猛禽死亡率高，在鳥類遷徙路線上的風(fēng)電場(chǎng)對(duì)鳥類威脅很大。據(jù)估計(jì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)每年導(dǎo)致的鳥類碰撞死亡數(shù)量最高達(dá)到了40只。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲使鳥類空間活動(dòng)范圍減小，甚至還影響到鳥類的種群數(shù)量。

同時(shí)也要看到，因風(fēng)電場(chǎng)致死的鳥類數(shù)量與其他人類活動(dòng)，如森林砍伐、城市化等引起的鳥類死亡數(shù)量相比可以忽略不計(jì)。許多明顯的證據(jù)顯示，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)鳥類的死亡率沒(méi)有顯著的影響。棲息在當(dāng)?shù)氐镍B可以迅速適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)的存在，并學(xué)會(huì)躲避障礙。

在我們此次研究中，通過(guò)監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)外的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)鈷、鉀、鈦和釩的濃度較高。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的鈷、鈦含量遠(yuǎn)大于風(fēng)電場(chǎng)外，場(chǎng)內(nèi)鈷和鈦的含量分別是場(chǎng)外的1至4倍和1至10倍。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)以及維護(hù)過(guò)程中所需的潤(rùn)滑油可能會(huì)增加土壤的重金屬含量。風(fēng)機(jī)周圍的土壤可能會(huì)因?yàn)闄C(jī)油泄漏等因素而受到一定程度的污染。

風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)對(duì)于氣候和環(huán)境的影響還存在著很大的不確定性，未來(lái)需要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，以揭示風(fēng)電場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)張對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蚝铜h(huán)境的長(zhǎng)期影響。