高山草甸区风电场对局地微气象的影响研究

内蒙古自治区环境监测总站 程学慧

风电是可再生能源领域商业化程度最高的能源，是我国鼓励和支持的清洁能源；截至2020年底，全国风电机组累计装机台数超过15万台，累计装机容量2.9亿千瓦，累计并网容量2.8亿千瓦；全国风力发电上网电量4665亿千瓦时，占全国全部发电量的6.1%。预计在未来的十年中国将会进入能源转型和绿色发展的关键期，而可再生能源将取代其他能源的位置，占据消费增量的主体地位。

由于季风水汽的输送高度是近地面层的850-900百帕，而陆上风电场位于季风路径，因而可开发山脊、开发容量有限，由此可知，风电对平原和海上的微气象影响并不大。从小尺度看，我国陆上风电机组轮毂中心高度一般在65米至80米，个别超过100米，再加上叶片总高度小于200米，影响可忽略。因高山草甸本身气候特殊性，已建风电场对区域气候、环境的影响常常是当地居民关注的问题；揭示海拔大于2000米的高山草甸风电场对区域气候环境的影响与机制是本次研究的目标。

观测目标风电项目位于内蒙古灰腾梁地区高山草甸，区域地势开阔，是蒙古高原温带典型草原地带，有湿地、五花草甸灌木、山地典型草原等多种自然景观。通过遥感解译、数据调查结合地理信息系统等技术手段，实地调查和现状监测相结合，对微气象的气象因子指标及与微气象指标有较强相关性的土地利用类型、植被类型等生态质量要素进行了调查分析。

1 工程基本情况

目标风电场生产规模49.5MW，建设单机容量1500kW 的WTGS 1500A 型风力发电机组33台，风机轮毂高度65m，风轮直径77m。机组年均上网电量124415MWh。同时建设了一台容量为120MVA 户外变压器，3回35kV 集电线路，建设容量动态无功补偿装置一套。项目区气候特征主要表现为冬季漫长寒冷、春季干旱多风、夏季短促、秋季气温剧降。项目区年均气温为4.2℃，盛夏最高气温不超过15℃，极端最低气温为-32.8℃；年平均气压为856.9kPa；年均相对湿度为53%；年降水量为324.7mm，年蒸发量为2048.0mm。年均风速为3.4m/s。

2 气象因子的观测

微气象因子选择地表水分蒸发、风速、温度和相对湿度等气象因子。

观察温度湿度。避免在观察表面温度时出现阴影，传感器的探头指向真北。关于自动气象站的位置以及温度传感器，湿观察地表温度、湿度和高度。最重要的是要求采样间隔设置，观测时间控制与风速控制。

观测风速设置。各观测点设置风杯，观察观测高度与各风速值的相关性，设置风速数据，采集时间间隔，根据不同季节性采取数据等。此外，还需要使用自动气象站的风速传感器，观测风速值。

地面水分蒸发情况观察。为了保持边缘水平，首先我们需要在每个测量点放置一个蒸发皿。然后需要定期观察、测量、记录前一天注入的淡水蒸发后的剩余水量，并重新注水观察蒸发情况。沿风电机轴水分蒸发趋势的观测点平行于风向作为风电机轴布置，观测点布置在顶部[1]。

3 风电场生态质量的调查

相关生态质量要素采用文献调查、实地调查、状态监测、3S 技术相结合的分析方法，通过项目建设前后的影像对比分析来体现对周边生态系统的影响；根据项目建设内容和生产经营特点分析，生态环境影响主要发生在施工期，主要影响内容为施工人员参与地表开挖、地基处理、车辆运输、设备和材料堆放等活动。

3.1 土壤环境影响

项目建设过程中风电机组基座安装和电缆沟开挖敷设剥离原有土壤，增加了破碎度并改变了土壤粒度，导致当地土壤的原有结构发生变化[2]。高山草甸原生土壤类型主要为草甸土、栗钙土等，质地紧密，建设的扰动过程增加了恢复区土壤松散程度。施工土地扰动是短期作用，通过人工施肥增加土壤养分，及时采取有利于植物生长的平整、压实等措施，在一定程度上改善了土壤养分和保水性能；所以从长期来看，对扰动区土壤影响不大。

3.2 土地利用变化分析

项目的实施对当地的土地利用格局产生了一定的影响，主要体现在项目所用永久和临时用地。生态修复前，将原有中、低覆盖草地转变为工业用地；道路的线性划分会增加同质土地利用类型斑块数量[3]，导致土地的整体破碎度有所增加。

3.3 植被的影响

工程建设对植被的影响主要表现在地表开挖、材料和设备的运输和堆放，以及工程机械和人类活动对草场的破坏。项目区植被为典型的草原植被，多为寒性形而上的多年生草本植物，常伴有形而上的多年生杂草。群落结构简单，层次不清晰，生长茂密，植物少，有时形成平垫。草类如艾草、羊茅、翦股颖、马尾草、毛茛、黄芪、黄芪等。植物生长缓慢，土层薄，被扰动后存在隐患。但是，通过实施覆土、人工施肥、播撒乡土草种等保水保生态修复措施，将有效抑制和减缓生态破坏。

3.4 土壤侵蚀的影响

工程施工期间，地表开挖扰动、人为碾压等活动破坏了区内植被，大风暴雨易造成水土流失。人为扰动改变了原有地形的坡度，降低了水土保持功能，使表层土层松动[4]。降低土壤的稳定结构与性能，引起风蚀和水蚀。同时，土方工程的开挖回填、施工过程中废弃的土方工程的叠合将成为水土流失的物质基础，导致该地区水土流失加剧。

4 干旱区风电场对局地微气象环境的影响

观测期间数据显示，季节间的风向、风速差异较大，而与测量风速位置的差异并不大。风电场扰动降低了风电场区域内的风速，然而越过风场在开阔的环境中随着风速的增大，风电场对风速的影响立刻下降[5]。

观测数据显示，全天的温度变化取决于昼夜间温度的增减程度；无论昼夜，风场内外的地表温度都存在着差异；在整体区域环境高温、相对湿度较高的情况下，风电场内部有一些升温、减湿反响。但更重要的是，随着环境温度升高，风电场对温度的影响程度趋于零。

就风场区域来看，昼间风电场产生一定的冷却和加湿作用，风电场内垂直位置温度和风向分别下降时，相应高度相对湿度增加；在夜间具有一定的升温和降低湿度的作用。

风电场内外地表蒸发量无显著差异。发电机组无论是永磁直驱还是齿轮箱变对垂直方向地面的蒸发几乎没有影响；在北方干旱半干旱区，风轮背后凝结水汽尾羽的现象也不会出现。

5 结语

风电机组是地面上增加最多的建筑物，风电场的存在改变了地面原有的粗糙结构，理论上在场内风速减低。由于风机在运行过程中增强了大气的垂直混合，增暖和降温效果取决于近地表大气的稳定性特征，这种影响会干扰原始的稳定性特性。此时的风力涡轮机叶片的湍流运行增强了垂直混合，从而冷空气向上移动，致使表面附近的空气向上加热。风电场建设直接影响地表气体系统的能量转换，叶片的旋转干扰了垂直混合结构。在风能转化为电能的过程中，大气中原有的能量循环格局也发生了细微的变化。将消耗的一部分风能转化为热能，风能的一小部分在风电场局部消耗，产生的热能释放到风电场周围的大气中。这一效果仅限于风场内部和与风场相邻的周围区域，在整个过程中，风电场并没有直接影响近地表系统的整体能量平衡。

风电场建设只是改变了大气能量的转换路径，并没有改变原来的地表微气象系统来增加总能量。地表温度和大气温度的相互影响使两者之间产生了一定的关系。根据观测数据统计，地表温度与温度回归方程得到的方程为线性，斜率大于0，呈正相关。《风电场对地表空气温度的影响》使用来自美国加利福尼亚州著名的风电场的数据，据信风力涡轮机叶片的旋转会增加热量和水蒸气的垂直搅动，这会影响迎风天气条件，通常还会影响附近的温度夜间较低，白天小幅上升，但幅度不大。这种轻微升温的另一个好处是，它有助于减少风电场附近的霜冻，并延长附近作物的生长时间。这与本研究中观察到的结果一致。但是由于本次观测对象为单个风电场，对于风电场群的微气象变化还需要做长期观测。