風(fēng)能是可再生的綠色能源，全球風(fēng)電場的規(guī)模和數(shù)量正在快速增加。過去十余年中，中國開發(fā)了全球約35%的風(fēng)電裝機容量。中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院聯(lián)合中國氣象科學(xué)研究院等單位，對河北省尚義縣一大型陸地風(fēng)電場開展了一項為期15年的集氣象監(jiān)測、衛(wèi)星遙感和地面采樣的綜合實驗，深入探討陸地風(fēng)電場建設(shè)前后局地氣候和環(huán)境變化差異。今天，我們約請研究論文主要作者、中國科學(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)問題。

巨大的“蝴蝶”群可能影響氣候環(huán)境

我們都聽說過蝴蝶效應(yīng)，空中一只小小蝴蝶扇動翅膀，產(chǎn)生的微弱氣流引起的連鎖反應(yīng)，最終可能引發(fā)一場龍卷風(fēng)。風(fēng)機葉片像一只巨大的“蝴蝶”，而風(fēng)電場則由成百上千只巨大的“蝴蝶”組成，它們的扇動會對周邊乃至其他區(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以來，能源日趨緊張，各國開始用風(fēng)能來代替高污染的能源。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)電場的運行可能會影響局地和全球氣候。在部署風(fēng)電場的地區(qū)，當(dāng)風(fēng)力穿過風(fēng)機葉片時，風(fēng)的動能相當(dāng)大一部分被渦輪機提取而轉(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和循環(huán)模式，改變風(fēng)電場及其周邊地區(qū)的天氣和局地氣候，從而影響全球氣候。

國際上，2000年后開始出現(xiàn)風(fēng)電場氣候效應(yīng)方面的研究，2010年后相關(guān)研究開始增長。2010年以后，國內(nèi)學(xué)者開始對主要集中在西北、華北和東北等地的國內(nèi)大型風(fēng)電場進行探索研究。目前主要采用現(xiàn)場監(jiān)測、衛(wèi)星遙感和無人機數(shù)據(jù)，設(shè)計風(fēng)洞實驗，構(gòu)建模型并進行數(shù)值模擬等來分析風(fēng)電場對氣候和環(huán)境可能造成的影響。

風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)速減小

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院團隊在國家重點研發(fā)計劃“風(fēng)電場、光伏電站生態(tài)氣候效應(yīng)和環(huán)境影響評價研究”資助下，試圖弄清大規(guī)模的風(fēng)電場運營對當(dāng)?shù)貧夂蚝铜h(huán)境的影響。我們選擇了麒麟山風(fēng)電場開展這項為期15年的研究。

麒麟山風(fēng)電場位于內(nèi)蒙古和河北交界處的河北省尚義縣和烏蘭察布市。風(fēng)電場從2008年開始建設(shè)到2015年建設(shè)結(jié)束，經(jīng)歷了四個建設(shè)階段。風(fēng)電場內(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)沒有大型哺乳動物棲息，野生動物群落主要由小型嚙齒動物組成。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)電場建設(shè)前的2005年，在風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)安裝了70米的氣象觀測塔。云高儀、三維激光測風(fēng)雷達、微波輻射儀、搭載多光譜相機的無人機和X射線熒光分析儀等設(shè)備在風(fēng)電場建設(shè)后被陸續(xù)用于此地的監(jiān)測。

風(fēng)機運行過程中，會吸收氣流的動量，增加地表的摩擦力，以往的研究顯示，這會導(dǎo)致風(fēng)電場內(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)電場規(guī)模的增加，風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)速減小8%至16%。

在我們的這次研究中，風(fēng)電場建設(shè)前，尚義縣周邊的幾個氣象站如尚義、興和、懷安和商都，風(fēng)速下降變化趨勢相對比較穩(wěn)定，風(fēng)電場建成后，興和下降趨勢變化不明顯，尚義下降趨勢是建設(shè)前的兩倍多，而商都呈略微增加趨勢。這個趨勢反映了尚義很大程度上受非氣候變化因素影響，致使風(fēng)電場建成后風(fēng)速下降。風(fēng)電場運營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)電場對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)電場對近地層氣溫產(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)夜間強于白天，夏季強于冬季，尤其以夏季夜間的增暖效應(yīng)最強烈。不同規(guī)模的風(fēng)電場造成的風(fēng)電場地表溫度升溫0.18℃至0.70℃。

在我們這次的研究中，風(fēng)電場建設(shè)前，尚義周邊各氣象站的氣溫波動具有高度一致性，升溫趨勢較為接近，建設(shè)后，尚義、懷安和興和升溫趨勢明顯上升，是建設(shè)前的兩倍多，而商都升溫趨勢則略微降低。這一升一降的趨勢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)電場建設(shè)后升溫明顯。

風(fēng)電場運營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)電場建成后，白天的陸地溫度呈每10年下降0.58℃的趨勢，而夜間的陸地溫度呈每10年上升0.46℃的趨勢。此外，風(fēng)電場內(nèi)的相對濕度增加了大約5%，風(fēng)電場的轉(zhuǎn)動加快了地表的蒸發(fā)，蒸發(fā)量從34毫米增加到95毫米，降水沒有明顯的變化。

通過模擬不同下墊面條件下風(fēng)電場對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)電場運行對區(qū)域氣候的影響幅度及范圍遠小于氣候的自然變率。

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

研究人員在現(xiàn)場收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

周邊的植被活力呈增加趨勢

風(fēng)電場在建設(shè)過程中需要開挖地面、埋設(shè)底座，破壞了地表的植被和土壤。相對于風(fēng)電場建成前，風(fēng)電場建成后，周邊的植被得到了恢復(fù)。綜合以往研究，風(fēng)電場在運營的過程中對植被的生長影響存在著差異。風(fēng)電場運營對區(qū)域氣候的影響，引起諸如溫度、風(fēng)速等氣候因子的變化，會影響到植被的生長。

風(fēng)電場運行對風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)/外植被的影響機制是不同的。大部分研究都認(rèn)為風(fēng)電場的運行有利于風(fēng)電場的上/下風(fēng)區(qū)域植被的生長。而對于風(fēng)電場內(nèi)的植被生長，卻存在著差異。有些研究認(rèn)為，風(fēng)電場運行不利于風(fēng)電場內(nèi)的植被生長，而有些研究則認(rèn)為，風(fēng)電場的運行對風(fēng)電場內(nèi)的植被的負(fù)面影響很少，或者說可以忽略不計。有研究者使用美國縣級農(nóng)作物和風(fēng)能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場風(fēng)機的增加導(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)電場建設(shè)前后，風(fēng)電場周邊區(qū)域的植被活力呈增加趨勢。風(fēng)電場建成后，僅風(fēng)電場內(nèi)少數(shù)區(qū)域植被活力呈下降趨勢。植被退化主要發(fā)生在靠近風(fēng)電場的城市區(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%，這說明，風(fēng)電場建成后，植被得到了恢復(fù)，并有促進植被生長的趨勢。

對土壤環(huán)境的影響要引起重視

風(fēng)機葉片的轉(zhuǎn)動會對飛行動物，如蝙蝠及鳥類造成一定的傷害或者死亡。由于風(fēng)電場致死的鳥類在世界范圍內(nèi)每年達數(shù)百萬只，特別是稀有猛禽死亡率高，在鳥類遷徙路線上的風(fēng)電場對鳥類威脅很大。據(jù)估計每臺風(fēng)機每年導(dǎo)致的鳥類碰撞死亡數(shù)量最高達到了40只。風(fēng)機產(chǎn)生的噪聲使鳥類空間活動范圍減小，甚至還影響到鳥類的種群數(shù)量。

同時也要看到，因風(fēng)電場致死的鳥類數(shù)量與其他人類活動，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。許多明顯的證據(jù)顯示，風(fēng)電場對鳥類的死亡率沒有顯著的影響。棲息在當(dāng)?shù)氐镍B可以迅速適應(yīng)風(fēng)電場的存在，并學(xué)會躲避障礙。

在我們此次研究中，通過監(jiān)測風(fēng)電場內(nèi)外的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)鈷、鉀、鈦和釩的濃度較高。風(fēng)電場內(nèi)的鈷、鈦含量遠大于風(fēng)電場外，場內(nèi)鈷和鈦的含量分別是場外的1至4倍和1至10倍。風(fēng)電場建設(shè)以及維護過程中所需的潤滑油可能會增加土壤的重金屬含量。風(fēng)機周圍的土壤可能會因為機油泄漏等因素而受到一定程度的污染。

風(fēng)電場的運營對于氣候和環(huán)境的影響還存在著很大的不確定性，未來需要加強對風(fēng)電場的監(jiān)測，以揭示風(fēng)電場持續(xù)擴張對當(dāng)?shù)貧夂蚝铜h(huán)境的長期影響。