风能是可再生的绿色能源，全球风电场的规模和数量正在快速增加。过去十余年中，中国开发了全球约35%的风电装机容量。中国科学院西北生态环境资源研究院联合中国气象科学研究院等单位，对河北省尚义县一大型陆地风电场开展了一项为期15年的集气象监测、卫星遥感和地面采样的综合实验，深入探讨陆地风电场建设前后局地气候和环境变化差异。今天，我们约请研究论文主要作者、中国科学院西北生态环境资源研究院罗立辉研究员向读者介绍相关的科学问题。
巨大的“蝴蝶”群可能影响气候环境
我们都听说过蝴蝶效应，空中一只小小蝴蝶扇动翅膀，产生的微弱气流引起的连锁反应，最终可能引发一场龙卷风。风机叶片像一只巨大的“蝴蝶”，而风电场则由成百上千只巨大的“蝴蝶”组成，它们的扇动会对周边乃至其他区域产生什么样的连锁反应呢?
1891年，丹麦建立了全世界第一座风力发电站。自20世纪70年代第一次世界石油危机以来，能源日趋紧张，各国开始用风能来代替高污染的能源。目前，全球风电的发电量占总发电量的4%左右，风能发电相较于上个世纪末增加了几百倍。至2050年，风能发电将满足世界上20%以上的电力需求。
2004年，有研究者首次提出，大规模风电场的运行可能会影响局地和全球气候。在部署风电场的地区，当风力穿过风机叶片时，风的动能相当大一部分被涡轮机提取而转化为电能。这种能量之间的转换影响陆地表面和大气层之间的自然能量交换扰动和循环模式，改变风电场及其周边地区的天气和局地气候，从而影响全球气候。
国际上，2000年后开始出现风电场气候效应方面的研究，2010年后相关研究开始增长。2010年以后，国内学者开始对主要集中在西北、华北和东北等地的国内大型风电场进行探索研究。目前主要采用现场监测、卫星遥感和无人机数据，设计风洞实验，构建模型并进行数值模拟等来分析风电场对气候和环境可能造成的影响。
风电场内部风速减小
中国科学院西北生态环境资源研究院团队在国家重点研发计划“风电场、光伏电站生态气候效应和环境影响评价研究”资助下，试图弄清大规模的风电场运营对当地气候和环境的影响。我们选择了麒麟山风电场开展这项为期15年的研究。
麒麟山风电场位于内蒙古和河北交界处的河北省尚义县和乌兰察布市。风电场从2008年开始建设到2015年建设结束，经历了四个建设阶段。风电场内以农田和草地为主，主要农作物为马铃薯、玉米、大豆和蔬菜。该地区没有大型哺乳动物栖息，野生动物群落主要由小型啮齿动物组成。该地区不是候鸟的主要栖息地，也不在候鸟的主要迁徙路线上。在风电场建设前的2005年，在风电场区域内安装了70米的气象观测塔。云高仪、三维激光测风雷达、微波辐射仪、搭载多光谱相机的无人机和X射线荧光分析仪等设备在风电场建设后被陆续用于此地的监测。
风机运行过程中，会吸收气流的动量，增加地表的摩擦力，以往的研究显示，这会导致风电场内部及下风区的风速衰减。风速衰减的影响范围最大达到了60公里，导致风速得到恢复需要间隔一定的距离。随着风电场规模的增加，风电场内部风速减小8%至16%。
在我们的这次研究中，风电场建设前，尚义县周边的几个气象站如尚义、兴和、怀安和商都，风速下降变化趋势相对比较稳定，风电场建成后，兴和下降趋势变化不明显，尚义下降趋势是建设前的两倍多，而商都呈略微增加趋势。这个趋势反映了尚义很大程度上受非气候变化因素影响，致使风电场建成后风速下降。风电场运营很可能造成尚义每年风速降低0.19米/秒，相当于建设后平均风速的6%。在风电场的下风向风速有明显的衰减。
局地气候影响小于自然变率
以往的研究显示，风电场对气温的影响取决于近地层大气层结的稳定度，不同的稳定度造成风电场对近地层气温产生增温或降温的效应，研究显示多以增暖效应为主，地表增温效应夜间强于白天，夏季强于冬季，尤其以夏季夜间的增暖效应最强烈。不同规模的风电场造成的风电场地表温度升温0.18℃至0.70℃。
在我们这次的研究中，风电场建设前，尚义周边各气象站的气温波动具有高度一致性，升温趋势较为接近，建设后，尚义、怀安和兴和升温趋势明显上升，是建设前的两倍多，而商都升温趋势则略微降低。这一升一降的趋势反映了尚义在很大程度上受非气候变化因素影响，致使风电场建设后升温明显。
风电场运营可能造成尚义年平均气温增加0.35℃。气温的增加主要发生在夜晚，且夏季夜晚和秋季夜晚增温最为明显。风电场建成后，白天的陆地温度呈每10年下降0.58℃的趋势，而夜间的陆地温度呈每10年上升0.46℃的趋势。此外，风电场内的相对湿度增加了大约5%，风电场的转动加快了地表的蒸发，蒸发量从34毫米增加到95毫米，降水没有明显的变化。
通过模拟不同下垫面条件下风电场对夏季气候影响的差异，我们发现，尽管近地层平均风速减弱、气温增加，但高海拔山地的变化皆不明显。风电场运行对区域气候的影响幅度及范围远小于气候的自然变率。
综合以往研究，风电场对降水的影响研究相对较少，大多数结果都表明，风电场主要影响季节性降雨量，大型陆上风电场增加了大气对流特性，每年对流降水日增加1天至1.5天，受水汽和地形的影响，降水量在部分地区没有相应增加，对年平均降雨量的影响不显著。
研究人员在现场收集监测数据。
周边的植被活力呈增加趋势
风电场在建设过程中需要开挖地面、埋设底座，破坏了地表的植被和土壤。相对于风电场建成前，风电场建成后，周边的植被得到了恢复。综合以往研究，风电场在运营的过程中对植被的生长影响存在着差异。风电场运营对区域气候的影响，引起诸如温度、风速等气候因子的变化，会影响到植被的生长。
风电场运行对风电场区域内/外植被的影响机制是不同的。大部分研究都认为风电场的运行有利于风电场的上/下风区域植被的生长。而对于风电场内的植被生长，却存在着差异。有些研究认为，风电场运行不利于风电场内的植被生长，而有些研究则认为，风电场的运行对风电场内的植被的负面影响很少，或者说可以忽略不计。有研究者使用美国县级农作物和风能数据，发现风电场风机的增加导致玉米和大豆的产量增加了1%以上、干草的产量增加了3%左右。
在我们此次的研究中，风电场建设前后，风电场周边区域的植被活力呈增加趋势。风电场建成后，仅风电场内少数区域植被活力呈下降趋势。植被退化主要发生在靠近风电场的城市区。植被活力退化的区域从建设前占总面积的5%变为建设后不到总面积的1%，这说明，风电场建成后，植被得到了恢复，并有促进植被生长的趋势。
对土壤环境的影响要引起重视
风机叶片的转动会对飞行动物，如蝙蝠及鸟类造成一定的伤害或者死亡。由于风电场致死的鸟类在世界范围内每年达数百万只，特别是稀有猛禽死亡率高，在鸟类迁徙路线上的风电场对鸟类威胁很大。据估计每台风机每年导致的鸟类碰撞死亡数量最高达到了40只。风机产生的噪声使鸟类空间活动范围减小，甚至还影响到鸟类的种群数量。
同时也要看到，因风电场致死的鸟类数量与其他人类活动，如森林砍伐、城市化等引起的鸟类死亡数量相比可以忽略不计。许多明显的证据显示，风电场对鸟类的死亡率没有显著的影响。栖息在当地的鸟可以迅速适应风电场的存在，并学会躲避障碍。
在我们此次研究中，通过监测风电场内外的化学成分，发现钴、钾、钛和钒的浓度较高。风电场内的钴、钛含量远大于风电场外，场内钴和钛的含量分别是场外的1至4倍和1至10倍。风电场建设以及维护过程中所需的润滑油可能会增加土壤的重金属含量。风机周围的土壤可能会因为机油泄漏等因素而受到一定程度的污染。
风电场的运营对于气候和环境的影响还存在着很大的不确定性，未来需要加强对风电场的监测，以揭示风电场持续扩张对当地气候和环境的长期影响。
