風能是可再生的綠色能源，全球風電場的規模和數量正在快速增加。過去十餘年中，中國開發了全球約35%的風電裝機容量。中國科學院西北生態環境資源研究院聯合中國氣象科學研究院等單位，對河北省尚義縣一大型陸地風電場開展了一項為期15年的集氣象監測、衛星遙感和地面取樣的綜合實驗，深入探討陸地風電場建設前後局地氣候和環境變化差異。今天，我們約請研究論文主要作者、中國科學院西北生態環境資源研究院羅立輝研究員向讀者介紹相關的科學問題。
麒麟山風電場
巨大的“蝴蝶”群可能影響氣候環境
我們都聽說過蝴蝶效應，空中一隻小小蝴蝶扇動翅膀，產生的微弱氣流引起的連鎖反應，最終可能引發一場龍捲風。風機葉片像一隻巨大的“蝴蝶”，而風電場則由成百上千巨大的“蝴蝶”組成，它們的扇動會對周邊乃至其他區域產生什麼樣的連鎖反應呢？
1891年，丹麥建立了全世界第一座風力發電站。自20世紀70年代第一次世界石油危機以來，能源日趨緊張，各國開始用風能來代替高汙染的能源。目前，全球風電的發電量佔總發電量的4%左右，風能發電相較於上個世紀末增加了幾百倍。至2050年，風能發電將滿足世界上20 %以上的電力需求。
2004年，有研究者首次提出，大規模風電場的執行可能會影響局地和全球氣候。在部署風電場的地區，當風力穿過風機葉片時，風的動能相當大一部分被渦輪機提取而轉化為電能。這種能量之間的轉換影響陸地表面和大氣層之間的自然能量交換擾動和迴圈模式，改變風電場及其周邊地區的天氣和局地氣候，從而影響全球氣候。
國際上，2000年後開始出現風電場氣候效應方面的研究，2010年後相關研究開始增長。2010年以後，國內學者開始對主要集中在西北、華北和東北等地國內大型風電場進行探索研究。目前主要採用現場監測、衛星遙感和無人機資料，設計風洞實驗，構建模型並進行數值模擬等來分析風電場對氣候和環境可能造成的影響。
風電場內部風速減小
中國科學院西北生態環境資源研究院團隊在國家重點研發計劃“風電場、光伏電站生態氣候效應和環境影響評價研究”資助下，試圖弄清大規模的風電場運營對當地氣候和環境的影響。我們選擇了麒麟山風電場開展這項為期15年的研究。
麒麟山風電場位於內蒙古和河北交界處的河北省尚義縣和烏蘭察布市。風電場從2008年開始建設到2015年建設結束，經歷了四個建設階段。風電場內以農田和草地為主，主要農作物為馬鈴薯、玉米、大豆和蔬菜。該地區沒有大型哺乳動物棲息，野生動物群落主要由小型齧齒動物組成。該地區不是候鳥的主要棲息地，也不在候鳥的主要遷徙路線上。在風電場建設前的2005年，在風電場區域內安裝了70米的氣象觀測塔。雲高儀、三維鐳射測風雷達、微波輻射儀、搭載多光譜相機的無人機和X射線熒光分析儀等裝置在風電場建設後被陸續用於此地的監測。
風機執行過程中，會吸收氣流的動量，增加地表的摩擦力，以往的研究顯示，這會導致風電場內部及下風區的風速衰減。風速衰減的影響範圍最大達到60公里，導致風速得到恢復需要間隔一定的距離。隨著風電場規模的增加，風電場內部風速減小8%至16%。
在我們的這次研究中，風電場建設前，尚義縣周邊的幾個氣象站如尚義、興和、懷安和商都，風速下降變化趨勢相對比較穩定，建設後，興和下降趨勢變化不明顯，尚義下降趨勢是建設前的兩倍多，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，致使風電場建設後風速下降。風電場運營很可能造成尚義每年風速降低0.19米/秒，相當於建設後平均風速的6%。在風電場的下風向風速有明顯的衰減。
局地氣候影響小於自然變率
以往的研究顯示，風電場對氣溫的影響取決於近地層大氣層結的穩定度，不同的穩定度造成風電場對近地層氣溫產生增溫或降溫的效應，研究顯示多以增暖效應為主，地表增溫效應夜間強於白天，夏季強於冬季，尤其以夏季夜間的增暖效應最強烈。不同規模的風電場造成的風電場地表溫度升溫0.18℃至0.70℃。
在我們這次的研究中，風電場建設前，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，建設後，尚義、懷安和興和升溫趨勢明顯上升，是建設前的兩倍多，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，致使風電場建設後升溫明顯。
風電場運營可能造成尚義年平均氣溫增加0.35℃。氣溫的增加主要發生在夜晚，且夏季夜晚和秋季夜晚增溫最為明顯。風電場建成後，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，風電場內的相對溼度增加了大約5%，風電場的轉動加快了地表的蒸發，蒸發量從34毫米增加到95毫米，降水沒有明顯的變化。
透過模擬不同下墊麵條件下風電場對夏季氣候影響的差異，我們發現，儘管近地層平均風速減弱、氣溫增加，但高海拔山地的變化皆不明顯。風電場執行對區域氣候的影響幅度及範圍遠小於氣候的自然變率。
綜合以往研究，風電場對降水的影響研究相對較少，大多數結果都表明，風電場主要影響季節性降雨量，大型陸上風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，降水量在部分地區沒有相應增加，對年平均降雨量的影響不顯著。
研究人員在現場收集監測資料。
周邊的植被活力呈增加趨勢
風電場在建設過程中需要開挖地面、埋設底座，破壞了地表的植被和土壤。相對於風電場建成前，風電場建成後，周邊的植被得到了恢復。綜合以往研究，風電場在運營的過程中對植被的生長影響存在著差異。風電場運營對區域氣候的影響，引起諸如溫度、風速等氣候因子的變化，會影響到植被的生長。
風電場執行對風電場區域內/外植被的影響機制是不同的。大部分研究都認為風電場的執行有利於風電場的上/下風區域植被的生長。而對於風電場內的植被生長，卻存在著差異。有些研究認為，風電場執行不利於風電場內的植被生長，而有些研究則認為，風電場的執行對風電場內的植被的負面影響很少，或者說可以忽略不計。有研究者使用美國縣級農作物和風能資料，發現風電場風機的增加會導致玉米和大豆的產量增加了1%以上，乾草的產量增加了3%左右。
在我們此次的研究中，風電場建設前後，風電場周邊區域的植被活力呈增加趨勢。風電場建成後，僅風電場內少數區域植被活力呈下降趨勢。植被退化主要發生在靠近風電場的城市區。植被活力退化的區域從建設前佔總面積的5%變為建設後不到總面積的1%，這說明，風電場建成後，植被得到了恢復，並有促進植被生長的趨勢。
對土壤環境的影響要引起重視
風機葉片的轉動會對飛行動物，如對蝙蝠及鳥類造成一定的傷害或者死亡。由於風電場致死的鳥類在世界範圍內每年達數百萬只，特別是稀有猛禽死亡率高，在鳥類遷徙路線上的風電場對鳥類威脅很大。據估計每颱風機每年導致的鳥類碰撞死亡數量最高達到了40只。風機產生的噪聲使鳥類空間活動範圍減小，甚至還影響到鳥類的種群數量。
同時也要看到，因風電場致死的鳥類數量與其他人類活動，如森林砍伐、城市化等引起的鳥類死亡數量相比可以忽略不計。許多明顯的證據顯示，風電場對鳥類的死亡率沒有顯著的影響。棲息在當地的鳥可以迅速適應風電場的存在，並學會躲避障礙。
在我們此次研究中，透過監測風電場內外的化學成分，發現鈷、鉀、鈦和釩的濃度較高。風電場內的鈷、鈦含量遠大於風電場外，場內鈷和鈦的含量分別是場外的1至4倍和1至10倍。風電場建設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。風機周圍的土壤可能會因為機油洩漏等因素而受到一定程度的汙染。
風電場的運營對於氣候和環境的影響還存在著很大的不確定性，未來需要加強對風電場的監測，以揭示風電場持續擴張對當地氣候和環境的長期影響。
