黨 冰 劉勇洪 杜吳鵬 陳可仁

1 北京市氣候中心,北京 100089 2 中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心,北京 100081 3 災(zāi)害天氣國家重點實驗室,北京 100081 4 龍源(北京)風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限公司,北京 100034

提 要: 風(fēng)電場存在著明顯的局地氣候效應(yīng),但陸/海兩種不同類型風(fēng)電場是否存在局地風(fēng)環(huán)境效應(yīng)的明顯差異?以河北尚義陸地風(fēng)電場和江蘇如東海上風(fēng)電場為例,利用風(fēng)電場周邊氣象站及測風(fēng)塔典型年份觀測資料,開展了陸/海風(fēng)電場對湍流強度(TI)和風(fēng)切變指數(shù)(WSE)的影響差異初步分析研究。研究結(jié)果表明:陸/海風(fēng)電場對TI 和WSE會產(chǎn)生顯著影響;其中,陸/海風(fēng)電場對TI均為增強效應(yīng),建設(shè)后年均TI分別增加31%和37%,最大增幅分別發(fā)生在春季(47%)和冬季(49%);影響差異主要為陸地風(fēng)電場TI增幅在高層明顯大于低層,夜間大于白天,而海上風(fēng)電場不同高度TI增幅及日變化則較為平穩(wěn);陸/海風(fēng)電場對WSE影響差異顯著,陸地風(fēng)電場建設(shè)后WSE白天增加、夜晚降低,日變化明顯減小,年均降低8%,最大降幅發(fā)生在秋季(12%);海上風(fēng)電場建設(shè)后WSE白天、夜晚均明顯增加,年均增加24%,最大增幅發(fā)生在春季(37%)。

引 言

由于化石能源的不可再生性,以及其在燃燒過程中排放的溫室氣體和污染氣體帶來的氣候環(huán)境問題日益嚴(yán)重,開發(fā)、利用可再生能源已成為世界各國急需解決的問題(Dincer and Acar,2015;李國慶和李曉兵,2016;陳正洪等,2018)。風(fēng)能作為一種潔凈的、儲量極為豐富的可再生能源,越來越受到廣泛重視(Garrigle and Leahy,2015;Phillips,2015;葉小嶺等,2019)。我國風(fēng)能資源儲量豐富,總儲量為322 600 GW,實際可開發(fā)量為25 300 GW(薛桁等,2001;梁紅等,2021)。近年來我國風(fēng)電發(fā)展迅速,據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會公布的數(shù)據(jù)顯示,2021年中國風(fēng)力發(fā)電裝機總量達(dá)338.31 GW,占世界總裝機容量的40.4%;其中海上風(fēng)電發(fā)展迅猛,2021年新增裝機量16.9 GW,約占全球新增裝機量80%。由于風(fēng)能的能量密度小,發(fā)展風(fēng)能需要較大的集能面積,因此大規(guī)模建設(shè)風(fēng)力發(fā)電場會改變地表粗糙度,從而改變陸表和大氣的熱交換過程;同時由于風(fēng)機渦輪振動、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能,改變了自然界原有的能源循環(huán)模式,導(dǎo)致風(fēng)電場對局地或區(qū)域氣候可能產(chǎn)生影響(Buckley et al,2005;張雪婷等,2019;蔣俊霞等,2019)。由此,大型風(fēng)電場建設(shè)和運行對氣候和環(huán)境的影響受到越來越多的關(guān)注(Fitch,2015;Li et al,2018;梁紅等,2021)。

關(guān)于大型風(fēng)電場建設(shè)運行對局地風(fēng)環(huán)境的影響已有大量研究。Christiansen and Hasager(2006)利用SAR雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)丹麥地區(qū)海上風(fēng)電場的平均風(fēng)速減小8%～9%,對下風(fēng)向的影響范圍達(dá)20 km;Fitch et al(2012)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)從海上風(fēng)電場延伸至其60 km下游區(qū)域均有風(fēng)速衰減現(xiàn)象,風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)風(fēng)速衰減最多可達(dá)16%;Smith et al(2013)對美國中西部大型陸上風(fēng)電場觀測研究顯示發(fā)現(xiàn)在葉片掃過區(qū)域及風(fēng)機輪軸高度處風(fēng)速明顯降低、湍流強度顯著增強,且夜間更為明顯。胡菊(2012)模擬發(fā)現(xiàn)我國河西走廊地區(qū)的大型風(fēng)電場建成后平均風(fēng)速減小了0.3 m·s-1;徐榮會(2014)根據(jù)觀測發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)電場局地風(fēng)速在風(fēng)機的擾動下有減小趨勢;張雪婷等(2019)發(fā)現(xiàn)我國大別山區(qū)風(fēng)電場群建設(shè)和運行使大悟縣局地風(fēng)速略有減小。但國內(nèi)研究主要集中在陸上風(fēng)電場,對海上風(fēng)電場研究較少,且關(guān)于風(fēng)電場建設(shè)對一些重要指標(biāo)如湍流強度和風(fēng)切變指數(shù)的影響研究也很少。

湍流強度(TI)和風(fēng)切變指數(shù)(WSE)是評價氣流穩(wěn)定程度的指標(biāo),對于風(fēng)電場的風(fēng)能評估及風(fēng)電場穩(wěn)定運行具有重要意義(李鴻秀等,2014;黃林宏等,2016;龔璽等,2018;陳燕等,2019;靳雙龍等,2019)。TI不但與地表摩擦和風(fēng)速切變引起的動力因子以及溫度層結(jié)引起的熱力因子密切相關(guān),還與地理位置、地形和地表粗糙度等因素有關(guān)(賀德馨,2006;李鴻秀等,2014;劉敬樂等,2020);WSE表征風(fēng)速隨高度的變化程度,主要受地表粗糙度、大氣穩(wěn)定度等因素影響(徐寶清等,2014;龔強等,2015;馬曉梅等,2020;常蕊等,2022;程雪玲等,2023)。目前利用測風(fēng)塔資料開展了風(fēng)電場建設(shè)前風(fēng)環(huán)境特征如風(fēng)速、TI或WSE等分析(李鵬和田景奎,2011;班欣等,2012),或者是利用數(shù)值模擬技術(shù)開展風(fēng)電場對大氣邊界層特征影響研究(劉維維,2015;路婷婷,2017;張穎超等,2016;常蕊等,2013),但對風(fēng)電場群建設(shè)后局地風(fēng)速以及TI和WSE變化的觀測研究較少。由于風(fēng)電場建設(shè)后,局地風(fēng)速和下墊面粗糙度發(fā)生變化,且風(fēng)機的擾動改變了局地大氣的穩(wěn)定性,相應(yīng)改變TI和WSE(吳正人等,2014;靳雙龍等,2019;夏馨等,2022),從而改變了風(fēng)電場建設(shè)前的風(fēng)能評估結(jié)果以及風(fēng)電場安全運行所需的風(fēng)速條件(劉磊等,2012);同時由于陸/海風(fēng)電場存在著下墊面及周圍環(huán)境的巨大差異,因此有必要開展二者在風(fēng)電場建設(shè)后對局地風(fēng)環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)影響及對比研究,為進(jìn)一步闡明陸/海風(fēng)電場對局地風(fēng)環(huán)境的不同影響機理提供參考。

由此,本文分別選擇河北尚義陸地風(fēng)電場和江蘇如東海上風(fēng)電場,利用風(fēng)電場群周邊國家氣象站風(fēng)速觀測資料以及質(zhì)量控制后的測風(fēng)塔測風(fēng)資料,選定風(fēng)電場建設(shè)前后典型時段,通過分析局地風(fēng)速、TI和WSE的變化,開展陸/海風(fēng)電場群建設(shè)對局地風(fēng)場影響差異初步研究。一方面闡明典型陸/海下墊面風(fēng)電場群建設(shè)后局地風(fēng)環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律,另一方面揭示這兩種不同下墊面風(fēng)電場群對風(fēng)環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)的影響差異機制,從而為今后陸/海風(fēng)能資源評估、有效規(guī)避相關(guān)風(fēng)險等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本文研究選取的陸地風(fēng)電場位于中國河北張家口尚義縣(如圖1a所示),尚義風(fēng)電場群從2008—2015年底陸續(xù)建成224臺風(fēng)機(表1),風(fēng)機輪轂高度為65～90 m,總裝機容量為450 MW;風(fēng)電場所在區(qū)域?qū)儆诎敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),海拔高度為1375～1573 m,自然植被以草本植物為主,山谷及緩坡地帶有零星小面積成塊林地、耕地及灌木;氣候特點表現(xiàn)為氣溫低溫差大、雨量少而集中、光照充足,年均降水量為414 mm,年均風(fēng)速為3.4 m·s-1,全年主導(dǎo)風(fēng)為西北向(NW),次主導(dǎo)風(fēng)為西西南(WWS)。

表1 陸/海風(fēng)電場群建設(shè)概況一覽表Table 1 The general construction situation of inland/offshore wind farms

圖1 (a)尚義風(fēng)電場群和(b)如東風(fēng)電場群的位置、地形及周邊氣象站點分布Fig.1 The geographical location of inland/offshore wind farms and meteorological observation stations (a) Shangyi Wind Farms, (b) Rudong Wind Farms

海上風(fēng)電場研究區(qū)位于中國江蘇南通如東縣(如圖1b所示),如東風(fēng)電場群從2009—2015年陸續(xù)建成155臺風(fēng)機,風(fēng)機輪轂高度為65～90 m,總裝機容量為482 MW;風(fēng)電場所在區(qū)域?qū)儆趤啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候區(qū),境內(nèi)地勢平坦,海拔高度為3～5 m,陸地地貌是典型的濱海平原,沿海屬黃海南部海域,沿海潮汐24小時漲落兩次;受海洋調(diào)節(jié)和季風(fēng)環(huán)流影響,四季分明、氣候溫和、光照充足、雨水充沛,年降水量為1100 mm,年均風(fēng)速為3.2 m·s-1,夏季盛行東南風(fēng),冬季盛行偏北風(fēng)。

1.2 數(shù)據(jù)資料及分析時段

河北尚義陸地風(fēng)電場群氣象資料包括:(1)國家基本氣象站(尚義、商都、懷安和興和站)1981—2018年風(fēng)速、氣溫、相對濕度逐日觀測數(shù)據(jù);(2)尚義0704#測風(fēng)塔2006—2017年30、50、70 m高度逐時風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)。

江蘇如東海上風(fēng)電場群氣象資料包括:(1)國家基本氣象站(如東、如皋站)1981—2018年逐日風(fēng)速觀測數(shù)據(jù);(2)如東0865#測風(fēng)塔2009—2018年15、50、80 m高度逐時風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)。

根據(jù)風(fēng)電場群建設(shè)和投產(chǎn)時間(表1)以及氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場氣象觀測及資料審核、訂正技術(shù)規(guī)范(QX/T 74-2007)》(中國氣象局,2007)進(jìn)行質(zhì)量控制后的氣象觀測資料,選擇合適的陸/海風(fēng)電場建設(shè)前后分析時段(表2)。尚義風(fēng)電場選用建設(shè)前后各3年(2005—2007年和2016—2018年)的國家氣象站資料進(jìn)行局地風(fēng)速變化分析,而0704#測風(fēng)塔資料由于存在不連續(xù)和缺測情況,選擇數(shù)據(jù)較為完整的2006年和2017年進(jìn)行TI和WSE變化分析。如東風(fēng)電場選用0865#測風(fēng)塔2009年和2018年數(shù)據(jù)進(jìn)行TI和WSE變化分析。

表2 陸/海風(fēng)電場群建設(shè)前后選擇的分析時段表Table 2 The analysis period of inland/offshore wind farms before and after construction

2 研究方法

2.1 評估站選擇

2.1.1 陸上風(fēng)電場影響站與背景站選擇

河北尚義陸地風(fēng)電場群周圍60 km內(nèi)包含4個 國家氣象站:尚義、商都、懷安和興和站(圖1a),其中尚義站緊鄰風(fēng)電場群,可作為風(fēng)電場影響站進(jìn)行評估;此外,尚義0704#測風(fēng)塔位于風(fēng)電場群內(nèi),也可作為風(fēng)電場影響站進(jìn)行評估。

利用尚義站評估尚義陸地風(fēng)電場局地風(fēng)速變化時,除了風(fēng)電場群的可能影響,氣象站氣象要素變化還受年際氣象條件波動和氣候變化影響,僅靠單一氣象站是不能識別出風(fēng)電場對其單獨影響,需要借助研究站與背景站(風(fēng)電場非影響區(qū))之間的對比分析來消除年際波動與氣候變化影響。由此,選擇合適的背景站是尚義陸地風(fēng)電場局地風(fēng)速變化評估的一個關(guān)鍵步驟。

背景站一般要求與研究站的氣候類型和地理條件相似,但又不能受風(fēng)電場影響;數(shù)值模擬研究表明風(fēng)電場影響風(fēng)速衰減的距離在風(fēng)電場下游方向可以達(dá)到30～60 km(Frandsen et al, 2009),要求背景站距風(fēng)電場至少30 km。這里分別對風(fēng)電場建設(shè)前(1981—2007年)的尚義站與懷安、興和、商都站的主要氣候要素和地理條件進(jìn)行相似性分析,如表3所示。

表3 國家氣象站(尚義、懷安、商都、興和)氣候和地理條件相似性分析Table 3 The similarity analysis of climate and geographical conditions among four national meteorological stations

由表3分析可知,尚義站年均氣溫、風(fēng)速和相對濕度均與商都站最高,且兩者海拔差最小(僅44 m),空間距離在30 km以上,且商都站在風(fēng)電場主導(dǎo)風(fēng)向(NW)上游區(qū)域,因此可選擇商都站作為背景站進(jìn)行尚義陸地風(fēng)電場的局地風(fēng)速變化分析。

為進(jìn)一步分析尚義陸上風(fēng)電場的影響范圍,還需對可能受到風(fēng)電場影響的其他兩個站(懷安與興和站)進(jìn)行分析。由于懷安站和背景站海拔相差很大(583 m),空間距離也最遠(yuǎn)(129 km),且懷安站與背景站風(fēng)速相關(guān)系數(shù)僅為0.65(表3),以商都站作為背景站并不能很好分析懷安站風(fēng)速變化;而且懷安站與尚義風(fēng)電場群相距約60.7 km,已超出風(fēng)電場最大可能影響范圍(60 km)(Fitch et al,2012),因此,本文不考慮懷安站作為影響站進(jìn)行分析。除了選擇尚義站作為影響站外,還選擇了距離風(fēng)電場群約29 km、年均風(fēng)速與背景站相關(guān)系數(shù)為0.86的興和站作為可能影響站進(jìn)行分析。

2.1.2 海上風(fēng)電場影響站選擇

距離如東海上風(fēng)電場群最近的國家氣象站為如東和如皋站,分別距風(fēng)電場約21 km和50 km(圖1b)。雖然如東站可能在海上風(fēng)電場影響范圍內(nèi),但是對如東站1981—2018年年均風(fēng)速資料分析發(fā)現(xiàn)其在2014年風(fēng)速明顯下降且低于如皋站,而在1981—2013年期間如東站風(fēng)速均明顯高于如皋站;根據(jù)文中表1可知,2014年前如東海上風(fēng)電場已投產(chǎn)94個風(fēng)機,2014年以后投產(chǎn)61個,因此如東站的風(fēng)速突然降低很可能是其他外部原因造成,經(jīng)調(diào)查得知2014—2015年如東氣象站周圍建立了大量高樓,致使2014年后風(fēng)速下降明顯,并非風(fēng)電場影響造成;而如皋站距離風(fēng)電場較遠(yuǎn)(50 km),且在海上風(fēng)電場群的西南方向,與風(fēng)電場群主導(dǎo)風(fēng)向(東南—偏北風(fēng))相差甚大,幾乎不受風(fēng)電場影響,因此如東站和如皋站均不適宜作為風(fēng)電場影響站進(jìn)行評估,即如東海上風(fēng)電場沒有合適的國家氣象站進(jìn)行局地風(fēng)速變化評估。

如東0865#測風(fēng)塔位于風(fēng)電場群偏東方向約7 km 處,處于風(fēng)電場海上影響范圍之內(nèi),可作為影響站進(jìn)行評估。

2.2 局地風(fēng)速影響評估

定義尚義陸上風(fēng)電場群對局地風(fēng)速的影響值為:

dV=VI-VB

(1)

ΔV=dVAF-dVBF

(2)

式中:dV為國家氣象站影響站(或可能影響站)10 m 高度風(fēng)速(VI)與背景站10 m高度風(fēng)速(VB)之差(單位:m·s-1);ΔV為風(fēng)電場建設(shè)后(dVAF)相對于風(fēng)電場建設(shè)前(dVBF)的風(fēng)速變化(單位:m·s-1),即風(fēng)電場對風(fēng)速的局地影響。

為評估風(fēng)電場群建設(shè)前后局地風(fēng)速是否發(fā)生顯著變化,這里以風(fēng)電場建設(shè)前影響站(或可能影響站)與背景站風(fēng)速差dV的年際標(biāo)準(zhǔn)差(StddV)作為年際波動,如果風(fēng)速差變化值(ΔV)的絕對值大于StddV,則表明該地風(fēng)速受到風(fēng)電場群影響,如果ΔV絕對值小于或等于StddV,則表明該地風(fēng)速沒有受到風(fēng)電場群影響。

由于如東海上風(fēng)電場沒有合適的國家氣象站進(jìn)行局地風(fēng)速研究,雖然0865#測風(fēng)塔可作為影響站進(jìn)行評估,但由于該塔建設(shè)前僅有1年資料,且沒有10 m高度的測風(fēng)數(shù)據(jù),因此本文不開展如東海上風(fēng)電場的局地風(fēng)速影響研究。

2.3 局地湍流強度(TI)影響評估

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法(GBT 18710—2002)》(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2004),湍流強度的計算公式為:

TI=σ/V

(3)

式中:TI為湍流強度,σ為平均風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差,V為平均風(fēng)速。

本文定義風(fēng)電場對TI的局地影響為風(fēng)電場建設(shè)后TI與建設(shè)前TI的距平百分率。該值為正值時,表明風(fēng)電場建設(shè)運行使得TI增加;該值為負(fù)值時,表明風(fēng)電場建設(shè)運行使得TI降低。

針對尚義陸上風(fēng)電場,分別計算尚義0704#測風(fēng)塔風(fēng)電場建設(shè)前后30、50和70 m高度TI變化,開展陸上風(fēng)電場對局地TI的影響評估;針對如東海上風(fēng)電場,分別計算如東0865#測風(fēng)塔風(fēng)電場建設(shè)前后15、50和80 m高度TI變化,開展海上風(fēng)電場對局地TI的影響評估。

2.4 局地風(fēng)切變指數(shù)(WSE)影響評估

風(fēng)切變指數(shù)(WSE)表示風(fēng)速垂直切變的強度。在這里,采用風(fēng)速隨高度變化呈指數(shù)規(guī)律分布(王承煦和張源,2003;Farrugia,2003;Rehman and Al-Abbadi,2007)進(jìn)行估算,即:

(4)

式中:Vn、V1分別為Zn、Z1高度上的風(fēng)速,α為風(fēng)切變指數(shù)WSE。

對式(4)作變換,并兩邊取對數(shù),即得:

(5)

目前計算WSE時,不同風(fēng)速資料的選擇會造成估算結(jié)果偏差明顯。彭懷午等(2010)、吳婷婷(2015)研究表明采用全部數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)切變計算產(chǎn)生的平均值代表性差、偏離系數(shù)較大,而采用去除3 m·s-1以下風(fēng)速數(shù)據(jù)計算產(chǎn)生的平均值代表性要優(yōu)于前者、偏離系數(shù)較小。因此,本文利用測風(fēng)塔資料,選取不同高度去除3 m·s-1以下且高層風(fēng)速大于低層風(fēng)速的數(shù)據(jù),根據(jù)式(5)計算每兩個高度層間的WSE,再利用最小二乘法(徐寶清等,2014;陳燕等,2019;孫淑芳和張廣興,2019)將各層間的WSE進(jìn)行擬合,得到該區(qū)域平均WSE,即根據(jù)式(5)可得到:

ln(Vn/V1)=αln(Zn/Z1)

(6)

本文定義風(fēng)電場對WSE的局地影響為風(fēng)電場建設(shè)后WSE與建設(shè)前WSE的距平百分率,該值為正值時,表明風(fēng)電場建設(shè)運行使得風(fēng)切變增加;該值為負(fù)值時,表明風(fēng)電場建設(shè)運行使得風(fēng)切變下降。

3 結(jié)果分析

3.1 陸地風(fēng)電場群局地風(fēng)速變化

3.1.1 年變化趨勢

就影響站尚義站而言,2005—2011年影響站和背景站(商都站)風(fēng)速變化趨勢具有良好的一致性(圖2a),2011年后,背景站風(fēng)速(VSD)總體呈上升趨勢,而影響站風(fēng)速(VSY)則呈下降趨勢,意味著2011年后影響站受到非氣候變化因素導(dǎo)致其風(fēng)速變化趨勢與背景站差異顯著。從兩站風(fēng)速差(dV)變化來看,2012年后兩站年風(fēng)速差呈增大趨勢,其中2016—2018年風(fēng)速差明顯大于風(fēng)電場竣工前任何一年(圖2a),該結(jié)果顯示尚義站很可能受到風(fēng)電場群影響,致使風(fēng)速在風(fēng)電場建設(shè)前后發(fā)生明顯變化。

圖2 2005—2018年(a)尚義站和(b)興和站年平均風(fēng)速及與商都站風(fēng)速差變化趨勢Fig.2 The variation trend of average wind speed at (a) Shangyi Station and (b) Xinghe Station and the differences between two stations and Shangdu Station respectively during 2005-2018

就可能影響站(興和站)而言,2005—2018年VXH與VSD變化趨勢具有較好一致性(圖2b),其中2014—2016年兩站風(fēng)速差較大;2017—2018年,風(fēng)速差回歸到2012年以前水平,這與尚義風(fēng)電場建設(shè)期(2008—2015年)時間匹配并不一致。該結(jié)果顯示,風(fēng)電場建設(shè)前后興和站風(fēng)速變化并不顯著,興和站受尚義風(fēng)電場群影響的可能性很小。

3.1.2 局地風(fēng)速變化

圖3表示尚義站(SY)與興和站(XH)年和四季風(fēng)速差變化值(ΔV)與氣候年際標(biāo)準(zhǔn)差(StddV)。就影響站(SY)而言,風(fēng)電場年均ΔV為-0.43 m·s-1,絕對值高于StddV(0.26 m·s-1),表明受風(fēng)電場群影響,SY年均風(fēng)速明顯降低;就四季平均來看,ΔV在春季變幅最大(-0.89 m·s-1),其次是冬季(-0.71 m·s-1),且絕對值均明顯高于相應(yīng)時段的StddV,而夏季和秋季的ΔV在StddV波動范圍內(nèi),表明風(fēng)電場建設(shè)后風(fēng)速降低主要發(fā)生在春季和冬季。

圖3 尚義風(fēng)電場群建設(shè)前后(a)尚義站和(b)興和站風(fēng)速差變化與氣候年際標(biāo)準(zhǔn)差對比Fig.3 The comparison of wind speed difference changes (ΔV) and climate interannual standard deviations (StddV) of (a) Shangyi Station and (b) Xinghe Station before and after the construction of Shangyi wind farms

就可能影響站(XH)而言,年和春、夏、秋季ΔV均在StddV波動范圍內(nèi),僅冬季ΔV略高于StddV(偏高0.04 m·s-1),表明風(fēng)電場建設(shè)后興和站風(fēng)速變化基本處于正常年際波動內(nèi)。該結(jié)果顯示興和站受尚義風(fēng)電場影響很小,即使受到影響也僅僅發(fā)生在冬季,而且這種影響非常輕微。由于興和站位于風(fēng)電場偏南方向約29 km處,因此可以推測尚義陸上風(fēng)電場群影響范圍很可能不超過30 km。

3.2 陸/海風(fēng)電場群湍流強度變化

3.2.1 日變化

分別選擇尚義陸地測風(fēng)塔30 m、70 m和如東海上測風(fēng)塔15 m、80 m高度層,分析建設(shè)前后TI日變化(圖4):無論是尚義陸上風(fēng)電場群,還是如東海上風(fēng)電場群,建設(shè)后各高度層不同時次TI均明顯增加;這主要是由于風(fēng)電場群內(nèi)大范圍風(fēng)機的攪動,使得空氣上下交換加強,致使陸/海風(fēng)電場區(qū)TI增加明顯(Christiansen and Hasager,2006;Smith et al,2013)。就不同高度來看,低層TI明顯高于高層,這是由于在低層大氣更易受到地表粗糙度與地形影響,大氣上下交換強,因此TI更強。

圖4 (a)尚義和(b)如東風(fēng)電場群建設(shè)前后不同高度湍流強度日變化對比Fig.4 The comparison of diurnal variation of TI at different heights at (a) Shangyi Station and (b) Rudong Station before and after construction of inland/offshore wind farms

尚義陸上風(fēng)電場TI日變化呈單峰曲線,白天TI明顯大于夜間,這是由于日出后地表受熱,對流逐漸加強,導(dǎo)致大氣層結(jié)不穩(wěn)定,TI逐漸增大,至中午前后達(dá)到最大;日落后地表受熱停止,對流作用減小,大氣層結(jié)逐漸轉(zhuǎn)為中性,TI也隨之減小。與陸上風(fēng)電場并不相同,如東海上風(fēng)電場TI日變化不明顯,這主要是由于海面水體熱容量大,增溫和降溫過程較陸地緩慢,導(dǎo)致海上區(qū)域熱力對流變化小于陸地,因此海上風(fēng)電場TI日變化波動較小。

對比尚義陸地和如東海上風(fēng)電場群同一高度層50 m建設(shè)前后TI日變化,如圖5a所示:無論建設(shè)前后,陸地TI日均值均明顯高于海上,尤其在白天,這是由于海洋熱容量明顯高于陸地,造成海上白天近地層溫度梯度小于陸地,加之下墊面平滑,從而使得同一高度上海洋TI明顯小于陸地;到了夜晚,陸地和海水上大氣層結(jié)都比較穩(wěn)定,溫度梯度接近,因此TI比較接近。

圖5 陸/海風(fēng)電場群(a)建設(shè)前后50 m高度湍流強度及(b)建設(shè)后不同高度湍流強度增幅的日變化Fig.5 The diurnal variation of (a) the TI at 50 m height before and after construction and (b) TI increasing range at different heights after construction of inland/offshore wind farms

對比陸/海風(fēng)電場群建設(shè)后各典型高度層(尚義:30 m、70 m;如東:15 m、80 m)TI增幅日變化(圖5b),可以看出:就不同時次來看,陸地風(fēng)電場群各高度層TI較建設(shè)前增加11%～66%,其中夜晚增幅(平均為45%)明顯大于白天(平均為20%)。這是因為陸地區(qū)域夜間大氣穩(wěn)定度高,對流本身較弱,但由于風(fēng)機的攪動,使得上下空氣交換加強,致使湍流強度大幅增加;而白天地面受大氣加熱影響,大氣層結(jié)不穩(wěn)定,對流本身較強,雖然風(fēng)機的攪動能更進(jìn)一步加強空氣擾動,但相比于夜間增幅小得多。

就不同高度來看,陸地風(fēng)電場建設(shè)后70 m高度TI平均增幅為40%,明顯高于30 m TI增幅(28%),表明TI在高層增幅大于低層,這種增幅在夜間更為明顯。這很可能一方面與70 m高度TI在夜間處于低值區(qū)且明顯小于30 m高度(圖4a)有關(guān);另一方面由于70 m高度層更接近風(fēng)機輪轂高度(平均75 m),受風(fēng)機攪動影響更大,而尚義風(fēng)輪平均直徑約為90 m,表明葉片最底端與地面距離約為30 m,因此30 m高度受風(fēng)機影響較小。

如東海上風(fēng)電場群建設(shè)后各高度TI增加29%～ 48%,但增幅沒有明顯的日變化特征。這是因為雖然海上區(qū)域風(fēng)機攪動加強了空氣擾動,使TI增加,但由于TI日變化較小(圖4b),TI增幅的日變化也較小。此外,80 m高度TI平均增幅為39%,稍高于15 m高度平均增幅(36%),表明海上風(fēng)機對低層和高層TI影響造成的差異遠(yuǎn)不如陸地風(fēng)機的影響明顯。

3.2.2 年和季節(jié)變化

尚義陸地和如東海上風(fēng)電場群建設(shè)前后不同高度年均TI對比如圖6所示,與TI日變化相似,陸/海風(fēng)電場群年均TI不同高度均較建設(shè)前明顯增加,其中尚義陸地各高度建設(shè)前年均TI為0.099～0.114,建設(shè)后增至0.131～0.144,平均增加了31%;如東海上各高度建設(shè)前年均TI為0.077～0.117,建設(shè)后增至0.107～0.159,平均增加了37%,TI增加原因與前面日變化相同。對比陸/海風(fēng)電場群同一高度50 m來看,無論建設(shè)前后,陸地區(qū)域TI均明顯高于海上,偏高約21%,這是由于海面相對于陸地下墊面平滑、地表粗糙度小,加之海水熱容量高于陸地、近海面層溫度梯度小于陸地近地層,導(dǎo)致海上風(fēng)電場區(qū)域TI相對于陸地風(fēng)電場整體較小。

圖6 (a)尚義和(b)如東風(fēng)電場群建設(shè)前后不同高度年湍流強度對比Fig.6 Comparison of annual TI at different heights at (a) Shangyi Station and (b) Rudong Station before and after construction of inland/offshore wind farms

以尚義陸地和如東海上風(fēng)電場群測風(fēng)塔50 m高度TI四季變化進(jìn)行對比,如圖7a所示:從季節(jié)變化上看,無論建設(shè)前后,陸地風(fēng)電場TI四季變化均較為明顯(建設(shè)前0.091～0.126,建設(shè)后0.121～0.155),其中夏季最大、冬季最小,春秋季介于之間;海上風(fēng)電場TI季節(jié)變化建設(shè)前較為平穩(wěn)(0.080～0.096),季節(jié)變化幅度明顯小于陸地,這與已有的風(fēng)電場建設(shè)前不同地形TI變化相關(guān)研究結(jié)果較為一致(李鴻秀等,2014;龍強等,2020);而風(fēng)電場群建設(shè)后如東海上風(fēng)電場TI季節(jié)變化加大(0.098～0.135),其中冬秋TI強于春夏,這與陸地風(fēng)電場季節(jié)變化規(guī)律并不一致。

圖7 陸/海風(fēng)電場群50 m高度湍流強度(a)建設(shè)前后四季變化及(b)建設(shè)后湍流強度增幅對比Fig.7 (a) The seasonal variation of TI at the 50 m height before and after construction and (b) comparison of TI increasing range after construction in different seasons

從季節(jié)TI增幅看(圖7b),尚義陸地風(fēng)電場春季TI增幅(47%)最為明顯,然后依次為冬季(33%)、秋季(33%)和夏季(24%),這與前面分析的春季和冬季風(fēng)速受風(fēng)電場影響顯著具有一致性。而如東海上風(fēng)電場冬季TI增幅最大(49%),然后依次為秋季(42%)、春季(34%)和夏季(21%)。

3.3 陸/海風(fēng)電場群風(fēng)切變指數(shù)變化

3.3.1 日變化

尚義陸地和如東海上風(fēng)電場群建設(shè)前后,年均WSE日變化如圖8a所示:兩個風(fēng)電場群WSE均表現(xiàn)為夜間高、白天低等日變化特征,但陸地風(fēng)電場WSE日變化明顯大于海上風(fēng)電場。這是由于白天對流作用強、大氣層結(jié)不穩(wěn)定,湍流活動旺盛,使不同大氣垂直層間的動量交換頻繁,風(fēng)速垂直梯度較小,導(dǎo)致WSE較低;夜間地表溫度低,大氣層趨于穩(wěn)定,層間很少混合或不混合,風(fēng)速隨高度的上升急劇增大,導(dǎo)致WSE較高,這與雷楊娜等(2015)相關(guān)研究結(jié)果較為一致。

圖8 陸/海風(fēng)電場群(a)建設(shè)前后風(fēng)切變指數(shù)及(b)建設(shè)后風(fēng)切變指數(shù)變幅日變化Fig.8 (a) Diurnal variation of WSE before and after construction and (b) variable amplitude of WSE after the construction of inland/offshore wind farms

對比陸/海風(fēng)電場群建設(shè)后WSE變幅的日變化分布(圖8b),可以看出:風(fēng)電場建設(shè)后,陸地風(fēng)電場群WSE在白天明顯增加(平均增幅為33%),夜間則降低(平均降幅為9%),WSE變幅趨勢與日WSE大小分布正相反,WSE小的時段增幅明顯,WSE大的時段降幅較大,從而使得WSE的日變化值變小(從建設(shè)前的0.199降至建設(shè)后的0.133)。這是由于陸地區(qū)域WSE日變化較為明顯,白天大氣不穩(wěn)定、風(fēng)速垂直梯度較小,但由于高層風(fēng)速更接近風(fēng)機輪轂高度受風(fēng)機擾動影響更大,風(fēng)速增大幅度大于低層,使得上下層風(fēng)速梯度增大,致使白天WSE大幅增加;夜間大氣穩(wěn)定、風(fēng)速垂直梯度較大,風(fēng)機擾動使得上下空氣交換加強、風(fēng)速梯度變小,致使夜晚WSE降低。海上風(fēng)電場群建設(shè)后,WSE在白天夜晚均有所增加(平均增幅為24%),但由于WSE日變化較小,WSE增幅無明顯日變化趨勢,且建設(shè)前后WSE日變化值也沒有明顯變化(分別為0.040和0.039)。

3.3.2 年和季變化

尚義陸地和如東海上風(fēng)電場群建設(shè)前后,年和四季平均WSE及建設(shè)后變幅如圖9所示。

圖9 陸/海風(fēng)電場群(a)建設(shè)前后風(fēng)切變指數(shù)及(b)建設(shè)后風(fēng)切變指數(shù)變幅對比Fag.9 (a) Annual and seasonal variation of WSE before and after the construction and (b) variable amplitude of WSE after the construction of inland/offshore wind farms

風(fēng)電場建設(shè)前,陸地區(qū)域年均WSE為0.196(圖9a),明顯高于海上區(qū)域(年均WSE為0.133)。這是由于尚義處于內(nèi)陸山區(qū),地形起伏和地表粗糙度都較大,使得風(fēng)速隨高度變化大,因此WSE也相對較大;如東沿海地形平坦,氣流受地形和粗糙度影響較少,風(fēng)速在不同高度的分布較穩(wěn)定,故WSE相對較小。陸地風(fēng)電場WSE表現(xiàn)為冬季和秋季較大,春季和夏季較小,這是由于冬季氣溫低,太陽輻射強度較低,大氣層結(jié)穩(wěn)定度高,動量、熱量交換較少,高低層之間風(fēng)速差異大,從而WSE大;夏季氣溫高,高強度的太陽輻射引起大氣層的不穩(wěn)定性增強,大氣層間的混合加強,高低層之間風(fēng)速差異變小,導(dǎo)致WSE較小(杜燕軍和馮長青,2010);海上風(fēng)電場WSE表現(xiàn)為冬季和春季較大,夏季和秋季較小,這很可能與如東海上風(fēng)電場夏秋溫度高于冬春、大氣混合較冬春更加明顯有關(guān)。

尚義陸地風(fēng)電場建設(shè)后,無論年和季節(jié)WSE均有所下降(圖9b),其中年均降低8%,四季降低3%～12%,這主要是由于風(fēng)機的影響造成夜間WSE降低所致(圖8b),雖然夜間WSE降低幅度不如白天WSE增幅,但夜間WSE明顯大于白天WSE(圖8a),從而造成年、季W(wǎng)SE有所降低,與尚義風(fēng)電場相反,如東海上風(fēng)電場建設(shè)后無論年和季W(wǎng)SE均明顯增加,其中年均增加了24%,各季增加了4%～37%。這主要是由于海表粗糙度較小且遠(yuǎn)離風(fēng)機,低層風(fēng)速受到影響較小,高層風(fēng)速更接近風(fēng)機輪轂高度,受風(fēng)機擾動影響更大,風(fēng)速增大幅度大于低層,風(fēng)速垂直梯度增大,致使WSE增加。

此外,陸/海風(fēng)電場均對夏季W(wǎng)SE影響較小,這可能是夏季大氣層間混合本身較強,而風(fēng)機擾動對這種混合影響較小,使得WSE變化并不顯著。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

本研究利用河北尚義陸地風(fēng)電場群周邊4個國家級氣象站1981—2018年逐日觀測資料、區(qū)域內(nèi)測風(fēng)塔2006—2017年不同高度逐時測風(fēng)資料以及江蘇如東海上風(fēng)電場群區(qū)域測風(fēng)塔2009—2018年不同高度逐時測風(fēng)資料,根據(jù)風(fēng)電場群建設(shè)和投產(chǎn)時間以及質(zhì)控后可用的測風(fēng)塔數(shù)據(jù),選定風(fēng)電場建設(shè)前后分析時段,通過計算建設(shè)前后局地風(fēng)速差值、湍流強度TI和風(fēng)切變指數(shù)WSE,對比研究陸/海風(fēng)電場群建設(shè)對局地風(fēng)環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)的影響,初步得到以下主要結(jié)論。

(1)尚義陸地風(fēng)電場具有明顯風(fēng)速減弱效應(yīng),年均風(fēng)速較建設(shè)前降低0.43 m·s-1,且風(fēng)速降低主要發(fā)生在春季和冬季,風(fēng)速分別降低了0.89 m·s-1和0.71 m·s-1,風(fēng)電場影響范圍很可能不超過30 km。

(2)陸地風(fēng)電場區(qū)TI值高于海上風(fēng)電場區(qū),TI日變化和季節(jié)變化也比海上區(qū)域明顯。陸/海風(fēng)電場群建設(shè)對TI均具有增強效應(yīng),建設(shè)后年均TI分別增加了31%和37%。陸地風(fēng)電場區(qū)TI夜間增幅(45%)明顯大于白天增幅(20%),且高層增幅(40%)大于低層(28%),而海上風(fēng)電場區(qū)TI不同高度增幅及其日變化較為平穩(wěn)。陸地風(fēng)電場區(qū)TI四季增幅為24%～47%;海上風(fēng)電場區(qū)TI四季增幅為21%～49%。

(3)陸/海風(fēng)電場區(qū)域WSE均呈現(xiàn)冬季高、夏季低、夜間大于白天等特征,但陸地WSE日變化明顯大于海上。陸/海風(fēng)電場建設(shè)后對WSE影響存在顯著差異,陸地風(fēng)電場建設(shè)后WSE白天增加了33%、夜晚則降低了9%,從而導(dǎo)致WSE日變化變小,且年和四季W(wǎng)SE均有所降低,其中年均降低了8%,四季降低了3%～12%;海上風(fēng)電場建設(shè)后WSE白天、夜晚均明顯增加,從而導(dǎo)致年和四季W(wǎng)SE均明顯增加,其中年均增加了24%,四季增加了4%～37%。

4.2 討 論

(1)風(fēng)電場群對湍流強度TI影響的不確定性。本文所得結(jié)果顯示陸/海風(fēng)電場群在建設(shè)前湍流強度TI年、季、日變化均存在明顯差異,這也與已有風(fēng)電場建設(shè)前相關(guān)研究結(jié)果(史軍等,2016;鄭新倩等,2019)較為一致,表明本文的研究資料具有一定代表性,方法較為合理。而風(fēng)電場群建設(shè)后,陸上和海上TI均發(fā)生了較為明顯的變化,凸顯了風(fēng)電場群對海/陸局地風(fēng)場的影響,由于海陸兩種下墊面性質(zhì)的不同,這種影響存在著不同高度、白天/夜晚和季節(jié)差異,但這種差異是否受到其他條件例如年際變化或者背景氣候變化的影響還并不清楚,因此未來還需更長時間的氣象觀測資料來開展風(fēng)電場群對TI長期的影響研究。

(2)風(fēng)電場群對風(fēng)切變指數(shù)WSE影響的不確定性。本文結(jié)果顯示風(fēng)電場建設(shè)前陸/海WSE呈現(xiàn)冬季較高、夏季較低、白天較小、夜間較高等特點,與已有風(fēng)電場建設(shè)前的相關(guān)研究結(jié)果較為一致(彭懷午等,2010;孫淑芳和張廣興,2019;陳燕等,2019);風(fēng)電場建設(shè)后由于風(fēng)機一定程度上改變了不同高度的風(fēng)速使得WSE發(fā)生變化,但這種變化實際上是很復(fù)雜的,因為WSE不僅受地表粗糙度影響,還受地形、大氣穩(wěn)定度、海拔高度以及熱力層結(jié)的影響(李鵬和田景奎,2011),而風(fēng)電場不僅影響地表粗糙度,還影響風(fēng)速和大氣溫度如局地增溫降風(fēng)效應(yīng)(張雪婷等,2019;Liu et al,2021)。因此風(fēng)電場群對WSE的影響機制未來還需要更多觀測資料進(jìn)行佐證。

(3)資料分析的不確定性。由于測風(fēng)塔資料限制,本文僅選取了風(fēng)電場群建設(shè)前后各1年資料,而且由于陸/海測風(fēng)塔資料時間差異,選取的年份也不同,因此存在資料代表性不夠充分造成的不確定性問題,從而造成陸/海風(fēng)電場群對局地風(fēng)環(huán)境影響差異分析存在一定不確定性。此外,不同測風(fēng)塔資料實際上是受氣候背景影響并存在年際變化的,雖然TI和WSE是關(guān)于風(fēng)速的相對變化指標(biāo),很大程度上已經(jīng)消除了氣候背景場(含年際變化)的影響,但由于沒有周圍參考塔同高度風(fēng)速資料,陸/海風(fēng)電場對TI和WSE的分析與對比仍存在一定程度受背景場影響的不確定性。另外,如東測風(fēng)塔位于海上風(fēng)電場東南方向,考慮盛行風(fēng)向的季節(jié)變換(冬季盛行風(fēng)為偏北風(fēng),夏季盛行風(fēng)為偏南風(fēng)),測風(fēng)塔受風(fēng)電場影響在冬季較夏季更為明顯,這可能也是如東海上風(fēng)電場對TI和WSE的影響在冬季最大、夏季最小的另外一個原因。因此,未來還需選取更多的站點以及更有代表性的資料進(jìn)行詳細(xì)分析,才能消除這種由于資料不足帶來的不確定性。