综述：风电场对气候与生态影响的研究进展

《Research in Cold and Arid Regions》：Research Progress on the Impact of Wind Farms on Climate and Ecology

　　

为缓解全球变暖，研究人员必须加快可再生能源发展。风能因资源丰富且具有环境效益，近年来在全球范围内快速增长。随着风电规模扩大，大型风电场的气候与生态影响亟需关注。本研究综述了风电场在局地、区域及全球尺度的环境影响，重点关注气候响应机制，同时分析了建设与运行阶段的生态效应，涵盖土壤、水文及生物群落等方面。风电场通过提取大气动能、增加地表粗糙度、改变边界层稳定性及增强转子尾流湍流，进而改变地表通量、风速与温度，这些过程还会进一步引起降水和云量的变化。在生态方面，建设与运行活动会破坏鸟类栖息地、提高鸟类和蝙蝠死亡率、产生噪声，并影响土壤碳循环与植被生长。海上风电项目可削弱飓风风力与风暴潮，降低海气热通量，但建设过程可能危害底栖生物与藻类群落。总体而言，本研究阐明了风能开发与气候及生态系统的相互作用，呼吁协调发展，为中国构建环境友好型能源体系、支撑经济社会高质量发展提供依据。

论文主体内容总结如下：

1. 1.
   引言
   化石能源燃烧是全球二氧化碳浓度上升的主要驱动因素，为实现可持续发展，能源系统需向可再生方向转型。风能具有储量丰富、可再生、发电零污染等优势，全球风电产业扩张迅速，预计2020年至2050年可再生能源装机容量将增长十倍，风电占比显著。中国风电发展同样迅猛，截至2024年底并网容量已达520吉瓦（GW）。风电扩张可有效减少温室气体排放、助力缓解全球变暖，但大规模风电场会改变地表特征，对气候与生态系统产生影响，这一问题在风电持续增长的发展中国家与生态脆弱区尤为关键。随着人口增长与现代化推进，能源需求持续上升，发展可再生能源是维持经济增长与减缓全球变暖的有效路径，但大规模风电部署在建设与运行阶段会产生不可忽视的气候与生态影响。当前研究中，风洞实验与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）可用于模拟叶片流动相互作用与涡轮机运行原理，量化涡轮机驱动的摩擦速度与动量变化，但难以表征大气边界层过程，也无法复现真实风况下的尾流演变，因此对气候响应的刻画存在局限。早期风电场气候效应研究依赖野外观测，但该方法成本高、数据质量有限、时空覆盖不足。卫星数据覆盖范围广、成本较低、获取便捷，结合算力提升与成本下降，数值模拟已成为评估风电场影响的核心手段。风电场可在局地、区域及全球尺度影响气候系统，改变气象变量、调节大气环流、转移能量平衡，并触发生态响应与人类反馈。涡轮机运行会降低风速、增加湍流动能，大规模部署会抬升地表温度，其中夜间增温可达0.7℃，夏季信号强于冬季。作为动量汇，风电场会改变区域气压与风场，进而影响降水。通过重塑局地微气候，风电场建设与运行会改变地表条件，造成局地增温与蒸散减少，抑制植被生长并通过碳循环传导，使固碳能力最大相对降幅可达50%。假设中国平均风速7.0米/秒、平均风功率密度325瓦/平方米，主流4.5兆瓦（MW）风机容量系数33.2%，单台机组年发电量约12996兆瓦时（MWh），同等电量若由煤或天然气等化石燃料生产，平均会向大气释放6847吨二氧化碳，因此风电可大幅降低碳排放，是化石燃料的有效替代。发展中国家与生态脆弱区的风电扩张因伴随的气候与环境影响受到更多关注，本文系统综述风电场气候与生态影响相关研究，梳理多尺度研究方法，重点分析其对全球、区域及局地气候的作用，并探讨建设与运行阶段的生态效应，最终提出未来风电发展建议，为可持续能源转型政策提供参考。
2. 2.
   风电场气候与生态效应研究方法
   随着风电场规模扩大，研究日益关注场内湍流、尾流效应及场间跨尺度气候生态响应，需根据不同尺度选择研究方法。当前研究主要采用原位观测、卫星遥感与数值模拟三类方法，表1汇总了多尺度风电场效应分析的方法体系。
   2.1 原位观测
   原位观测可捕捉风电场内风资源与涡轮机运行参数，直接反映涡轮机影响，能提供直接的气象数据，清晰呈现局地气象变量变化，是研究风电场局地气候影响的关键方法，但该类观测稀缺、成本高、易受干扰，导致数据质量与空间代表性不足。
   2.2 卫星遥感
   卫星遥感是高效替代手段，可量化大面积风电场影响，追踪开发前后环境参数的长期变化。中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS）与陆地卫星（Landsat）光学/热红外遥感可反演地表温度、植被指数与地表反照率，表征地表热力状况及其时空变化；合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）微波遥感可反演海面粗糙度，探测下游风速亏损、湍流增强与尾流范围，主要服务于海上风电场研究与尾流监测，也可在云量与夜间条件下提供补充观测。
   2.3 数值模拟
   原位观测与卫星遥感为数值模拟提供基础数据集与验证支撑，但二者存在局限，算力进步使数值模拟成为评估风电场气候效应的核心工具。计算流体动力学（CFD）可分析叶片空气动力学，支撑涡轮机参数化、选址与短期功率预测，是模拟涡轮机流场的关键方法，包含直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS）、雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS）与大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）。DNS可精准解析所有湍流尺度，但计算资源需求极高；RANS通过对高雷诺数湍流平均化处理降低计算成本，但无法捕捉精细结构；LES仅对小尺度湍流进行参数化，精度较高但计算成本仍较高，可解析大型风电场内单个涡轮机运行，量化垂直方向与热通量、水汽通量的输送，刻画风电场内部与下游的涡轮机影响，能较好还原尾流效应与边界层相互作用。
   天气研究与预报（Weather Research and Forecasting, WRF）模型是中尺度数值模拟的主流工具，可表征真实大气物理过程，是研究风电场气候影响的重要工具。由于涡轮机尾流效应发生在次网格尺度，无法直接解析，需进行参数化处理。早期研究通过提高地表粗糙度或湍流动能（Turbulent Kinetic Energy, TKE）模拟涡轮机，但会高估感热通量、夸大温度变化，且无法复现涡轮机诱发的复杂湍流。后续改进方案在WRF中添加涡轮机阻力系数，将风电场视为动量汇与TKE源，显著提升了模型性能。
   区域大气模拟系统（Regional Atmospheric Modeling System, RAMS）是另一类中尺度模型，采用次网格尺度转子参数化方案，将涡轮机转子表示为动量汇与TKE源，可模拟风电场与边界层的相互作用。全球尺度研究通常采用通用环流模型（General Circulation Models, GCMs）与第五版社区大气模式（Community Atmosphere Model version 5, CAM5），GCMs通过在地表动量通量中添加阻力项表征涡轮机效应，结合模拟风速估算大尺度风电潜力上限；CAM5将风电场表示为高架动量汇，通过增强湍流捕捉叶片混合效应。
3. 3.
   风电场对气候的影响
   风力涡轮机重塑地气交换过程，提高地表粗糙度、增强转子尾流湍流、调整大气边界层（Atmospheric Boundary Layer, ABL）稳定性，其响应受环境风与边界层层结影响，且存在显著的日变化与季节差异，图1展示了风电场气候影响的机制。
   3.1 风电场局地气候效应
   风电场对近地表气温的影响存在日变化与季节性差异。日变化表现为不对称的温度效应，由大气边界层稳定性决定：稳定边界层通常出现在夜间，此时暖空气位于近地面冷空气之上，涡轮机增强垂直混合，将暖空气向下输送，造成夜间增温。季节异常主要取决于涡轮机诱导湍流动能（TKE）与背景TKE的差异，春季对流风较强，背景TKE较高，会掩盖涡轮机诱导湍流的影响，削弱季节增温效应。
   基于卫星遥感的研究显示，风电场会导致夜间与清晨地表升温，夏季下风向区域比上风向平均高4~8℃。美国得克萨斯州中西部大型风电场的MODIS地表温度（Land Surface Temperature, LST）评估结果表明，夜间与清晨下风向近地表气温更高，其余时段则相反，后续分析识别出0.31~0.70℃的夜间增温效应，白天无显著变化，夏季夜间增温（每十年0.724℃）强于冬季（每十年0.458℃），当地时间22:30的增温幅度高于01:30，且增温格局与风电场内涡轮机位置高度吻合。中国河北张家口北部的MODIS遥感分析则显示，下风向区域呈夜间增温、白天降温的特征，春季增温最强（每10年0.379℃），夏秋季较弱（分别为每10年0.206℃与0.211℃），冬季无显著增温。
   大涡模拟（LES）研究显示，涡轮机旋转增强垂直热量混合，稳定条件下近地表增温0.04开尔文（K），对流条件下降温0.025K，同时使地表热通量幅度降低约5%。观测数据显示，夜间涡轮机可使气温升高0.18℃、绝对湿度增加0.03克/立方米，并放大气温、地表温度与土壤温度的日循环变率；涡轮机还会使边界层内通量增加约10%~15%（源于尾流中新增湍流），但因提取动量，风电场下方的摩擦速度与地表通量降低。
   3.2 风电场区域气候效应
   风电场不仅影响局地天气，也会作用于区域气候。大规模部署可使局地气温变化数摄氏度，降水减少最多达20%，还可削弱风速，部分情况下缓解沙尘暴与沿海风暴潮。涡轮叶片增强大气垂直混合、削弱下游风速、改变地表感热与潜热通量，导致近地表空气变干，间接改变降水与云量。
   中国西北瓜州的MODIS LST分析显示，风电场区域LST呈显著夜间增温趋势，夏季增温最强（每8年0.51℃），其次为秋季（每8年0.48℃），冬季最弱（每8年0.38℃），春季无增温趋势。美国东部大型风电场的WRF模拟表明，假设的超大风电场使美国东部三分之二区域暖季平均降雨量增加0.3%，雨季风电场附近局地增幅可达1.0%。包含明确涡轮机表征的GCM模拟显示，涡轮机动能提取可使下游风速降低43%，该动能亏损可用于约束可持续风电潜力的上限。
   RAMS对7×3涡轮机阵列的模拟表明，增温主要反映地表属性与随时间变化的边界层条件。平原地区夏季大型风电场的RAMS研究结果显示，涡轮机平均动能提取速率为0.8瓦/平方米，降低轮毂高度风速，转子诱导的垂直混合使地表温度升高约0.7℃、湿度降低约0.7克/千克，地表感热通量降低8.4瓦/平方米；由于夜间边界层稳定、风切变强，影响在黎明前最显著，此时垂直混合的作用强于白天混合均匀的边界层。另有研究表明，白天降温与夜间增温均来自涡轮机诱导的垂直混合：稳定大气中暖层位于近地面冷空气之上，混合作用将暖空气向下输送、冷空气向上抬升，导致地表增温。
   在超大规模部署情景下，模拟显示区域平均风速可降低约43%，表明风能提取可在大尺度上反馈背景风场。尾流效应进一步放大区域影响，涡轮机尾流在30~60公里范围内降低风速、增加下游湍流，可使湍流动能提升30%以上，因此在风能富集区设置缓冲带可提升效率。WRF-Fitch模拟显示，气候响应强烈依赖地表类型与涡轮机空间布局，风电场设计塑造湍流结构并调控尾流效应；湖泊区域的模拟表明，稀疏空心菱形布局可加速尾流恢复，尾流强度与空间范围还受风电场规模与地形影响，平坦地形相较于复杂山区会放大尾流影响。
   3.3 风电场对全球气候的影响
   风电场通过垂直再分配能量与水汽、改变地气交换，从局地至全球尺度影响气候，地表粗糙度增加会改变全球环流，动力变化影响降水，热力变化影响温度。风电场增加近地表阻力、增加动能耗散（10~20太瓦，TW），但全球平均总地表动能耗散变化小于1%，全球平均近地表温度响应可忽略不计，但区域峰值季节响应超过2℃。通过减少大气总能量，风电场改变全球地表动量与地表通量（感热、潜热），进而转移全球降水与云分布。风电场对风速与湍流有显著局地影响，但对温度、感热、潜热通量、云与降水的影响在区域与全球尺度相对微弱，其增温效应仍远弱于温室气体驱动的全球变暖。
   耦合大气-海洋-陆地模型的大尺度部署试验显示，到2100年，陆地涡轮机可使陆地升温超过1℃、海洋降温超过1℃；涡轮机增加地表粗糙度并触发罗斯贝波，削弱近地面西风、改变垂直混合、加热陆地表面，增温还会进一步改变云量与地表热通量。陆地上本身粗糙度已较高，海上新增阻力产生更强湍流，抵消了风速损失，增强了海气热交换（尤其是潜热），使多数站点出现局地降温；部分地区对流与大尺度降雨变化超过10%，但全球平均效应仍较微弱。
4. 4.
   风电场的环境影响
   风电开发通过土地占用与工程建设直接改变陆地生态系统，运行期涡轮机产生的噪声干扰鸟类与蝙蝠，尾流湍流与局地微气候变化进一步影响生态系统过程，这类生态与环境影响具有明显的阶段性、复合性与空间异质性，风电场内外及上、下风向区域的植被与土壤响应可能存在差异，表2汇总了风电场不同开发阶段的环境影响。
   4.1 风电场建设与运行的影响
   风电需求增长持续向地形复杂区与生态脆弱区施压，风电开发导致的土地利用与土地覆被变化的环境影响受到更多关注。建设涡轮机设施会割裂、退化栖息地，使其不再适宜物种繁殖、觅食与迁徙。
   陆上风电场开发主要通过运输、建设与安装过程扰动地表，场地平整、道路修建、涡轮机运输、物资存储与输电线路建设会改变地表形态与土壤结构，阻碍植被生长，可能加剧土壤侵蚀。
   运行阶段，风电场会产生包含机械噪声与气动噪声的污染，旋转叶片的低频噪声会干扰周边社区，严重时威胁人类健康，噪声影响随距离增加而减弱，但在涡轮机500米范围内仍较显著，夜间传播水平更高。涡轮叶片对鸟类存在碰撞风险，会提高死亡率、降低种群规模、威胁生物多样性，鸟类死亡率与轮毂高度正相关，平原地区碰撞风险相对较低；风电场建设发展破坏栖息地，也会影响鸟类的繁殖与活动。
   蝙蝠占风电机组相关死亡数的比例较高，是全球蝙蝠死亡的主要驱动因素之一，蝙蝠对移动物体行为响应强烈，导致风电场区域内死亡率高，且死亡率随塔架高度呈指数增长；此外，运行中的涡轮机产生大量湍流并降低下游风速，形成尾流效应，造成不利于蝙蝠活动的环境条件。
   4.2 风电场对植被与土壤的影响
   风电场建设与运行同时影响气候与生态系统，通过改变地表属性影响局地与区域气候，进而反馈到生态系统过程。陆上风电场开发重塑地表形态、破坏土壤结构、降低肥力、改变植被覆盖。
   风电场改变地表属性并干扰地气相互作用，进而影响地表温度与植被动态，卫星研究量化了植被对风电场的响应，显示出时间滞后性与空间异质性。中国风电场区域的生物量出现急剧下降；2001—2018年生长期（6—8月）的MODIS归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）数据显示，70%的风电场呈现植被生长放缓趋势，且效应随风电场规模扩大而增强。春季较高的夜间地表温度（LST）增加土壤水分、抵御霜冻，利于植被生长；夏季干热条件下，夜间增温与土壤水分消耗则阻碍生长。内蒙古草原生长期的卫星遥感研究表明，风电场内外植被呈现“内抑外促”的响应格局，该影响在不同草地类型中存在差异，草甸草原的植被生长受抑制作用最强：风电场内部夜间地表温度升高、蒸散降低，抑制植被生长，而风电场外部区域的植被生长则有所改善。
   风电场诱导的地表属性变化还会影响局地与区域气候，进而改变生态系统过程。大尺度模拟显示，撒哈拉地区的反照率-降水-植被正反馈使降水增加约0.25毫米/天、植被覆盖度增加0.084，植被生长增强又会进一步提升降雨量。风电场通过改变植物群落与生产力，间接改变土壤理化性质、碳氮输入与微生物群落组成，反馈到全球变化；此外，夜间涡轮机运行会增加土壤二氧化碳释放，白昼土壤吸收二氧化碳，这一过程影响土壤碳储量。
5. 5.
   海上风电场对气候与生态的影响
   海上风电场开发会影响区域气候，同时在缓解极端天气事件中发挥重要作用，可通过从飓风中摄取能量、降低峰值风速、削弱风暴潮，沿大陆海岸线布置的阵列不仅能降低飓风风险，还可产生大量电力。现有布局下的海上风电场部署会使平均10米风速降低约0.52米/秒，局地下游降低约1米/秒，海气热通量减少2.0瓦/平方米以上；风电场区域平均降水增加约5%、低云覆盖增加约0.02，轮毂高度以下的空气升温，但信号仍小于年际变率。WRF模拟显示，海上涡轮机使轮毂高度风速降低约16%，湍流动能增加近7倍，通过向下动量传输使地表风速提高约11%；与陆上系统相比，海上涡轮机产生更强的尾流效应，改变边界层结构。
   海上风速更强、更稳定，能源潜力高且环境足迹相对较小，但海上风电场建设会破坏鱼类与藻类栖息地，产生强烈的水下噪声，干扰底栖代谢与行为。海上风电场存在复杂的生态权衡：可为鱼类提供庇护，但会增加浊度、干扰鱼类活动、退化藻类栖息地；作为类似礁体的结构，也可为海洋物种提供食物与庇护所，发挥禁渔区功能；同时浊度增加与阳光遮挡会阻碍藻类光合作用，部分情况下还可能提升局地生物多样性，产生溢出效应惠及周边生态系统，但涡轮机平台会阻挡阳光，限制部分藻类物种的光合作用。
   海上与陆上风电场均通过摄取动量、降低风速、增强湍流混合改变局地至区域的风速、温度、湿度与通量，但气候与生态响应存在显著差异。陆上风电场位于高度异质性的地表，地形、植被、土壤湿度与土地利用导致更高的背景粗糙度，气候响应对地形与地表覆盖更敏感；海上风电场位于更平滑的表面，热容量更大、海气交换更强，因此更易改变海气通量与海洋边界层结构。模拟显示，大型海上风电场可使海表温度升高约0.3~0.4℃，通过增强向上热通量使海洋大气边界层不稳定；海上尾流持续时间长于陆上，稳定层结下可延伸50~70公里，使下游10米风速降低约1米/秒，区域平均降水增加约5%。生态方面，陆上系统主要影响植被、土壤、鸟类与蝙蝠，海上系统则更强地影响底栖生物、鱼类、海鸟与海洋哺乳动物，并引入人工礁体、噪声与电磁场效应。现有证据表明，海上风电场在建设期主要产生负面生态影响，运行期效应更为复杂，多数生态系统服务影响仍缺乏充分约束。
6. 6.
   结论与展望
   6.1 结论
   本研究系统评估了风电场对气候与生态系统的影响，综合已有研究成果，从局地、区域、全球尺度分析了其作用机制。涡轮机直接改变风速与湍流，通过增强垂直混合重塑地气热交换、改变边界层结构，进而改变近地表气象条件并可能产生级联的更大尺度影响。局地气候影响机制包括：涡轮机将风能转化为电能，从大气中提取动能，降低下游风速，衰减效应随距离增大而减弱；涡轮机运行增强湍流动能，改变感热与潜热通量，改变近地表温度与湿度；地表粗糙度增加与尾流扰动改变边界层内的湍流能量与水汽输送。
   更大尺度上，风电场通过三种途径影响气候：改变大尺度环流、减少大气能量，转移经向风、地表温度、能量收支与辐射平衡；增强感热与潜热的湍流输送，影响地表温度；使陆地升温超过1℃、海洋降温超过1℃，重组全球降水与云分布，尤其是低云分布。
   生态影响覆盖土壤、植物与动物，且随工程阶段变化：建设期，风电开发扰动土壤结构、改变地貌、诱发侵蚀、改变植被分布；运行期，噪声与叶片撞击增加鸟类与蝙蝠死亡率；维护期，若废水与建筑垃圾管理不当可能引入污染。
   总体而言，风电场会对气候与生态系统产生影响，图2总结了这些影响机制。
   6.2 展望
   更大尺度上，风电场部署会改变地表特征，涡轮机可能成为未来人为土地利用变化的主要驱动因素之一，厘清风电场-大气相互作用、评估其潜在气候与生态影响具有重要的社会意义。已有研究综合多尺度方法评估风电场气候与生态效应，普遍认同风电场通过提取动量与增强湍流改变大气边界层（ABL）稳定性，重塑地气交换并改变近地表气象条件，观测与模型常显示风电场区域夜间增温、白天降温，夏季夜间增温强于冬季，部分研究也报告降水增加，但总体而言，风电场诱导的气候扰动仍远小于二氧化碳排放驱动的增温。
   首先，现有研究在效应方向、幅度与空间范围上仍存在明显差异，表明风电场气候-生态效应并非恒定，受地表类型、边界层稳定性、风电场规模与布局、观测周期与方法尺度共同塑造。未来研究应强化定量归因，从单一气象响应转向综合气候-生态评估，为涡轮机部署提供指导，量化风电场与气候、植被动态的相互作用，兼顾风电发展与生态可持续性。
   其次，越来越多的证据表明，风电场不仅改变局地风速、温度与湿度，还会影响蒸散、土壤湿度、植被生长与碳循环，产生生态反馈，这些发现可直接支撑更具针对性的风电场布局优化与生态可持续发展。未来研究可聚焦开发综合评估模型，量化不同气候背景下风电场的多维影响，纳入可持续性指标评估环境、经济与社会效益，为解析“绿色能源-气候-生态系统”复杂关联提供关键工具。
   包括太阳能与风能在内的可再生能源发展是强化能源安全、减少温室气体排放的有效路径，但气候与生态脆弱区的可再生能源部署面临显著挑战，需特别关注环境兼容性。应采用一体化可再生能源发展模式，模拟、评估并战略规划风电部署对局地气候与生态系统的影响，尤其在生态脆弱区。中国需加快大型风电与光伏基地建设，依托西北沙漠、戈壁与干旱区丰富的风光资源，优化土地利用，推动集约化大规模可再生能源开发；在西北生态敏感区，可通过建设防护林、种草固土、生态保护修复等策略，协调可再生能源扩张与生态保护的关系。