基于卫星遥感资料的河北坝上风电场对地表温度和植被的影响研究

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风能资源在中国的广泛应用带来了巨大的经济效益,同时也减少了各类化石燃料造成的环境污染。随着风电场建设规模的不断扩大,其气候和生态效应已引起人们的关注。有研究表明风机叶片的转动会增加地表粗糙度,增强风机尾流区的湍流,从而改变大气边界层的稳定度,当这些变化在空间上足够大时,可能会对局地乃至区域的天气和气候产生影响,进而影响所在地区的生态环境。随着未来风电装机容量的增加,深入认识风力发电对气候及其生态环境的可能影响,对于科学地利用风能资源,确保我国能源可持续发展具有重要的意义。本文以河北省西北部地区为例,利用2003~2019年中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感反演数据,分析了风电场地表温度(LST)、归一化植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)、叶面积指数(LAI)、总初级生产力(GPP)等的变化,并结合地表反照率和土地利用数据探讨了风电场建设运行对LST及植被的影响。得出如下主要结论:(1)2003~2019年,研究区风电场运行对LST的影响复杂,风电场内部均存在增温现象。其中,西部丘陵区(尚义和张北风电场)夜间增温趋势显著,与“非风电场影响区”相比,“风电场影响区”春季夜间增温幅度达0.379℃/10 a,夏季为0.206℃/10 a,增温信号的空间分布与风电场布局相吻合。北部丘陵区(康保及内蒙古少数风电场)春季夜间相对于周边增温幅度达0.228℃/10 a。东部山地区(沽源、崇礼风电场)由于地形复杂,环境湍流强,增温趋势不显著。(2)河北省坝上地区风电场虽然会对LST造成影响,但与其他研究区相比,其夜间增温幅度较小,春季最大为0.379℃/10 a,远小于坝上地区整体LST增温趋势(0.817℃/10 a),与化石燃料造成的碳排放产生的增温相比,风电场造成的增温可忽略不计。(3)西部丘陵区风电场不利于夏季植被生长,与“非风电场影响区”相比,“风电场影响区”NDVI、EVI、LAI和GPP均呈显著下降趋势,分别为-0.018/10a、-0.011/10 a、-0.051/10 a和-6.677 g C/m~2/10 a,春季草原植被受风电场影响较大,其他土地类型基本不受风电场影响。北部丘陵区风电场有利于春季植被生长,相对于“非风电场影响区”,“风电场影响区”LAI、GPP和NDVI的增长趋势分别为0.007/10 a,2.06 g C/m~2/10 a和0.002/10 a,夏季则相反,EVI和LAI均呈下降趋势,下降幅度分别为-0.009/10 a和-0.038/10 a。东部山地区植被受风电场影响较小。风电场对地表植被的影响远小于城镇扩张、大面积开垦、无节制放牧对植被生态环境造成的影响。(4)研究区风电场对LST及植被的影响机制为:风机转动产生的湍流加强了近地面的大气垂直混合,在夜间大气边界层稳定,增强的垂直混合将上部较暖的空气带到近地面,地表出现增温现象。春季夜间LST升高使得土壤含水量增加,且对地表的保温作用能够防止冻害,有利于春季植被生长;夏季炎热干燥,夜间增温现象导致土壤含水量减少,不利于夏季植被生长。
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