干旱区风电场对局地微气象环境的多维影响研究-以苏尼特右旗朱日和风电场为例

干旱区风电场对局地微气象环境的多维影响研究——以苏尼特右旗朱日和风电场为例一、引言1.1研究背景与意义随着全球能源需求的持续增长以及对环境保护意识的日益增强，可再生能源的开发与利用已成为当今社会发展的关键课题。风能作为一种清洁、可再生的能源，具有无污染、可持续、成本逐渐降低等显著优势，在全球范围内受到了广泛关注与大力发展。风力发电是风能利用的主要形式，近年来，全球风电场的规模和数量都呈现出迅猛增长的态势。我国风能资源丰富，根据相关数据统计，我国陆地10米高度层的风能资源总储量约为32.26亿千瓦，可开发和利用的风能储量约为2.53亿千瓦；海上风能资源也极为可观，在水深5-25米的海域，风能资源技术可开发量约为2亿千瓦。我国现已成为全球最大的风电国家，风电装机容量持续攀升，风电场在国内的分布也愈发广泛，从沿海地区到内陆高原，从东北平原到西北荒漠，都能见到风电场的身影。内蒙古自治区作为我国风能资源最为丰富的地区之一，其风能总储量达到8.98万千瓦，风能技术可开发利用量为1.5亿千瓦，占全国可利用风能储量的40%，风速的季节变化和日变化与生产生活用电规律契合，且地域辽阔、人口稀少、地势平坦，具备建设大型风电场的优越条件，风电装机容量快速增长，2023年已突破6000万千瓦，达到6961万千瓦，较2022年增长了52.38%，增速显著。苏尼特右旗朱日和风电场位于内蒙古自治区，地处典型的干旱区。该地区天然草场面积达2.1万平方公里，属于干旱、半干旱荒漠草原，平均海拔1000-1400米，地势南高北低，绝大部分地势平坦开阔，年平均降水量仅190毫米左右，气候干旱特征明显。朱日和风电场70米高处年平均风速8.7m/s，年平均风功率密度为578.4w/㎡，年有效风速小时数为8402小时，风力开发条件得天独厚，是我国建设的第一个大型并网风力发电机组所在地，也是内蒙古自治区建设的第一家测风场，在我国风电发展历程中具有标志性意义。然而，风电场的大规模建设和运行在带来清洁能源的同时，也不可避免地对周围环境产生一定影响。风电机组的运行会改变局地的气流运动，导致风速、风向发生变化，进而影响大气边界层的结构和能量交换过程。这种改变可能引发一系列连锁反应，对周边地区的温度、湿度、降水等微气象要素产生影响，打破原有的气象平衡。例如，风电场内部及周边区域的风速可能会因风机的阻挡和能量提取而降低，而湍流强度则会增加；温度和湿度的分布也可能出现异常，影响局部的气候舒适度和生态系统的水分循环；降水模式的改变虽然在研究中尚未形成一致结论，但已有研究表明可能会对区域水资源产生潜在影响。在干旱区，生态系统本就脆弱，对气象条件的变化极为敏感，风电场建设对局地微气象环境的任何改变都可能被放大，对当地的生态平衡、植被生长、土壤水分保持等产生深远影响，威胁到干旱区生态系统的稳定和可持续发展。准确评估风电场建设对环境的影响，尤其是对局地微气象环境的影响，已成为建设低碳、环保型风电场的必要前提和关键环节。以苏尼特右旗朱日和风电场为例开展深入研究，具有多方面的重要意义。从科学认知角度来看，有助于深化我们对风电场与局地微气象环境相互作用机制的理解，填补干旱区风电场环境影响研究的部分空白，丰富和完善相关领域的科学理论体系。在实践应用方面，能为风电场的科学规划、合理布局和优化运营提供坚实的数据支持和科学依据，指导风电场建设在追求经济效益的同时，最大程度降低对环境的负面影响，实现风电开发与环境保护的协调共进。对于干旱区而言，本研究结果可为当地生态保护和可持续发展提供关键参考，助力制定针对性的生态保护策略和环境管理措施，保护干旱区脆弱的生态环境，维护生态系统的稳定和平衡，保障区域的可持续发展。1.2国内外研究现状风电场对气象环境影响的研究在国内外都受到了广泛关注，众多学者运用多种方法从不同角度展开了深入研究。在国外，早期的研究主要集中在风电场对近地面风速和湍流的影响方面。如[具体学者1]通过对美国某风电场的实地观测，发现风电场内部及周边一定范围内的风速明显降低，而湍流强度显著增加，且这种影响的程度与风电机组的布局、高度以及地形等因素密切相关。[具体学者2]利用大涡模拟（LES）模型，对丹麦某风电场进行数值模拟研究，详细分析了风电场尾流的形成、发展和衰减过程，揭示了尾流对下游区域风速和湍流结构的影响机制。随着研究的不断深入，国外学者开始关注风电场对区域气候的影响。[具体学者3]运用区域气候模式（RCM），模拟了欧洲大规模风电场建设对区域温度、降水和大气环流的影响，研究结果表明，风电场的存在可能导致区域平均温度升高，降水分布发生改变，虽然这种影响在不同地区存在差异，但也凸显了风电场对区域气候影响的复杂性和不确定性。在国内，相关研究起步相对较晚，但发展迅速。早期的研究多基于数值模拟方法，如[具体学者4]采用中尺度天气预报模式（WRF），对我国西北某风电场进行模拟，分析了风电场建设前后局地气象要素的变化，发现风电场会使近地面风速减小，温度略有升高。近年来，随着我国风电场建设的大规模推进，越来越多的实地观测研究也相继展开。[具体学者5]在内蒙古某风电场开展长期的微气象观测，获取了风速、风向、温度、湿度等气象要素的连续观测数据，通过对比分析风电场建设前后以及场内场外的气象数据，定量评估了风电场对这些气象要素的影响程度和范围。同时，国内学者也关注风电场对生态环境的间接影响，[具体学者6]研究了风电场对周边植被生长和土壤水分的影响，发现风电场建设后，由于微气象环境的改变，周边植被的生长状况和土壤水分含量也发生了相应变化，这进一步说明了风电场对气象环境影响的连锁反应。尽管国内外在风电场对气象环境影响的研究方面取得了丰硕成果，但针对干旱区风电场的研究仍存在明显不足。干旱区具有独特的气候、地形和生态特征，其大气边界层结构和能量交换过程与其他地区存在显著差异。现有的研究大多集中在湿润或半湿润地区，对于干旱区风电场对局地微气象环境的影响研究相对较少。在干旱区，水资源稀缺，生态系统脆弱，风电场建设对局地微气象环境的改变可能会对水资源、植被和生态系统产生更为深远和复杂的影响，而目前这方面的研究还不够系统和深入。不同研究在方法、模型和参数设置上存在差异，导致研究结果之间缺乏可比性和一致性，对于干旱区风电场影响的一些关键问题，如对降水的影响机制、长期累积效应等，尚未形成明确的结论。因此，以苏尼特右旗朱日和风电场为例，开展干旱区风电场对局地微气象环境影响的研究十分必要，有助于填补这一领域的研究空白，为干旱区风电场的科学规划和可持续发展提供更具针对性的理论支持和实践指导。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容朱日和风电场地理环境及建设情况分析：全面收集苏尼特右旗朱日和风电场周边的地形地貌、土壤类型、植被覆盖等地理环境资料，运用地理信息系统（GIS）技术对该区域的地形起伏、坡度、坡向等进行详细分析，明确风电场建设对地表形态和土地利用的改变情况。同时，深入了解风电场的建设规模，包括风电机组的数量、型号、布局方式、单机容量、轮毂高度等参数，以及风电场的建设时间、分期建设情况等信息，为后续研究风电场对局地微气象环境的影响提供基础数据和背景信息。通过实地考察和查阅相关规划文件，评估风电场建设过程中对周边生态环境、交通、基础设施等方面可能产生的直接和间接影响，分析其是否符合当地的发展规划和环境保护要求。局地微气象环境数据采集与分析：在朱日和风电场及其周边区域合理布设微气象观测站点，采用先进的微气象观测仪器，如超声风速仪、温湿度传感器、气压传感器、辐射传感器等，实时采集风速、风向、温度、湿度、气压、太阳辐射等微气象要素数据。观测时间应涵盖不同季节、不同天气条件下的情况，以获取全面、具有代表性的气象数据。对采集到的微气象数据进行严格的数据质量控制和处理，包括数据清洗、异常值剔除、插补缺失值等操作，确保数据的准确性和可靠性。运用统计学方法，分析风电场建设前后以及场内场外各微气象要素的变化特征，如均值、标准差、日变化、季节变化等，定量评估风电场建设对局地气象环境的影响程度和范围。通过相关性分析、对比分析等方法，研究各微气象要素之间的相互关系以及风电场建设对这些关系的影响，揭示风电场与局地微气象环境之间的内在联系。风电场对局地微气象环境影响机理的数值模拟研究：利用中尺度天气预报模式（WRF）等数值模拟工具，建立朱日和风电场建设前后的高分辨率数值模拟模型。在模型中准确设置风电场的地理位置、地形参数、风电机组参数等信息，合理选择物理过程参数化方案，确保模拟结果的真实性和可靠性。运用建立的数值模拟模型，对风电场建设前后的大气环流、温度场、湿度场、气压场等进行数值模拟，分析风电场建设对这些气象要素的时空分布和变化趋势的影响。通过模拟不同工况下（如不同风速、风向、大气稳定度等）风电场对局地微气象环境的影响，深入探讨风电场影响局地微气象环境的物理机制，包括风电机组对气流的阻挡、扰动作用，尾流效应的形成和传播，以及由此导致的大气边界层结构和能量交换过程的改变等。将数值模拟结果与实测数据进行对比验证，评估模型的模拟精度和可靠性，进一步优化模型参数和设置，提高模拟结果的准确性。风电场周边植被变化的图像处理与分析：收集朱日和风电场建设前后不同时期的高分辨率卫星遥感影像和无人机航拍影像，运用图像处理软件和遥感分析技术，对影像进行几何校正、辐射定标、图像增强等预处理，提高影像的质量和可解译性。通过监督分类、非监督分类、面向对象分类等方法，对影像中的植被信息进行提取和分类，获取风电场周边植被的类型、分布范围和覆盖度等信息。对比风电场建设前后植被信息的变化情况，分析风电场建设对周边植被生长和分布的影响，如植被覆盖度的增减、植被类型的转变等。结合微气象观测数据和数值模拟结果，探讨风电场建设导致的微气象环境变化对植被生长和生态系统的影响机制，包括温度、湿度、光照、降水等气象要素的改变对植被生理过程、群落结构和生态功能的影响。风电场建设对局地微气象环境影响的综合评估与建议：综合考虑地理环境分析、微气象数据观测与分析、数值模拟研究以及植被变化分析的结果，全面评估朱日和风电场建设对局地微气象环境的影响，包括短期和长期影响、直接和间接影响、正面和负面影响等方面。建立风电场对局地微气象环境影响的综合评价指标体系，运用层次分析法、模糊综合评价法等方法，对风电场的影响进行量化评价，明确其对不同气象要素和生态系统的影响程度和重要性排序。根据综合评估结果，从风电场的规划布局、机组选型、运行管理等方面提出针对性的建议和措施，以降低风电场建设对局地微气象环境的负面影响，实现风电开发与环境保护的协调发展。同时，为干旱区风电场的科学规划和可持续发展提供理论支持和实践指导，为相关政策的制定提供科学依据。1.3.2研究方法实地观测法：在朱日和风电场及其周边区域设置多个微气象观测站，构建观测网络。这些观测站配备先进的气象观测仪器，按照统一的观测规范和标准，对风速、风向、温度、湿度、气压等微气象要素进行长期、连续的实时监测，获取第一手的实测数据。通过在不同位置和高度设置观测点，对比分析风电场内外以及不同距离处的气象要素差异，准确评估风电场对周边微气象环境的影响范围和程度。同时，结合实地考察，记录风电场的建设情况、地形地貌特征、植被覆盖状况等信息，为数据分析和研究提供全面的背景资料。数值模拟法：运用中尺度天气预报模式（WRF），并结合风电场参数化方案，建立高精度的数值模拟模型。在模型中详细设定风电场的地理位置、地形条件、下垫面特征以及风电机组的各项参数，如机组的尺寸、布局、叶片旋转特性等，使其尽可能真实地反映实际情况。通过模拟风电场建设前后不同气象条件下的大气流动和能量交换过程，预测风电场对区域风速、风向、温度、湿度、气压等气象要素的影响，深入探究其影响机理和规律。对模拟结果进行敏感性分析，研究不同参数设置和物理过程对模拟结果的影响，优化模型参数，提高模拟的准确性和可靠性。遥感分析法：利用卫星遥感技术，获取风电场建设前后不同时期的多源遥感影像，包括光学影像、热红外影像等。运用遥感图像处理软件和分析方法，对影像进行预处理和信息提取，获取风电场周边植被覆盖度、植被类型、地表温度、土壤水分等信息的时空变化情况。通过对比分析不同时期的遥感数据，评估风电场建设对周边生态环境的影响，尤其是对植被生长和生态系统的影响。结合地面实测数据和数值模拟结果，验证遥感分析结果的准确性，并进一步深入分析风电场与周边生态环境之间的相互作用机制。统计分析法：对实地观测获取的微气象数据以及遥感分析得到的生态环境数据进行统计分析。运用描述性统计方法，计算各气象要素和生态指标的均值、标准差、最大值、最小值等统计量，了解数据的基本特征和分布规律。采用相关性分析、回归分析等方法，研究不同气象要素之间以及气象要素与生态指标之间的相互关系，揭示风电场建设对微气象环境和生态系统的影响机制。运用时间序列分析方法，分析气象要素和生态指标随时间的变化趋势，评估风电场建设的长期影响。通过对比分析风电场建设前后以及不同区域的数据，确定风电场对周边环境影响的显著性和影响范围。1.4技术路线本研究以苏尼特右旗朱日和风电场为研究对象，深入探究干旱区风电场对局地微气象环境的影响，技术路线如下：研究准备阶段：全面收集与整理苏尼特右旗朱日和风电场相关的各类资料，包括风电场的建设规划、运行数据、地理位置信息，以及该地区的地形地貌、土壤类型、植被覆盖、气象历史数据等。运用地理信息系统（GIS）技术，对风电场及周边区域的地理环境进行可视化分析，明确风电场在区域中的位置、范围以及周边环境特征，为后续研究奠定基础。同时，根据研究目标和内容，制定详细的数据采集方案和研究计划，确定所需的观测仪器、观测站点布局、观测时间等，确保研究的科学性和可行性。数据采集与分析阶段：在朱日和风电场及其周边区域，按照既定的观测方案，合理设置多个微气象观测站，运用超声风速仪、温湿度传感器、气压传感器、辐射传感器等高精度仪器，对风速、风向、温度、湿度、气压、太阳辐射等微气象要素进行长期、连续的实时监测，获取第一手实测数据。对采集到的微气象数据进行严格的数据质量控制，包括剔除异常值、填补缺失值、校准数据等操作，运用统计学方法，如均值、标准差、相关性分析、趋势分析等，深入剖析各微气象要素的变化特征和相互关系，初步评估风电场建设对局地微气象环境的影响程度和范围。风电场对局地微气象环境影响研究阶段：利用中尺度天气预报模式（WRF）等数值模拟工具，结合风电场的实际参数和当地的地形、下垫面条件，构建风电场建设前后的高分辨率数值模拟模型。通过调整模型参数和物理过程方案，对不同气象条件下的大气环流、温度场、湿度场、气压场等进行数值模拟，预测风电场建设对这些气象要素的时空分布和变化趋势的影响，深入探讨风电场影响局地微气象环境的物理机制，如尾流效应、湍流增强、能量交换改变等。将数值模拟结果与实测数据进行对比验证，评估模型的模拟精度和可靠性，进一步优化模型，提高模拟结果的准确性。利用高分辨率卫星遥感影像和无人机航拍影像，运用遥感图像处理技术和植被指数分析方法，提取风电场周边植被的覆盖度、类型、生长状况等信息，对比风电场建设前后植被信息的变化情况，分析风电场建设对周边植被生长和分布的影响，结合微气象观测数据和数值模拟结果，探讨微气象环境变化对植被生长和生态系统的影响机制。综合评估与建议阶段：综合考虑地理环境分析、微气象数据观测与分析、数值模拟研究以及植被变化分析的结果，全面评估朱日和风电场建设对局地微气象环境的影响，包括短期和长期影响、直接和间接影响、正面和负面影响等方面。建立风电场对局地微气象环境影响的综合评价指标体系，运用层次分析法、模糊综合评价法等方法，对风电场的影响进行量化评价，明确其对不同气象要素和生态系统的影响程度和重要性排序。根据综合评估结果，从风电场的规划布局、机组选型、运行管理等方面提出针对性的建议和措施，以降低风电场建设对局地微气象环境的负面影响，实现风电开发与环境保护的协调发展。同时，为干旱区风电场的科学规划和可持续发展提供理论支持和实践指导，为相关政策的制定提供科学依据。二、研究区概况2.1地理位置苏尼特右旗朱日和风电场位于内蒙古自治区锡林郭勒盟苏尼特右旗朱日和镇境内。内蒙古自治区地处我国北部边疆，是我国跨经度最广的省级行政区，其独特的地理位置决定了区内自然环境的多样性和复杂性。苏尼特右旗位于锡林郭勒大草原西部，地理坐标介于东经111°08′～114°16′，北纬41°55′～43°39′之间。朱日和镇处于苏尼特右旗西南部，是连接周边多个旗县的重要节点。朱日和风电场周边地理环境特征显著。从地形地貌来看，其所在区域平均海拔1000-1400米，地势总体呈现南高北低的态势。除南部部分地区属于丘陵地带外，绝大部分区域地势平坦开阔，这种平坦开阔的地形条件有利于大规模风电场的建设和风机的布局，减少地形对风电场建设和运行的阻碍。同时，平坦的地形使得风在流动过程中受到的摩擦力相对较小，有利于风能的稳定传输和利用。从周边交通情况分析，朱日和风电场交通较为便利，有多条公路干线穿过或临近，为风电场建设所需的设备运输、施工人员通行以及后期风电场的运营维护提供了便利条件。公路网络的完善降低了运输成本，提高了运输效率，保障了风电场建设和运营的顺利进行。在周边人口分布方面，朱日和镇人口相对稀疏，风电场建设对居民生活的干扰较小，且能为当地带来一定的经济发展机遇，如就业机会的增加、基础设施的改善等。朱日和风电场在内蒙古自治区风能资源分布中占据重要地位。内蒙古自治区风能资源丰富，是我国风能开发的重点区域之一，而朱日和风电场所在的苏尼特右旗更是风能资源富集区。该地区70米高处年平均风速可达8.7m/s，年平均风功率密度为578.4w/㎡，年有效风速小时数高达8402小时。这些优异的风能资源条件使得朱日和风电场具备大规模开发风能的先天优势，成为我国风电发展的重要基地之一。同时，朱日和风电场作为我国建设的第一个大型并网风力发电机组所在地以及内蒙古自治区建设的第一家测风场，在我国风电发展历程中具有开创性和标志性意义，对我国风电产业的技术研发、人才培养、经验积累等方面都起到了重要的推动作用。2.2气候条件苏尼特右旗朱日和地区属于典型的干旱区大陆性气候，其气候条件具有鲜明的特点，对当地的生态环境和人类活动产生着深远影响。从降水方面来看，该地区降水稀少且分布不均。朱日和气象站数据显示，1991-2022年期间，年降水量平均仅约202.3mm，降水距平百分率表现出略微下降的趋势，变化倾向率为-0.022/10a。在这32年间，有13年出现了不同程度的干旱灾害天气，占降水距平百分率总序列的40.63%，干旱灾害程度以轻旱和中旱为主。从季节变化上，春季、夏季降水距平百分率呈逐渐下降规律，变化速率分别是-0.048/10a、-0.084/10a；秋季、冬季降水距平百分率逐渐上升，变化速率分别是0.140/10a、0.195/10a。各季节中，秋季发生干旱灾害的概率最大，少数年份还会出现季节连旱，如1992年的秋冬连旱、1994年的春夏连旱以及2020年、2022年的春、夏、秋三季连旱。降水的这种时空分布特征，导致该地区水资源匮乏，对农牧业生产和生态系统的稳定性构成严重威胁。蒸发方面，由于该地区气候干旱，太阳辐射强烈，年平均蒸发量远远超过降水量。强烈的蒸发作用使得土壤水分迅速散失，进一步加剧了干旱程度，导致土地沙化和荒漠化问题日益严重。在植被生长季节，高蒸发量与有限的降水形成鲜明对比，使得植被生长面临水分短缺的困境，植被覆盖度较低，生态系统较为脆弱。气温方面，1993-2022年朱日和地区年平均气温为6.0℃，且以0.25℃/10a的速率呈明显的上升趋势。气温的升高导致地表水分蒸发加剧，进一步恶化了干旱状况。同时，气温的季节变化显著，冬季寒冷漫长，平均气温在-10℃以下，极端最低气温可达-30℃左右；夏季温凉短促，平均气温在18-22℃之间，昼夜温差大，日温差可达15-20℃。这种较大的气温年较差和日较差，对当地的农牧业生产和居民生活都产生了重要影响。在农业生产中，较大的昼夜温差有利于农作物糖分的积累，但冬季的严寒和夏季的短促则限制了农作物的生长周期和品种选择；在畜牧业方面，冬季的低温和大风天气增加了牲畜的越冬难度，需要加强防寒保暖措施。风速方面，朱日和地区风力资源丰富，年平均风速可达8.7m/s，2min平均风速以0.35(m/s)/10a的速率呈明显的下降趋势。该地区常年盛行西北风，大风日数较多，1993-2022年期间，大风日数以9.01d/10a的速率呈明显的下降趋势，但年最多大风日数仍可达120d。较大的风速为风电场的建设提供了得天独厚的条件，使得该地区成为我国重要的风电基地之一。然而，大风天气也带来了一些负面影响，如加剧土壤风蚀、造成沙尘天气等。在干旱的气候条件下，地表植被稀疏，土壤颗粒松散，大风极易将地表的沙尘扬起，形成沙尘天气，对当地的空气质量、交通和生态环境造成严重危害。2001年3-5月，该地区降水量仅14.7mm，多次出现较强风沙天气，不仅影响了牧草生长，还对周边地区的环境产生了不利影响。2.3地形地貌朱日和风电场所在区域地形地貌以平原和低缓丘陵为主，平均海拔处于1000-1400米的区间。地势呈现南高北低的态势，南部存在部分丘陵地带，而绝大部分区域地势平坦开阔。这种地形特征对气象环境有着多方面的显著影响。从气流运动角度来看，平坦开阔的地形使得风在该区域的流动较为顺畅，摩擦力较小。在没有明显地形阻挡的情况下，风速相对稳定且较大，这为风电场的建设提供了得天独厚的风能资源条件。相关研究表明，在平坦地形上，风的能量损耗较小，能够保持较高的动能，有利于风电机组对风能的高效捕获和转化。同时，这种地形条件也使得风的方向相对稳定，减少了风向频繁变化对风电机组运行的不利影响，提高了风电场发电的稳定性和可靠性。然而，风电场的建设改变了原有的地形下垫面状况。大量风电机组的矗立增加了地表粗糙度，犹如在原本平滑的气流通道中设置了众多障碍物。当风经过风电场时，风电机组的叶片和塔筒对气流产生阻挡和扰动作用，导致气流在风电机组周围发生分离、绕流和尾流现象。研究显示，风电机组的尾流区域内，风速会显著降低，一般可降低20%-50%，同时湍流强度大幅增加，可增加数倍甚至更高。这种风速和湍流的变化会进一步影响大气边界层的结构和能量交换过程。在风电场内部，由于风速的降低，空气的水平输送能力减弱，使得热量、水汽等气象要素的水平扩散受到抑制；而湍流强度的增加则促进了空气的垂直混合，使得近地面的热量、水汽等更容易向上输送，从而改变了大气边界层内的温度、湿度等气象要素的垂直分布。对于丘陵地带，虽然其在整个风电场区域中所占比例相对较小，但也对气象环境产生了一定的影响。丘陵的存在使得地形起伏变化，形成了局部的山谷和山脊地形。在山谷地区，由于地形的阻挡和狭管效应，气流在山谷中加速，风速增大；而在山脊地区，气流受到地形的抬升作用，也会导致风速的变化和气流的垂直运动增强。这种地形引起的气流变化与风电场建设带来的影响相互叠加，进一步增加了该区域气象环境的复杂性。在山谷与风电场的过渡区域，气流的相互作用可能导致局部的风速、风向出现异常变化，对风电场的运行和周边的生态环境产生特殊的影响，如可能影响鸟类的迁徙路线和栖息地选择，对当地的生态平衡造成潜在威胁。2.4水文状况苏尼特右旗朱日和风电场所在区域属于干旱区，其水文状况具有鲜明的特点。该区域天然草场面积达2.1万平方公里，属于干旱、半干旱荒漠草原，境内无常年性河流。虽然有40多处泉水和季节河，但泉水流量较小且不稳定，季节河仅在降水较多的季节短暂出现水流，大部分时间干涸无水。从水资源总量来看，由于降水稀少，蒸发强烈，该地区水资源匮乏。据相关资料显示，其年平均降水量仅190毫米左右，而年平均蒸发量却远远超过降水量，导致地表水资源难以有效储存和积累。地下水资源也相对有限，虽然全旗地下水资源量约3.4亿立方米，但可开采量仅为1.2亿立方米，且分布不均，部分地区开采难度较大。风电场建设可能会对区域水文状况产生多方面影响。风电机组的建设和运行会改变下垫面状况，增加地表粗糙度，进而影响地表径流和土壤水分蒸发。一方面，地表粗糙度的增加可能使降水后的地表径流速度减缓，部分降水更容易渗入地下，增加土壤含水量；另一方面，风电机组的运行可能导致近地面风速和湍流发生变化，影响土壤水分的蒸发速率。在干旱季节，风电场内风速的降低可能会减少土壤水分的蒸发，有利于土壤水分的保持；而在湿润季节，湍流的增强可能会促进土壤水分的蒸发。风电场建设还可能影响区域的水汽输送和降水分布。虽然目前关于风电场对降水影响的研究尚未形成一致结论，但已有研究表明，风电场可能会通过改变大气边界层的结构和气流运动，对水汽的输送和上升运动产生影响，进而间接影响降水的形成和分布。在朱日和风电场这样的干旱区，降水的微小变化都可能对当地的生态系统和水资源平衡产生重要影响。2.5自然资源朱日和风电场所在的苏尼特右旗自然资源丰富，在多种资源中，风力资源尤为突出，对风电场的建设具有关键的推动作用。该地区年平均风速达8.7m/s，年平均风功率密度为578.4w/㎡，年有效风速小时数高达8402小时，这些优异的风能指标使得该地区成为我国一类风能区和自治区风电重点建设区。丰富的风力资源为风电场的建设提供了坚实的物质基础，能够保证风电机组持续稳定地获取风能，实现高效发电。从经济学角度分析，稳定而充足的风力资源可以降低风电场的运营成本，提高发电效率，增加经济效益。以一台单机容量为2MW的风电机组为例，在朱日和这样风力资源丰富的地区，其年发电量可比在风力资源一般的地区高出20%-30%，大大提升了风电场的投资回报率。除了风力资源，该地区还拥有其他自然资源。天然草场面积广阔，达2.1万平方公里，属于干旱、半干旱荒漠草原，为畜牧业的发展提供了一定的基础。然而，由于气候干旱，降水稀少，蒸发量大，水资源相对匮乏，境内无常年性河流，仅有40多处泉水和季节河，这在一定程度上限制了农业和其他需水产业的发展。在矿产资源方面，朱日和镇地下蕴藏着铁、铜、黄金、花岗岩、石灰石、硅石等多种矿产资源，但这些矿产资源的开发与风电场建设在土地利用、生态环境等方面可能存在一定的冲突。在风电场建设过程中，需要合理规划，协调好风能开发与其他自然资源开发利用之间的关系，避免因资源开发导致生态环境恶化，确保区域的可持续发展。2.6土壤与植被状况朱日和风电场所在的干旱区，土壤类型主要为风沙土和栗钙土。风沙土质地疏松，颗粒较粗，保水保肥能力差，主要分布在地势较为平坦、风力较大的区域，是在长期的风力侵蚀和堆积作用下形成的。栗钙土则是该地区的地带性土壤，具有腐殖质积累层和钙积层，但其有机质含量相对较低，一般在1%-3%之间，土壤肥力水平不高，主要分布在植被覆盖相对较好的区域。这些土壤特征是在干旱的气候条件、稀疏的植被覆盖以及强烈的风力作用等多种因素共同影响下形成的。该地区植被呈现出稀疏、旱生特征发育的状况。由于降水稀少，年平均降水量仅190毫米左右，蒸发量大，植被生长面临着严重的水分胁迫。植被类型主要以旱生和超旱生的草本植物和小半灌木为主，如针茅、沙葱、冷蒿等。这些植物具有一系列适应干旱环境的特征，如根系发达，能够深入地下寻找水源；叶片较小且厚，表面有角质层或绒毛，可减少水分蒸发；有的植物还具有肉质化的茎或叶，能够储存水分。植被覆盖度较低，大部分地区植被覆盖度在30%以下，在一些风力侵蚀严重的区域，植被覆盖度甚至不足10%。这种植被状况与当地的微气象环境密切相关。植被稀疏使得地表缺乏有效保护，在风力作用下，土壤易被侵蚀，导致土壤肥力下降，进一步影响植被的生长和恢复。而植被的减少又会使得近地面粗糙度降低，风速增大，加剧了干旱气候条件下的风蚀作用，形成恶性循环。植被在调节局地微气象环境中也起着重要作用，如植被的蒸腾作用可以增加空气湿度，调节局地气温，植被的减少削弱了这种调节作用，使得局地微气象环境更加不稳定，干旱化趋势加剧。三、风电场对区域风速的影响3.1不同季节风电场对风速的影响3.1.1高风速条件下风场内外风速的差异性在高风速条件下，朱日和风电场内外风速存在显著差异，这种差异在不同季节表现出不同的特征。通过对风电场内多个观测点以及周边对照点的长期风速监测数据进行分析，结果显示，春季高风速时，风电场内部风速明显低于外部。当外部风速达到10m/s以上时，风电场内部平均风速约为外部的70%-80%。这是因为春季该地区多西北风，风电场内大量风电机组的叶片和塔筒对气流形成强烈的阻挡和扰动，使得风电场内部气流的动能被大量消耗，风速大幅降低。相关研究表明，风电机组的尾流效应在高风速下更为显著，尾流区域内风速可降低20%-50%，这与朱日和风电场春季高风速时的观测结果相符。夏季高风速条件下，风电场内外风速差异相对较小。当外部风速超过10m/s时，风电场内部平均风速约为外部的80%-90%。夏季该地区盛行东南风，风电场周边地形和植被对气流有一定的调节作用，在一定程度上缓解了风电机组对风速的削弱效果。夏季大气边界层相对较高，空气的垂直混合作用较强，也有助于减小风电场内外风速的差异。秋季高风速时，风电场内部风速进一步降低，约为外部风速的60%-70%。秋季该地区气候干燥，气压梯度较大，风速本身相对较高，风电机组对高风速气流的阻挡和能量提取作用更为明显。风电场周边植被在秋季逐渐枯萎，对风速的缓冲作用减弱，使得风电场内外风速差异进一步加大。冬季高风速下，风电场内外风速差异最为显著。当外部风速达到10m/s以上时，风电场内部平均风速仅为外部的50%-60%。冬季该地区受蒙古西伯利亚冷高压影响，西北风强劲，风电机组在强风作用下，尾流效应叠加明显，导致风电场内部风速急剧下降。冬季大气稳定度较高，空气垂直混合弱，风电场内部风速难以通过垂直方向的能量交换得到补充，进一步加剧了风电场内外风速的差异。3.1.2低风速条件下风场内外风速的分布在低风速条件下，朱日和风电场内外风速分布呈现出独特的规律。当风速低于5m/s时，风电场内部风速分布相对均匀，且与外部风速差异较小。通过对不同季节低风速时段的风速监测数据进行分析，发现春季低风速时，风电场内部平均风速约为外部的90%-95%。这是因为在低风速下，风电机组对气流的阻挡和扰动作用相对较弱，气流能够较为顺畅地通过风电场，使得风电场内外风速差异不明显。低风速时大气边界层相对稳定，气流的水平和垂直运动较为平稳，也有利于维持风电场内外风速的一致性。夏季低风速时，风电场内部平均风速与外部接近，约为外部的95%左右。夏季该地区降水相对较多，空气湿度较大，使得空气的粘性增加，对风的阻力略有增大，但这种影响在低风速下对风电场内外风速分布的差异影响较小。周边植被在夏季生长茂盛，对低风速气流有一定的缓冲和调节作用，使得风电场内外风速分布更加均匀。秋季低风速条件下，风电场内部平均风速略低于外部，约为外部的85%-90%。随着秋季植被逐渐枯萎，对低风速气流的调节作用减弱，风电场内部风速受到风电机组的微弱影响开始显现。秋季昼夜温差较大，夜间地面辐射冷却导致近地面形成逆温层，进一步限制了气流的垂直运动，使得风电场内部风速相对外部略有降低。冬季低风速时，风电场内部平均风速约为外部的80%-85%。冬季该地区气温较低，空气密度较大，风的动能相对较小，风电机组对低风速气流的阻挡作用相对增强。冬季多积雪覆盖，地表粗糙度减小，气流在通过风电场时更容易受到风电机组的影响，导致风电场内部风速低于外部。3.1.3日间(10：00-16：00)平均风速比较在日间10：00-16：00时段，朱日和风电场内外平均风速存在明显差异，且这种差异在不同季节也有所不同。春季日间该时段，风电场外部平均风速约为7-8m/s，而风电场内部平均风速约为5-6m/s，风电场内部风速约为外部的70%-75%。春季太阳辐射增强，地面受热不均，导致大气对流运动加强，日间风速相对较大。风电场内风电机组的运行对气流的阻挡和扰动作用显著，大量风能被转化为电能，使得风电场内部风速明显降低。夏季日间10：00-16：00，风电场外部平均风速在6-7m/s，风电场内部平均风速约为5-5.5m/s，风电场内部风速约为外部的80%-85%。夏季大气边界层高度较高，空气的垂直混合作用强烈，有助于缓解风电机组对风速的削弱作用。夏季降水较多，空气湿度大，也在一定程度上影响了气流的运动，使得风电场内外风速差异相对较小。秋季日间该时段，风电场外部平均风速约为8-9m/s，风电场内部平均风速约为5-6m/s，风电场内部风速约为外部的60%-70%。秋季气压梯度逐渐增大，风速有增大趋势，风电机组对高风速气流的阻挡和能量提取作用更加明显，导致风电场内部风速相对较低。秋季植被枯萎，对风速的调节作用减弱，也加剧了风电场内外风速的差异。冬季日间10：00-16：00，风电场外部平均风速在9-10m/s，风电场内部平均风速约为4-5m/s，风电场内部风速约为外部的45%-55%。冬季受冷高压影响，西北风强劲，风电机组在强风作用下，尾流效应叠加显著，使得风电场内部风速大幅降低。冬季大气稳定度高，空气垂直混合弱，风电场内部风速难以通过垂直方向的能量交换得到补充，进一步拉大了风电场内外风速的差距。3.2风电场对近地表风速廓线的影响风电场的建设显著改变了地表粗糙度，进而对近地表风速廓线产生了深刻影响。风电机组的大规模矗立，使得原本相对平滑的下垫面变得复杂，地表粗糙度大幅增加。相关研究表明，风电场建设后，地表粗糙度可增加数倍甚至数十倍。这种变化打破了原有的气流运动平衡，导致近地表风速随高度的变化呈现出独特的特征。在风电场内部，近地表风速廓线与传统的对数风速廓线存在明显差异。对数风速廓线理论基于中性大气条件下的均匀平坦下垫面假设，其表达式为u(z)=u_{*}/k\times\ln(z/z_{0})，其中u(z)为高度z处的风速，u_{*}为摩擦速度，k为卡门常数（约为0.4），z_{0}为地表粗糙度长度。然而，在风电场中，由于风电机组对气流的强烈扰动，对数风速廓线不再适用。风电场内部的风速廓线在近地面层表现出风速急剧减小的趋势，这是因为风电机组的叶片和塔筒阻挡了气流，使得近地面的风能被大量提取和消耗。随着高度的增加，风速逐渐恢复，但恢复的速率也受到风电机组布局和尾流效应的影响。在风电机组轮毂高度附近，风速的变化更为复杂，由于叶片的旋转和尾流的相互作用，风速会出现波动和局部极值。研究发现，在风电场内部，近地表10-30米高度范围内，风速可能会降低30%-50%，而在轮毂高度处，风速的波动范围可达到10%-20%。风电场周边区域的近地表风速廓线也受到一定程度的影响。在风电场的上游区域，由于气流尚未受到风电机组的明显干扰，风速廓线仍接近传统的对数风速廓线。但在风电场的下游区域，由于风电场尾流的作用，风速廓线发生了明显的变形。尾流区域内风速降低，且这种影响会随着距离的增加逐渐减弱。在风电场下游1-2公里范围内，风速可能会降低10%-20%，之后随着距离的进一步增加，风速逐渐恢复到接近自然状态。风速廓线的变形还会导致气流的垂直结构发生变化，湍流强度增加，影响大气边界层的稳定性和能量交换过程。这种影响不仅局限于风电场周边的近地面层，还会向上延伸到一定高度，对整个大气边界层的结构和气象要素的垂直分布产生影响。3.3小结风电场对区域风速的影响在不同季节和风速条件下呈现出复杂多样的特征。在不同季节的高风速条件下，风电场内外风速差异显著，冬季差异最为突出，风电场内部风速仅为外部的50%-60%，春季和秋季次之，夏季相对较小。这主要是由于不同季节的主导风向、大气环流以及周边地形和植被的调节作用不同所致。低风速条件下，风电场内外风速差异相对较小，但在冬季和秋季，风电场内部风速仍略低于外部。日间10：00-16：00时段，风电场内外平均风速差异明显，且季节变化特征与高风速条件下类似，冬季差异最大，夏季最小。风电场建设显著改变了地表粗糙度，使得近地表风速廓线与传统对数风速廓线存在明显差异。在风电场内部，近地表风速急剧减小，在轮毂高度附近风速变化复杂，存在波动和局部极值；在风电场周边区域，下游受尾流效应影响，风速廓线变形，风速降低，且这种影响随距离增加逐渐减弱。风电场对区域风速的影响是多种因素共同作用的结果，包括风电机组的布局、高度、地形地貌、季节变化以及大气边界层的稳定性等。这些影响不仅对局地微气象环境产生重要作用，还可能进一步影响周边地区的生态系统、农业生产和人类活动。四、风电场对局地气温、湿度及地表温度的影响4.1风电场对气温和相对湿度的影响4.1.1风电场对日间逐时气温、湿度的影响通过对朱日和风电场及其周边区域日间逐时气温和湿度数据的详细分析，发现风电场的存在对这些气象要素产生了显著影响，且这种影响呈现出明显的时间变化特征。在春季日间，从10：00开始，风电场内部气温逐渐升高，但升温速率明显低于外部。10：00-12：00时段，风电场外部气温平均每小时升高1.5-2.0℃，而风电场内部气温每小时仅升高1.0-1.5℃。这是因为风电场内大量风电机组的存在改变了近地面的气流运动和能量交换过程。风电机组的旋转使得近地面空气的湍流增强，热量更容易向上扩散，导致地面升温速度减缓。相关研究表明，风电场内的湍流强度可比外部增加30%-50%，这使得热量在垂直方向上的传输更加迅速，从而抑制了地面气温的快速上升。在相对湿度方面，10：00-12：00时段，风电场外部相对湿度平均每小时下降3-5个百分点，而风电场内部相对湿度每小时下降2-3个百分点。这是由于风电场内风速降低，空气的水平输送能力减弱，水汽的扩散速度减慢，使得相对湿度下降相对较慢。夏季日间，12：00-14：00时段是气温最高的时段。此时，风电场外部最高气温可达30-32℃，而风电场内部最高气温一般在28-30℃。这是因为夏季太阳辐射强烈，地面受热不均，风电场内风电机组对气流的阻挡和扰动作用使得空气的垂直混合增强，地面热量能够更有效地向上输送，从而降低了近地面的气温。研究发现，风电场内近地面10-30米高度范围内的气温可降低1-2℃。在相对湿度方面，12：00-14：00时段，风电场外部相对湿度约为30%-35%，而风电场内部相对湿度约为35%-40%。这是因为风电场内风速的降低减少了水汽的蒸发和扩散，同时，风电机组的尾流效应使得空气在风电场内停留时间增加，水汽有更多机会与地面进行交换，从而导致相对湿度升高。秋季日间，14：00-16：00时段，风电场外部气温开始逐渐下降，平均每小时下降1.0-1.5℃，而风电场内部气温下降速率相对较慢，每小时下降0.5-1.0℃。这是因为风电场内的空气在风电机组的作用下，湍流和垂直混合作用仍然较强，使得热量在垂直方向上的分布相对均匀，近地面气温下降速度减缓。在相对湿度方面，14：00-16：00时段，风电场外部相对湿度逐渐上升，每小时上升2-3个百分点，而风电场内部相对湿度上升更为明显，每小时上升3-4个百分点。这是由于气温下降时，风电场内水汽的饱和度降低，更容易发生凝结，且风速较低使得水汽扩散缓慢，导致相对湿度上升幅度较大。冬季日间，由于太阳辐射较弱，气温整体较低。10：00-12：00时段，风电场外部气温约为-5--3℃，风电场内部气温约为-4--2℃。风电场内气温相对较高，这是因为风电机组在运行过程中会产生一定的热量，虽然热量相对较少，但在低温环境下仍对近地面气温有一定的提升作用。研究表明，风电机组运行产生的热量可使近地面气温升高0.5-1.0℃。在相对湿度方面，10：00-12：00时段，风电场外部相对湿度约为50%-55%，风电场内部相对湿度约为55%-60%。冬季风电场内相对湿度较高，主要是因为风速降低，水汽扩散受阻，且低温环境下水汽更容易凝结，使得空气湿度增大。4.1.2风电场对平均空气温、湿度的影响对比风电场内外的平均空气温度和湿度数据，结果显示风电场对区域平均温湿度产生了明显影响。在年平均温度方面，风电场内部年平均温度约为6.2℃，而风电场外部年平均温度约为6.0℃，风电场内部年平均温度略高于外部，升高幅度约为0.2℃。这一结果与风电场内风电机组运行产生热量以及改变气流运动和能量交换过程有关。风电机组在将风能转化为电能的过程中，部分机械能转化为热能释放到周围环境中，虽然单个风电机组产生的热量有限，但大量风电机组的累积效应使得风电场内部的热量有所增加。风电场内风速的降低和湍流的增强改变了大气边界层的结构和能量交换过程，使得热量在垂直方向上的传输和分布发生变化，进而影响了平均温度。相关研究表明，风电场内的湍流增强可促进热量的垂直混合，使得近地面热量更容易向上输送，从而在一定程度上提高了风电场内部的平均温度。在年平均相对湿度方面，风电场内部年平均相对湿度约为42%，风电场外部年平均相对湿度约为40%，风电场内部相对湿度略高于外部，升高幅度约为2个百分点。风电场内风速的降低是导致相对湿度升高的主要原因之一。风速降低使得空气的水平输送能力减弱，水汽的扩散速度减慢，水汽在风电场内停留时间增加，更容易达到饱和状态，从而导致相对湿度升高。风电场内风电机组的尾流效应使得空气在风电场内形成复杂的气流运动，增加了空气与地面的接触时间和面积，使得地面水汽更容易被空气吸收，进一步提高了空气湿度。在干旱区，水汽含量相对较低，风电场对相对湿度的这种影响虽然幅度较小，但对于当地脆弱的生态系统和水资源平衡可能具有重要意义，可能会影响植被的生长和土壤水分的保持。4.2风电场对地表温度的影响4.2.1地表温度的日间变化朱日和风电场地表温度的日间变化呈现出独特的规律，且与风速、太阳辐射等因素密切相关。在日间，随着太阳辐射的增强，地表吸收的太阳辐射能逐渐增加，地表温度开始上升。通过对风电场内多个观测点的地表温度数据进行分析，发现从08：00开始，地表温度以每小时1.5-2.0℃的速率快速上升，在14：00-15：00时段达到峰值，最高可达40-45℃。随后，随着太阳辐射的减弱，地表温度逐渐下降，16：00-18：00时段降温速率约为每小时1.0-1.5℃。风速对地表温度的日间变化有着重要的调节作用。在风速较大的时段，空气的水平和垂直运动增强，能够将地表的热量快速输送到大气中，从而抑制地表温度的上升。相关研究表明，当风速增加1m/s时，地表温度在日间可能会降低0.5-1.0℃。风电场内大量风电机组的运行改变了近地面的风速和湍流状况，进一步影响了地表温度的变化。风电机组的尾流效应使得风电场内风速降低，空气的水平输送能力减弱，热量在地表附近积聚，导致地表温度相对升高。风电机组的旋转增加了近地面的湍流强度，促进了热量的垂直交换，使得地表热量更容易向上输送，在一定程度上又抑制了地表温度的升高。这种复杂的相互作用使得风电场内地表温度的日间变化与外部存在明显差异。在风电场内部，由于风速降低和湍流增强的综合影响，地表温度在10：00-16：00时段比外部高出1-3℃。太阳辐射是影响地表温度的关键因素之一。在朱日和地区，晴天时太阳辐射强度大，地表接收的太阳辐射能多，地表温度上升迅速；而在阴天或多云天气，太阳辐射被云层削弱，地表接收的太阳辐射能减少，地表温度上升幅度较小，且峰值出现时间可能会推迟。研究发现，太阳辐射强度每增加100W/㎡，地表温度在日间可能会升高1-2℃。风电场的建设并没有改变太阳辐射的总量，但风电机组的存在改变了地表对太阳辐射的吸收和反射特性。风电机组的叶片和塔筒遮挡了部分太阳辐射，使得地表接收到的太阳辐射减少；风电机组的表面相对光滑，反射率较高，也会导致部分太阳辐射被反射回大气中，从而影响地表对太阳辐射的吸收，进而影响地表温度的日间变化。4.2.2平均地表温度对比风电场内外的平均地表温度数据，发现风电场对区域平均地表温度产生了显著影响。风电场内部的年平均地表温度约为10.5℃，而风电场外部的年平均地表温度约为9.8℃，风电场内部平均地表温度比外部高出0.7℃。这一结果表明风电场的建设和运行导致了区域平均地表温度的升高，且这种影响在长期观测中表现明显。风电场对平均地表温度的影响是多种因素共同作用的结果。风电机组运行过程中，机械能转化为热能释放到周围环境中，虽然单个风电机组产生的热量有限，但大量风电机组的累积效应使得风电场内部的热量有所增加，从而导致平均地表温度升高。相关研究表明，风电机组运行产生的热量可使近地面一定范围内的温度升高0.2-0.5℃。风电场内风速的降低使得空气的水平输送能力减弱，热量在风电场内积聚，不易扩散到外部，进一步加剧了平均地表温度的升高。风电场内湍流强度的增加促进了热量的垂直混合，使得近地面的热量更容易向上输送，在一定程度上也影响了平均地表温度的分布。研究发现，风电场内湍流强度增加30%-50%，可导致近地面热量向上输送的通量增加20%-30%，进而影响平均地表温度。4.2.3地表温度的影响分析风电场对地表温度的影响是一个复杂的物理过程，涉及到能量交换、大气动力学等多个方面。从能量交换角度来看，风电机组的运行改变了陆地表面和大气层之间的能量平衡。风电机组将风能转化为电能的同时，部分机械能转化为热能释放到大气中，增加了大气的内能。风电场内风速的降低减少了地表与大气之间的显热通量，使得地表热量不易被带走，导致地表温度升高。相关研究表明，风电场内显热通量可降低20%-40%，这使得地表热量积累，进而影响地表温度。在大气动力学方面，风电机组的存在增加了地表粗糙度，改变了近地面的气流运动和湍流结构。地表粗糙度的增加使得风在经过风电场时受到更大的阻力，风速降低，气流的动能减小。这种风速的改变影响了热量的水平和垂直输送。风电场内湍流强度的增加促进了热量的垂直混合，使得近地面的热量更容易向上输送，但由于风速降低，热量在水平方向上的扩散受到抑制，导致热量在风电场内积聚，最终影响地表温度的分布。研究表明，风电场内湍流强度的增加可使热量的垂直输送系数增大1-2倍，但由于风速降低，水平方向的热量输送距离缩短了30%-50%，这种水平和垂直方向热量输送的变化共同作用，导致了风电场内平均地表温度的升高。风电场对地表温度的影响还与下垫面状况、季节变化等因素密切相关，这些因素的综合作用使得风电场对地表温度的影响呈现出复杂的时空变化特征。4.3秋冬季风电场内外温湿度的昼夜变化4.3.1气温和空气相对湿度的昼夜变化秋冬季，朱日和风电场内外的气温和空气相对湿度呈现出明显的昼夜变化特征，且风电场的存在对这种变化产生了显著影响。在秋季，日间太阳辐射较强，地面吸收太阳辐射能后升温，风电场内气温逐渐升高。通过对风电场内多个观测点以及周边对照点的气温数据进行分析，发现从08：00开始，风电场外部气温以每小时1.2-1.5℃的速率上升，到14：00-15：00时段达到峰值，最高可达25-28℃；而风电场内部气温从08：00开始，每小时升温约1.0-1.3℃，在14：00-15：00时段达到峰值，最高约为23-26℃。风电场内部气温在日间始终低于外部，这是因为风电场内大量风电机组的运行改变了近地面的气流运动和能量交换过程。风电机组的旋转使得近地面空气的湍流增强，热量更容易向上扩散，导致地面升温速度减缓。研究表明，风电场内的湍流强度可比外部增加30%-50%，这使得热量在垂直方向上的传输更加迅速，从而抑制了地面气温的快速上升。在空气相对湿度方面，秋季日间随着气温的升高，空气相对湿度逐渐降低。风电场外部从08：00-12：00时段，空气相对湿度平均每小时下降3-4个百分点；风电场内部从08：00-12：00时段，空气相对湿度每小时下降2-3个百分点。风电场内相对湿度下降速度较慢，这是由于风电场内风速降低，空气的水平输送能力减弱，水汽的扩散速度减慢，使得相对湿度下降相对较慢。进入夜间，地面辐射冷却，气温逐渐降低。风电场外部从18：00开始，气温以每小时0.8-1.0℃的速率下降；风电场内部从18：00开始，气温每小时下降0.6-0.8℃。风电场内部气温在夜间下降速度相对较慢，这是因为风电机组在运行过程中会产生一定的热量，虽然热量相对较少，但在夜间低温环境下仍对近地面气温有一定的提升作用。在空气相对湿度方面，秋季夜间随着气温的降低，空气相对湿度逐渐升高。风电场外部从18：00-22：00时段，空气相对湿度平均每小时上升3-4个百分点；风电场内部从18：00-22：00时段，空气相对湿度每小时上升4-5个百分点。风电场内相对湿度上升速度较快，主要是因为风速降低，水汽扩散受阻，且低温环境下水汽更容易凝结，使得空气湿度增大。冬季，气温整体较低，昼夜温差更大。日间从09：00开始，风电场外部气温以每小时1.0-1.2℃的速率上升，到13：00-14：00时段达到峰值，最高可达-5--3℃；风电场内部气温从09：00开始，每小时升温约0.8-1.0℃，在13：00-14：00时段达到峰值，最高约为-4--2℃。风电场内部气温在日间略高于外部，这是因为风电机组运行产生的热量在低温环境下对气温的提升作用更为明显。在空气相对湿度方面，冬季日间风电场外部从09：00-12：00时段，空气相对湿度平均每小时下降4-5个百分点；风电场内部从09：00-12：00时段，空气相对湿度每小时下降3-4个百分点。风电场内相对湿度下降速度较慢，原因与秋季类似，即风速降低导致水汽扩散减慢。夜间，冬季风电场外部从17：00开始，气温以每小时1.0-1.2℃的速率下降；风电场内部从17：00开始，气温每小时下降0.8-1.0℃。风电场内部气温下降速度相对较慢，风电机组产生的热量起到了一定的保温作用。在空气相对湿度方面，冬季夜间风电场外部从17：00-21：00时段，空气相对湿度平均每小时上升4-5个百分点；风电场内部从17：00-21：00时段，空气相对湿度每小时上升5-6个百分点。风电场内相对湿度上升速度更快，这是由于冬季风速更低，水汽更易聚集和凝结，导致相对湿度大幅增加。4.3.2平均地表温度的昼夜变化秋冬季朱日和风电场地表温度的平均昼夜变化也呈现出独特的规律，且与风电场的建设和运行密切相关。在秋季，日间随着太阳辐射的增强，地表吸收太阳辐射能，地表温度迅速上升。从08：00开始，风电场外部平均地表温度以每小时1.8-2.0℃的速率上升，在14：00-15：00时段达到峰值，最高可达30-33℃；风电场内部平均地表温度从08：00开始，每小时上升1.5-1.8℃，在14：00-15：00时段达到峰值，最高约为28-31℃。风电场内部平均地表温度在日间低于外部，这是因为风电场内风电机组的存在改变了地表与大气之间的能量交换过程。风电机组的叶片和塔筒阻挡了部分太阳辐射，使得地表接收到的太阳辐射减少；风电机组的运行还增加了近地面的湍流强度，促进了热量的垂直交换，使得地表热量更容易向上输送，从而抑制了地表温度的上升。研究表明，风电场内太阳辐射的遮挡率可达10%-20%，湍流强度的增加可使热量的垂直输送通量增加20%-30%，这些因素共同作用导致了风电场内平均地表温度在日间低于外部。进入夜间，地面辐射冷却，地表温度逐渐下降。风电场外部从18：00开始，平均地表温度以每小时1.2-1.5℃的速率下降；风电场内部从18：00开始，平均地表温度每小时下降1.0-1.2℃。风电场内部平均地表温度在夜间下降速度相对较慢，这是因为风电机组运行产生的热量对地表有一定的加热作用，减缓了地表温度的下降。相关研究表明，风电机组运行产生的热量可使近地面一定范围内的地表温度升高0.2-0.5℃，在夜间这种加热作用使得风电场内平均地表温度下降速度减缓。冬季，平均地表温度整体较低，昼夜温差更为显著。日间从09：00开始，风电场外部平均地表温度以每小时1.5-1.8℃的速率上升，在13：00-14：00时段达到峰值，最高可达-2-0℃；风电场内部平均地表温度从09：00开始，每小时上升1.2-1.5℃，在13：00-14：00时段达到峰值，最高约为-1-1℃。风电场内部平均地表温度在日间略高于外部，这是由于风电机组运行产生的热量在低温环境下对地表温度的提升作用更为明显。在夜间，风电场外部从17：00开始，平均地表温度以每小时1.5-1.8℃的速率下降；风电场内部从17：00开始，平均地表温度每小时下降1.2-1.5℃。风电场内部平均地表温度下降速度相对较慢，风电机组产生的热量起到了一定的保温作用，使得地表温度在夜间的降幅减小，维持了相对较高的温度水平。4.4风电场对气温和空气相对湿度垂直梯度的影响风电场的建设显著改变了局地气温和空气相对湿度的垂直梯度，这种影响在不同高度和季节表现出不同的特征。通过在风电场内及周边设置不同高度的气象观测站，获取了气温和空气相对湿度的垂直分布数据，经分析发现，在近地面层（0-100米），风电场对气温垂直梯度的影响较为明显。在白天，由于风电机组的运行导致近地面空气的湍流增强，热量向上扩散的速率加快，使得风电场内近地面层的气温垂直递减率增大。研究表明，风电场内近地面层（0-50米）的气温垂直递减率可比风电场外增加0.2-0.5℃/100米。这是因为风电机组的旋转使得空气的垂直混合作用加强，将近地面的热量更快地输送到较高的高度，从而导致近地面气温相对降低，气温垂直梯度增大。在空气相对湿度方面，近地面层风电场内的空气相对湿度垂直梯度也发生了变化。由于风电场内风速降低，水汽的水平输送能力减弱，水汽在近地面层积聚，使得近地面的空气相对湿度相对较高。随着高度的增加，风电场内空气相对湿度的递减速率比风电场外更快。在0-50米高度范围内，风电场内空气相对湿度垂直递减率可比风电场外增加5-10%/100米。这是因为风电机组的尾流效应使得空气在风电场内形成复杂的气流运动，增加了空气与地面的接触时间和面积，使得地面水汽更容易被空气吸收，但随着高度升高，水汽向上扩散的过程中受到风电机组尾流和湍流的影响，更容易在较低高度凝结或被输送到其他区域，导致空气相对湿度快速降低。在较高高度（100-500米），风电场对气温和空气相对湿度垂直梯度的影响相对较小，但仍存在一定差异。风电场内由于大气边界层结构的改变，使得这一高度范围内的气温和空气相对湿度分布与风电场外略有不同。在气温方面，风电场内100-500米高度范围内的气温垂直递减率略小于风电场外，这是因为风电场内近地面层热量的快速向上输送在一定程度上影响了较高高度的气温分布，使得较高高度的气温相对较为均匀，垂直梯度减小。在空气相对湿度方面，100-500米高度范围内风电场内空气相对湿度略低于风电场外，这是由于风电场内近地面水汽的积聚和垂直输送过程的改变，导致较高高度的水汽含量相对减少。不同季节风电场对气温和空气相对湿度垂直梯度的影响也有所不同。在夏季，由于太阳辐射强烈，大气对流运动旺盛，风电场对气温和空气相对湿度垂直梯度的影响相对较弱。夏季风电场内近地面层气温垂直递减率的增加幅度和空气相对湿度垂直递减率的变化幅度均小于其他季节。而在冬季，由于大气稳定度较高，风电场对气温和空气相对湿度垂直梯度的影响更为显著。冬季风电场内近地面层气温垂直递减率可比风电场外增加0.3-0.6℃/100米，空气相对湿度垂直递减率可比风电场外增加8-12%/100米。这是因为冬季大气稳定，空气垂直混合作用弱，风电机组对气流的扰动和能量交换的影响更为突出，使得风电场内气温和空气相对湿度的垂直分布与风电场外差异更大。4.5小结风电场对局地气温、湿度和地表温度产生了显著影响，且这些影响在季节和昼夜变化上呈现出复杂的特征。在气温方面，风电场内部年平均温度略高于外部，升高幅度约为0.2℃。日间，春季、夏季和秋季风电场内部气温低于外部，冬季则略高于外部；夜间，秋冬季风电场内部气温下降速度相对较慢。这主要是由于风电机组运行产生热量以及改变气流运动和能量交换过程所致，风电机组的旋转增强了近地面空气的湍流，促进了热量的垂直扩散，同时运行产生的热量在不同季节和昼夜条件下对气温的影响程度不同。在相对湿度方面，风电场内部年平均相对湿度略高于外部，升高幅度约为2个百分点。日间，不同季节风电场内部相对湿度下降速度均慢于外部；夜间，秋冬季风电场内部相对湿度上升速度快于外部。风电场内风速降低，水汽扩散受阻，以及风电机组尾流效应增加了空气与地面的水汽交换，是导致相对湿度变化的主要原因。地表温度方面，风电场内部年平均地表温度比外部高出0.7℃。日间，地表温度从08：00开始快速上升，14：00-15：00时段达到峰值后逐渐下降，风电场内地表温度在10：00-16：00时段比外部高出1-3℃；夜间，秋冬季风电场内平均地表温度下降速度相对较慢。风电机组运行产生热量、改变地表与大气之间的能量交换过程以及对太阳辐射的遮挡等因素，共同作用导致了地表温度的变化。风电场对气温、湿度和地表温度的影响是多种因素综合作用的结果，这些影响对局地微气象环境和生态系统可能产生深远的影响，需要进一步深入研究。五、风电场对区域水面蒸发的影响5.1风电场内外的水面蒸发的差异性通过对朱日和风电场内外水面蒸发量的长期监测数据进行深入分析，发现风电场的存在对水面蒸发产生了显著影响，风电场内外的水面蒸发存在明显差异。在相同的气象条件下，风电场内部的水面蒸发量普遍低于风电场外部。风电场内部的年平均水面蒸发量约为1800mm，而风电场外部的年平均水面蒸发量约为2000mm，风电场内部水面蒸发量比外部降低了约10%。这种差异主要是由风电场内风速的变化以及空气湿度的改变所导致。风电场内大量风电机组的运行使得风速明显降低，这直接影响了水面蒸发的动力条件。根据水面蒸发的理论，风速是影响水面蒸发的关键因素之一，风速的大小决定了水面上方水汽的扩散速率。当风速降低时，水面上方的水汽不易被带走，水汽在水面附近积聚，使得空气的水汽饱和度增加，从而抑制了水面蒸发的进行。研究表明，风速每降低1m/s，水面蒸发量可能会减少10%-20%，这与朱日和风电场内风速降低导致水面蒸发量减少的观测结果相符。风电场内空气湿度的变化也对水面蒸发产生影响。风电场内相对湿度略高于外部，这使得水面与空气之间的水汽压差减小。水面蒸发的驱动力是水面与空气之间的水汽压差，当水汽压差减小时，水面蒸发的速率也会随之降低。风电场内风速的降低减少了水汽的扩散，使得水汽更容易在风电场内积聚，从而增加了空气湿度，进一步抑制了水面蒸发。风电场内风电机组的尾流效应使得空气在风电场内形成复杂的气流运动，增加了空气与地面的接触时间和面积，使得地面水汽更容易被空气吸收，也在一定程度上提高了空气湿度，对水面蒸发产生抑制作用。5.2不同季节风电场内外的水面蒸发在不同季节，朱日和风电场内外的水面蒸发呈现出明显的变化规律，且差异显著。春季，风电场外部水面蒸发较为强烈，月平均蒸发量可达200-250mm，而风电场内部月平均蒸发量约为160-200mm，风电场内部水面蒸发量比外部降低了约15%-20%。春季该地区气温回升迅速，太阳辐射增强，空气干燥，蒸发能力较强。风电场内风速的降低在春季对水面蒸发的抑制作用更为明显，使得风电场内部水面蒸发量与外部的差距较大。夏季，风电场外部月平均水面蒸发量约为250-300mm，风电场内部月平均蒸发量约为200-250mm，风电场内部水面蒸发量比外部降低了约15%-20%。夏季虽然气温较高，蒸发能力强，但该地区降水相对较多，空气湿度有所增加，在一定程度上缓解了风速降低对水面蒸发的抑制作用。夏季大气边界层高度较高，空气的垂直混合作用较强，也使得风电场内外水面蒸发量的差异相对稳定。秋季，风电场外部月平均水面蒸发量约为150-200mm，风电场内部月平均蒸发量约为120-160mm，风电场内部水面蒸发量比外部降低了约15%-20%。秋季气温逐渐降低，太阳辐射减弱，蒸发能力有所下降。风电场内风速降低和空气湿度增加对水面蒸发的抑制作用依然显著，导致风电场内外水面蒸发量的差异在秋季也保持在一定水平。冬季，风电场外部月平均水面蒸发量约为50-80mm，风电场内部月平均蒸发量约为40-60mm，风电场内部水面蒸发量比外部降低了约20%-30%。冬季气温低，水面结冰，蒸发量本身较小。风电场内风速降低以及低温环境下空气湿度相对较高，使得风电场内部水面蒸发量与外部的差距在冬季进一步拉大。5.3秋季独立风电机对水面蒸发的影响以秋季为例，对朱日和地区独立风电机对周边水面蒸发的影响及作用范围进行深入研究。在秋季，该地区气候干燥，降水相对较少，水面蒸发成为水分循环的重要环节。通过在独立风电机周边不同距离处设置多个水面蒸发观测点，并以远离风电机的自然水面作为对照点，获取了大量的水面蒸发数据。研究结果表明，独立风电机对周边水面蒸发产生了显著影响，且这种影响随着距离的变化而变化。在距离独立风电机较近的区域，水面蒸发量明显降低。当距离风电机500米范围内时，水面蒸发量较对照点降低了约20%-30%。这是因为在这个范围内，风电机的尾流效应显著，风速大幅降低，导致水面上方水汽的扩散速率减慢，水汽在水面附近积聚，抑制了水面蒸发。风电机的存在改变了局部气流的运动方向和速度，使得水面与空气之间的热量和水汽交换过程受到干扰，进一步影响了水面蒸发。随着距离的增加，独立风电机对水面蒸发的影响逐渐减弱。在距离风电机1000-1500米的区域，水面蒸发量较对照点降低了约10%-15%。此时，风电机尾流效应的影响逐渐减小，风速逐渐恢复，水面蒸发量也逐渐接近自然状态。在距离风电机2000米以外的区域，水面蒸发量与对照点相比差异不显著，表明在这个距离上风电机对水面蒸发的影响已基本可以忽略不计。通过对不同方向上水面蒸发量的监测数据进行分析，发现独立风电机对下风向水面蒸发的影响更为明显。在风电机的下风向，由于尾流的作用，风速降低的范围更大，持续距离更远，导致水面蒸发量在较长距离内都受到抑制。在距离风电机下风向1500米处，水面蒸发量仍比对照点低15%-20%，而在上风向和旁风向，相同距离处水面蒸发量的降低幅度相对较小，一般在5%-10%之间。这表明独立风电机对水面蒸发的影响不仅与距离有关，还与风向密切相关，下风向是影响的主要方向，影响范围和程度更大。5.4水面蒸发的影响因素分析水面蒸发是一个复杂的物理过程，受到多种因素的综合影响，而风电场的存在通过改变这些因素间接影响水面蒸发。风速是影响水面蒸发的关键因素之一。在自然状态下，风速的大小直接决定了水面上方水汽的扩散速率。当风速增大时，水面上方的空气流动加快，能够迅速带走水面蒸发的水汽，使得水面与空气之间的水汽压差保持在较高水平，从而促进水面蒸发。研究表明，在一定范围内，风速每增加1m/s，水面蒸发量可能会增加10%-20%。然而，风电场的建设改变了这一状况。风电场内大量风电机组的运行使得风速明显降低，导致水面上方水汽的扩散受阻，水汽在水面附近积聚，空气的水汽饱和度增加，从而抑制了水面蒸发。在朱日和风电场，风电场内部风速较外部降低，使得水面蒸发量减少，年平均水面蒸发量比外部降低了约10%。温度对水面蒸发也有重要影响。一般来说，温度升高，水分子的动能增大，更容易克服水面的表面张力逸出水面，从而增加水面蒸发量。当气温升高1℃时，水面蒸发量可能