2005年2月《中華人民共和國(guó)可再生能源法》頒布以后，中國(guó)可再生能源開(kāi)發(fā)利用快速發(fā)展，尤其是風(fēng)電進(jìn)入了大規(guī)模發(fā)展階段。2006年-2009年期間，中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量連續(xù)四年翻番。截止到2013年，中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量91412.89MW(中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)除外)，位居風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量*。圖1給出了2000年-2013年河北省風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的變化，可以看出，2005年-2011年是河北省風(fēng)電的高速發(fā)展期。中國(guó)陸地風(fēng)能資源豐富區(qū)主要分布在東北、內(nèi)蒙古、華北北部、甘肅酒泉和新疆北部，如此的資源分布特點(diǎn)，決定了中國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)“大規(guī)模發(fā)展、集中式建設(shè)、遠(yuǎn)距離輸送”的發(fā)展趨勢(shì)。到2050年，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到1000GW，建設(shè)8個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)風(fēng)電基地。在這種發(fā)展形勢(shì)下，大規(guī)模風(fēng)電開(kāi)發(fā)的生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。
目前有關(guān)大型風(fēng)電場(chǎng)局地大氣環(huán)境影響方面的研究工作還不是很多。美國(guó)斯坦福大學(xué)Maria通過(guò)建立風(fēng)電機(jī)組葉片與大氣相互作用的動(dòng)量參數(shù)化關(guān)系，估算由于大型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)帶來(lái)的和區(qū)域大氣能量的損失。結(jié)果表明，如果全部用風(fēng)能滿足對(duì)能源的需求，風(fēng)能開(kāi)發(fā)對(duì)1km以下大氣層能量的損失大約0.006%-0.008%，比氣溶膠污染和城市化對(duì)大氣能量的損耗小一個(gè)量級(jí)。丹麥科技大學(xué)Risoe實(shí)驗(yàn)室Frandsen通過(guò)加大中尺度數(shù)值模式中的地表粗造度，設(shè)置了9000km2范圍的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)，用數(shù)值模擬方法研究大型風(fēng)電場(chǎng)的局地大氣環(huán)境影響效應(yīng)。結(jié)果表明，大型風(fēng)電場(chǎng)下風(fēng)向風(fēng)速減弱的影響經(jīng)過(guò)約30km-60km的距離以后就可以恢復(fù)?？傊?，現(xiàn)有的研究都是基于理論計(jì)算，大規(guī)模風(fēng)電開(kāi)發(fā)的環(huán)境影響效應(yīng)問(wèn)題還有待于深入研究。
2013年1月以來(lái)，中國(guó)中東部地區(qū)多次發(fā)生大范圍、持續(xù)性的重污染天氣，引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。國(guó)家環(huán)保部的全國(guó)空氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，京津冀地區(qū)是全國(guó)大氣污染的重災(zāi)區(qū)，其中又以河北南部城市zui為嚴(yán)重，圖2是2013年12月北京市、天津市和石家莊市首要大氣污染物PM10污染指數(shù)日變化。為了研究京津冀大氣污染是否與華北大規(guī)模風(fēng)電開(kāi)發(fā)有關(guān)系，本文將通過(guò)分析風(fēng)電場(chǎng)集中建設(shè)區(qū)的地面風(fēng)速長(zhǎng)年變化和北京市、天津市和石家莊市的污染氣象條件長(zhǎng)年變化，研究風(fēng)電大規(guī)模發(fā)展對(duì)局地大氣擴(kuò)散條件的影響。
（二）
北部及周邊地面風(fēng)速長(zhǎng)期變化
風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)使下風(fēng)向風(fēng)速減弱、湍流強(qiáng)度增強(qiáng)。為考察河北、張北、承德地區(qū)以及外圍的內(nèi)蒙古地區(qū)高速的風(fēng)電發(fā)展是否會(huì)造成下游地區(qū)較大范圍內(nèi)風(fēng)速減弱，從而影響北京市大氣污染物的擴(kuò)散，本文在河北北部及周邊內(nèi)蒙古區(qū)域內(nèi)選擇了與風(fēng)電場(chǎng)集中建設(shè)區(qū)域較近的11個(gè)氣象站，另外還選擇了受周邊環(huán)境變化影響較小的北京密云氣象站，研究1961年-2013年氣象站觀測(cè)風(fēng)速的長(zhǎng)年變化(圖3)。從圖3可以看出，1961年-2013年12個(gè)氣象站10m高度年平均風(fēng)速總體上都呈下降趨勢(shì)。內(nèi)蒙古四王子旗、化德，河北張北、懷來(lái)和樂(lè)亭的地面風(fēng)速在60年代末和70年代初較長(zhǎng)年平均明顯偏高，70年代末以后風(fēng)速一直趨于減弱。其他各氣象站的地面風(fēng)速長(zhǎng)年代變化不是很明顯，但總體上也是呈減弱的趨勢(shì)。表1列出了12個(gè)氣象站1961年-2013年平均地面風(fēng)速的長(zhǎng)年變率，可以看出，地面風(fēng)速減弱zui快的是內(nèi)蒙古四王子旗和河北張北，大約每年減小0.047m/s;其次是內(nèi)蒙古化德和河北樂(lè)亭，分別為0.040m/s/a和0.042m/s/a;年平均地面風(fēng)速減弱zui慢的是河北圍場(chǎng)和豐寧，均為0.006m/s/a。氣象站地面風(fēng)速減弱的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)形成的原因，有氣候變化背景的作用，也有城市化給氣象站周邊環(huán)境帶來(lái)的影響因素?？傮w來(lái)看，12個(gè)氣象站地面風(fēng)速的變化基本上是漸進(jìn)的，沒(méi)有看出有外力影響下的突變。尤其是在2006年-2010年風(fēng)電開(kāi)發(fā)突飛猛進(jìn)期間，12個(gè)氣象站均沒(méi)有出現(xiàn)風(fēng)速減弱速度加快的現(xiàn)象。這說(shuō)明河北北部及周邊內(nèi)蒙古區(qū)域內(nèi)目前規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，對(duì)整個(gè)區(qū)域的地面風(fēng)速變化沒(méi)有明顯影響。
京津冀地區(qū)污染氣象條件的長(zhǎng)期變化
通風(fēng)量是描述大氣對(duì)污染物稀釋擴(kuò)散能力的污染氣象參數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)為：
即在混合層高度內(nèi)，風(fēng)速與高度乘積的總和，表達(dá)了大氣動(dòng)力與熱力的綜合作用對(duì)大氣污染物的清除能力。式中VE表示通風(fēng)量，是一個(gè)通量的概念，單位m2/s;u表示近地層風(fēng)速，它隨距離地面的高度而變化，單位m/s;H為混合層高度，與大氣穩(wěn)定度和地面風(fēng)速有關(guān)，單位m。通風(fēng)量大，說(shuō)明大氣可容納污染物的空間大，也就是有利于污染物的擴(kuò)散;通風(fēng)量小，說(shuō)明混合層高度低且水平風(fēng)速小，大氣可容納污染物的空間小，擴(kuò)散能力差，容易導(dǎo)致污染物聚集，造成大氣污染。
（三）
圖312個(gè)氣象站1961年-2013年平均地面風(fēng)速(10m高度)的長(zhǎng)年變化
采用北京市、天津市和石家莊市1961年-2013年地面觀測(cè)定時(shí)資料，計(jì)算每天北京時(shí)02、08、14和20共4個(gè)時(shí)次的大氣穩(wěn)定度、混合層高度和通風(fēng)量，然后逐一求取月平均通風(fēng)量。圖4為冬季(12月、1月-2月)北京市、天津市和石家莊市月平均通風(fēng)量長(zhǎng)年變化趨勢(shì)，可以看出，從1961年-2013年北京市和石家莊市冬季月平均通風(fēng)量都有下降的趨勢(shì);天津市從1961到上世紀(jì)80年代以前，冬季月平均通風(fēng)量變化呈下降趨勢(shì)，從21世紀(jì)初開(kāi)始，冬季月平均通風(fēng)量變化呈上升趨勢(shì)。此外，石家莊市大氣對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散能力明顯比北京市和天津市差。在通風(fēng)量總體降低的變化趨勢(shì)下，如果城市建設(shè)規(guī)模、人口、機(jī)動(dòng)車以及燃煤消耗等都還在不斷增長(zhǎng)，當(dāng)大氣污染物排放達(dá)到或超出大氣環(huán)境容量時(shí)，城市空氣質(zhì)量就會(huì)對(duì)氣象條件高度敏感。只要連續(xù)兩三天出現(xiàn)不利擴(kuò)散天氣條件，大氣污染物就在空中聚集，通過(guò)二次化學(xué)反應(yīng)生成更多的細(xì)粒子，這之后天氣條件有小的好轉(zhuǎn)，也不足以清除已聚集的大氣污染物，持續(xù)數(shù)天的霾就是這樣發(fā)生的，直到一次強(qiáng)冷空氣過(guò)境或出現(xiàn)有效降水，才能*將污染物清除。從圖4可以看出，在2006年-2010年河北北部風(fēng)電高速發(fā)展期間，北京市、天津市和石家莊市的通風(fēng)量變化沒(méi)有出現(xiàn)明顯加快減弱的現(xiàn)象，說(shuō)明目前河北北部風(fēng)電開(kāi)發(fā)對(duì)京津冀地區(qū)的重污染天氣的形成沒(méi)有構(gòu)成影響。
國(guó)家氣候中心研究得到的京津冀重污染天氣的氣候?qū)W成因還有：冬季降水日數(shù)明顯減少;不僅地面風(fēng)速減小，高空風(fēng)速也在減小;對(duì)流層底層垂直逆溫增強(qiáng);相對(duì)濕度長(zhǎng)年變化也呈減小的趨勢(shì)，造成霧日數(shù)減少、霾日數(shù)增加。
（四）
京津冀地區(qū)大氣污染排放
表2為河北省2006年-2012年二氧化硫、氮氧化物和煙(粉)塵排放總量和在全國(guó)各省市中的排名，表中數(shù)據(jù)出自國(guó)家環(huán)保部環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)(http://zls.mep.gov.cn/hjtj/nb/2012tjnb/201312/t20131225_265552.htm)。可以看出，河北省三種主要大氣污染物的排放量一直位于前列，2006年-2012年期間，二氧化硫排放量有明顯減少，但年排放總量仍在120萬(wàn)噸以上;2011年-2012年氮氧化物和煙(粉)塵排放量有大幅度增長(zhǎng)，氮氧化物排放量超過(guò)170萬(wàn)噸，煙(粉)塵排放量超過(guò)120萬(wàn)噸，均位于全國(guó)*位。
（五）
根據(jù)國(guó)家環(huán)保部中國(guó)機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)(http://wfs.mep.gov.cn/dq/jdc/zh/index.htm)，2012年全國(guó)汽車保有量前五位的省份依次為廣東、山東、江蘇、浙江和河北;“黃標(biāo)車”保有量前五位的省份依次為廣東、山東、河北、河南和江蘇。2011年-2013年，河北省機(jī)動(dòng)車氮氧化物和顆粒物排放量均位于全國(guó)*，氮氧化物年排放總量50萬(wàn)噸-60萬(wàn)噸，顆粒物年排放總量5萬(wàn)噸-6萬(wàn)噸;河北省一氧化碳和碳?xì)浠衔锱欧帕烤挥?二，一氧化碳年排放總量250萬(wàn)噸-260萬(wàn)噸，碳?xì)浠衔锬昱欧趴偭?0萬(wàn)噸-35萬(wàn)噸。2014年3月8日在十二屆全國(guó)人大二次會(huì)議記者會(huì)上，國(guó)家環(huán)保部副部長(zhǎng)吳曉青在回答中外記者提問(wèn)時(shí)指出，京津冀、珠三角、長(zhǎng)三角，單位面積的污染物排放強(qiáng)度是全國(guó)平均水平的5倍。三大區(qū)域占全國(guó)國(guó)土面積的8%，但是卻消耗了全國(guó)煤炭的43%，其中以京津冀為zui大。同樣在這個(gè)區(qū)域，生產(chǎn)了占全國(guó)55%的鋼鐵、40%的水泥、52%的汽柴油，這些地方主要污染物的排放量占了全國(guó)排放量的30%。
綜上所述，河北省各種大氣污染物的工業(yè)排放量和機(jī)動(dòng)車排放量都位于*列、或是*。尤其是2011年以后，氮氧化物和顆粒物或煙(粉)塵的排放量穩(wěn)居全國(guó)*位。因此，造成京津冀地區(qū)重污染天氣的*要素應(yīng)該是過(guò)量的大氣污染排放，相比之下，風(fēng)電開(kāi)發(fā)的大氣污染環(huán)境影響微不足道。
結(jié)論
通過(guò)分析河北北部及周邊內(nèi)蒙古風(fēng)電開(kāi)發(fā)區(qū)域內(nèi)的近53年氣象站10m高度風(fēng)速長(zhǎng)年變化規(guī)律，以及近53年北京市、天津市和石家莊市通風(fēng)量的長(zhǎng)年變化規(guī)律，可以認(rèn)為，到目前為止河北北部風(fēng)電開(kāi)發(fā)對(duì)京津冀大氣污染擴(kuò)散條件沒(méi)有明顯影響。近3年以來(lái)，京津冀地區(qū)的主要大氣污染物排放量居全國(guó)*，是導(dǎo)致京津冀灰霾天氣頻頻發(fā)生的根本原因。正如國(guó)家環(huán)保部副部長(zhǎng)吳曉青所說(shuō)，重污染天氣的形成，污染物排放量大是根本原因，不利于擴(kuò)散的氣象條件是直接原因，區(qū)域污染和本地污染的疊加是重要的因素。因此，就現(xiàn)階段的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且覆蓋范圍大的重污染天氣來(lái)說(shuō)，風(fēng)電開(kāi)發(fā)的大氣污染環(huán)境影響可以忽略不計(jì)。(作者單位：國(guó)家氣候中心朱蓉)
