碳中和背景下光伏阵列对沙漠地区微气候的影响

Impact of photovoltaic arrays on microclimate in desert areas under the background of carbon neutral

摘要

目的 为更好地掌握沙漠地区光伏阵列对局地微气候的影响。 方法 选取宁夏中卫沙漠光伏产业园作为研究区域，采用自动气象站实地观测，对比分析光伏电站内与流动沙丘（对照点）气象要素和土壤温湿度的变化特征及差异。 结果 与流动沙丘（对照点）相比，光伏电站内2 m高度空气温度增加了0.13 ℃，空气湿度提高了0.85%，太阳辐射量降低了11.87 W/m²，平均风速减少了1.35 m/s；站内偏南北方向的风明显减少，主风向由原来的东北风转变为东风，风向更加单一；光伏电站内空气温度日较差显著高于站外，空气湿度日较差大于站外，夜间差异明显。电站内土壤温度分别为22.76 ℃（10 cm）、23.13 ℃（20 cm）、22.94 ℃（30 cm），较流动沙丘（对照点）分别降低1.5 ℃、1.11 ℃、0.74 ℃；电站内土壤含水量分别为 7.35%（20 cm）、8.58%（30 cm），较流动沙丘（对照点）分别增加了1.2%、0.73%；与流动沙丘（对照点）相比，夜间（8时前和21时后）光伏电站内土壤温度（10 cm）上升，4时至9时光伏电站内土壤温度（20 cm）上升；不同时刻光伏电站内不同深度土壤含水量均高于流动沙丘（对照点）。 结论 光伏阵列对近地表气象要素和土壤温湿度影响明显，站内空气温湿度具有复杂的昼夜变化特征；光伏阵列的布设可改善沙漠地区的环境因子，增加空气湿度、土壤含水量，降低太阳辐射和风速，发挥着防风固沙的作用。本研究结果可为沙漠地带未来光伏电站的可持续发展提供理论支撑，对荒漠区风光电建设的生态保护与修复具有重要的指导意义。

Abstract

Objective The study was conducted to clarify the impact of PV arrays on local microclimate in desert areas. Method We selected Photovoltaic Industrial Park in Zhongwei of Ningxia as the study area，and analyzed the characteristics of meteorological elements，soil temperature and humidity and their differences between inside the PV power plant and in the mobile sand dune (control site) through automatic weather observations. Result Compared with the mobile sand dune，the air temperature at 2 m height in the PV plant increased by 0.13 ℃，air humidity increased by 0.85%，solar radiation decreased by 11.87 W/m²,and the average wind speed decreased by 1.35 m/s.The wind in the north-south direction in the station was significantly reduced，and the main wind direction changed from the original northeast wind to the east wind，and the wind direction had become more uniform.The daily difference of the air temperature in the PV plant was significantly higher than that outside the station，and the daily difference of air humidity was greater than that outside the station，and the difference is obvious at night.The soil temperature in the power station was 22.76 ℃ (10 cm)，23.13 ℃ (20 cm)，and 22.94 ℃ (30 cm)，which were 1.5 ℃，1.11 ℃，and 0.74 ℃ lower than those in the mobile sand dune (control site)，respectively.The soil moisture content in the power station was 7.35% (20 cm) and 8.58% (30 cm)，which were 1.2% and 0.2% higher than those in the mobile sand dune (control site)，respectively.Compared with the mobile sand dune (control point)，the soil temperature (10 cm) in the PV plant increased at night from 2100 to 0800，and the soil temperature (20 cm) in the PV plant increased from 0400 to 0900.The soil water contents at different depths in the PV plant was higher than that in the mobile sand dune (control point) at different times. Conclusion PV arrays exerted obvious effects on the near-surface meteorological elements and soil temperature and humidity，and the station air temperature and humidity showed complex characteristics of day/night variation.The deployment of PV arrays could improve the environmental conditions in desert area，increase air humidity，soil water content，and reduce solar radiation and wind speed，playing the role of wind and sand control.The results can provide theoretical support for the sustainable development of future photovoltaic power stations in desert areas，and have important guiding significance for the ecological protection and restoration in wind/wind power station construction in desert areas.

Graphical abstract

关键词

微气候 / 土壤温湿度 / 光伏阵列 / 腾格里沙漠

Key words

microclimate / soil temperature and humidity / PV arrays / Tengger Desert

Author summay

张呈春，硕士研究生。E-mail： zcc19990219 @163.com

在“碳中和”目标的驱动下，我国大力推进降排减碳。在荒漠区能源转型及碳中和实施的进程中，风光电建设发挥着至关重要的作用。其中，太阳能是一种清洁的可再生能源，因其无限性、广泛可用性，正逐步成为重要的替代能源^［1］。未来时期，绿色低碳循环产业将作为西北地区高质量发展的战略选择^［2］。北方地区拥有大面积的沙漠和戈壁，因地表植被覆盖率低，太阳能资源丰富，有利于光伏产业的开发^［3］。近年来，光伏产业逐步向生态脆弱的西北地区拓展，荒漠区的能源转型与生态修复的耦合不仅对于能源系统双碳目标的达成具有重要意义，更有利于促进荒漠区生态环境的改善。光伏发电建设大大减少了太阳直接辐射，从而影响地表的辐射平衡，长期对局地微气候环境产生影响^［4］。

由下垫面性质不均与人类活动所产生的局部范围近地层的气候特点在气象学上被称为微气候^［5］。光伏电站的布设改变了区域土地覆被格局，引起了反照率、表面粗糙度和蒸散效率等因素的改变。近年来，光伏电站对区域生态环境的影响日益受到关注。局地气温、相对湿度、风场、蒸发量、太阳辐射等气象要素与光伏电站耦合的影响研究均有报道。Tanner等^［6］在莫哈韦沙漠研究发现，光伏电池板对光合有效辐射有影响，且电站特征和天气的差异影响了植物群落的变化。杨丽薇等^［7］在格尔木荒漠地区也研究发现，光伏电站内外平均净辐射差异明显，存在典型的日变化、季节变化与年变化特征。高晓清等^［8］研究发现，站内2 m气温高出站外，10 m气温低于站外，10 m高度夜晚站内空气湿度大于站外。但殷代英等^［9］在共和盆地研究发现，光伏阵列对气温和太阳辐射的影响较小，对高辐射量时段有一定影响。李琰等^［10］对撒哈拉沙漠研究发现，大规模风能与太阳能发电场可增加降水。同时，在探讨光伏阵列对微气候影响时，也需对风速风向进行分析。殷代英等^［9］研究发现，光伏电站布设后，大风速出现的比例显著降低，风向变得更加单一。杨若婷等^［11］对光伏阵列内风场研究发现，光伏阵列具有导向作用与减速作用，并且风速风向变化存在非对称性特征。但袁斌等^［12］却研究发现夏季站内风向特别分散，冬季站外风向比站内相对变化简单。不仅如此，光伏阵列对风速流场^［13］、风速脉动^［14］、输沙通量^［15］和风沙流输移特征等^［16］产生重要影响。风沙土粒度特征^［17］研究对光伏电站内防沙治沙提供科学依据，党梦娇等在库布齐沙漠研究发现，光伏电站迎风方向沉积物粗粒化现象严重，需在迎风方向建设防护措施^［18］。赵延岩等对等对戈壁地区光伏电站的基本气象要素^［19］与陆面参数特征^［20］研究发现，不同高度气温具有昼夜变化差异和季节差异，光伏阵列引起近地层空气动力学特征发生改变。此外，李少华等^［21］研究发现，在高寒荒漠草原区，光伏阵列有利于植被恢复和改良，可以起到保护脆弱生态系统和防风固沙的作用。综上得出，光伏电站的建立会对局地气温、相对湿度、风场、太阳辐射和土壤温湿度产生一定影响。未来，光伏发电的装机规模仍会呈指数级增长，光伏阵列对气候的影响需要更深入的研究^［22］。

前人关于光伏阵列对气象要素与土壤环境影响的研究大多针对单类或几类要素，而对多类要素的微气候效应综合观测与分析鲜有研究。宁夏是光伏产业发展的重要区域，且中卫沙漠光伏产业园是中国最大的沙漠光伏产业基地，但是该区域对于光伏电站建设对微气候的影响研究尚未见报道。基于此，为更好地掌握沙漠地区光伏阵列对局地微气候的影响，本研究通过实地监测重点探究：（1）光伏阵列对基本气象要素变化特征与差异的影响；（2）光伏阵列对浅层土壤温湿度变化特征与差异的影响。本研究可为沙漠地带未来光伏电站的可持续发展提供理论支撑，对荒漠区风光电建设的生态保护与修复具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏中卫沙漠光伏产业园位于腾格里沙漠东南缘，是中国最大的沙漠光伏产业园，总面积43.33 km^2［23］，每平方米地区年接收太阳能约为2 000~3 000 kW·h，可利用年均日照时间为1 500 h^［24］。该地区气候干旱，年均气温7.5~9.2 ℃，年均降雨量176.5 mm，年潜在蒸发量为3 000 mm，年均风速2.8 m/s，最大风速19.0 m/s。土壤基质为松散贫瘠的流沙，主要土壤类型为风沙土，主要植被类型为油蒿（Artemisia ordosica）、柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）、花棒（Hedysarum scoparium）等^［25］。 电站内部地表以裸沙为主，站内区域的固沙措施为草方格与砾石（外围），实地考察后发现，西侧光伏电板区域出现了不同程度的掏蚀与堆积现象，腹地与东侧区域有少量植被覆盖（图1）。

1.2 试验方法和数据来源

2022年6月5日，在光伏电站内架设自动气象站，同时选取电站外西北侧1.5 km处流动沙丘作为对照点，对基本气象要素风速、风向、空气温度、空气湿度、太阳辐射量和土壤温湿度进行连续观测。其中，风速、风向、空气温度、空气湿度、太阳辐射量的观测高度为2 m，数据采集为5 min/次。使用Excel进行数据的整理与分析，采用Origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 光伏阵列对基本气象要素特征的影响

2.1.1 光伏阵列对空气温度的影响

由表1可知，光伏电站内与流动沙丘（对照点）日均空气温度分别为18.94 ℃和18.81 ℃，站内2 m高度空气温度高出站外0.13 ℃。夏季电站内气温较流动沙丘（对照点）偏高，而秋季区别不大（图2-A）。夜间（7时前与19时后）电站内的空气温度低于流动沙丘（对照点），白天（8∶00~18∶00）与之相反（图3-A）。

2.1.2 光伏阵列对空气湿度的影响

由表1可见，光伏电站内与流动沙丘（对照点）日均空气湿度分别为48.01%和47.16%，站内2 m空气湿度升高了0.85%。秋季电站内空气湿度较流动沙丘（对照点）偏高，但在夏季区别不大（图2-B）。夜间（（18∶00~8∶00）光伏电站内空气湿度较流动沙丘（对照点）偏高，且在日出前差异最大。电站内空气湿度日变化幅度较流动沙丘（对照点）更加明显（图3-B）。

2.1.3 光伏阵列对太阳辐射量的影响

由表1可知，光伏电站内与流动沙丘（对照点）日均太阳辐射量分别为73.12 W/m²和84.99 W/m²，与流动沙丘（对照点）相比降低了11.87 W/m²。在夏秋季节，电站内太阳辐射较流动沙丘（对照点）明显偏低（图2-C）。流动沙丘（对照点）太阳辐射量明显高于站内，电站内与流动沙丘（对照点）太阳辐射日变化均呈单峰性，峰值出现在13时左右，分别为199.89 W/m²和232.96 W/m²（图3-C）。

2.1.4 光伏阵列对风速、风向的影响

由表1可见，光伏电站内和流动沙丘（对照点）平均风速分别为1.79 m/s、3.14 m/s，站内平均风速减少了1.35 m/s。在夏秋季节，电站内平均风速较流动沙丘（对照点）明显偏低（图2-D）。电站内94.35%的风速都低于5 m/s，而流动沙丘（对照点） 仅有78.52%风速低于5 m/s（图4）。站内风速全天均低于流动沙丘（对照点），且在18时左右平均风速的差值最大（图3-D）。由图5可见，站内偏南北方向的风明显减少，主风向由原来的东北风转变为东风，风向更加单一。

2.2 光伏阵列对土壤温度、含水量的影响

2.2.1 光伏阵列对土壤温度的影响

由表1可知，电站内土壤温度分别为22.76 ℃（10 cm）、23.13 ℃（20 cm）、22.94 ℃（30 cm），较流动沙丘（对照点）分别降低1.5 ℃、1.11 ℃、0.74 ℃。流动沙丘（对照点）土壤温度明显高于电站内，土壤温度随着深度的增加而降低，10 cm土壤温度较30 cm土壤温度变化幅度更大（图6）。电站内土壤温度日变化幅度较流动沙丘（对照点）明显偏小 （图7）。

2.2.2 光伏阵列对土壤含水量的影响

由表1可知，电站内土壤含水量分别为 7.35%（20 cm）、8.58%（30 cm），较流动沙丘（对照点）分别增加了1.2%、0.73%。光伏电站内土壤含水量（20 cm，30 cm）明显高于流动沙丘（对照点）（图6）。全天光伏电站内土壤含水量（20 cm，30 cm）也均高于流动沙丘（对照点） （图7），站内与流动沙丘（对照点）土壤含水量随深度的增加而上升，且站内土壤含水量昼夜变化较小。

3 讨论

3.1 光伏阵列对基本气象要素的影响

本研究结果显示，站内2 m空气温度日均值高出站外0.13 ℃（表1），夏季电站内气温较流动沙丘（对照点）偏高，而秋季区别较小，光伏电站白天表现“变暖效应”，夜晚表现出“冷却效应”，且站内空气温度日变化幅度显著大于站外（图3-A），这与高晓清等^［8］在格尔木荒漠地区研究结果基本一致。这可能是由于光伏阵列较自然地表具有更高的热传导率、更低的比热容以及较大的热量交换表面积^［26］，减少了土壤热量的白天存储与夜间释放，导致在夜间土壤向空气中释放的热量明显减少，以及遮阴作用对温度环境产生的重要影响。但与殷代英^［9］等在共和盆地研究结果不同，他们研究发现8~9月光伏电站内对空气温度影响较小；对于夜间“冷却效应”现象，与Broadbent等^［26］研究结果形成鲜明对比，他们发现站内外1.5 m空气温度没有明显差异，这可能是由于研究区光伏阵列规模差异、观测季节、下垫面性质、站内植被覆盖度以及空气湿度等因素而引起研究结论的差异。

空气湿度影响着区域微气候格局与动植物的生长。本研究发现，站内空气湿度日均值高出站外0.85%，站内与流动沙丘（对照点）空气湿度日较差白天表现出较小差异，夜间表现出明显差异，与Wu等^［27］在共和盆地的研究结果一致。可能是因为夜间光伏电站内地表温度低于流动沙丘（对照点）的温度，增强了边界层的逆温现象，从而不利于水汽向上输送^［10］，在站内便形成了增湿效应。但高晓清^［8］等在格尔木荒漠地区研究发现，电站内外2 m高度的空气湿度没有差异，这可能是由于研究区之间大气层结差异而引起的。

太阳辐射是气候系统中各种物理过程和生命活动的基础能源，地表辐射平衡的改变会导致气候发生变化^［28］。本研究发现站内太阳辐射量较站外明显减少。这是由于电站内外下垫面性质相异，光伏电板以及植被对向下短波辐射的吸收能力强于地面，从而使站内太阳辐射量明显低于站外，这与杨丽薇等^［7］在格尔木荒漠地区研究结果一致，但与殷代英等^［9］在共和盆地研究结论不同，其研究发现光伏电站的布设对太阳辐射的影响较小，这可能是由于研究区光伏阵列规模差异、观测季节、下垫面性质等因素造成研究结论的差异，中卫沙漠光伏产业园是全国规模最大的光伏基地，大规模的光伏阵列对太阳辐射量具有更明显的影响。

对比流动沙丘（对照点）风速，光伏阵列具有明显的减速作用，使得站内平均风速降低了42.99%，这很大程度上起到了防风固沙的作用，与殷代英^［9］等和杨若婷^［11］等研究结论一致。光伏阵列的布设改变了原有下垫面条件，增加了地表粗糙度，降低了底层风速，形成阻风作用，观测期间电站内94.35%的风速都低于5 m/s，显著降低了站内大风速的出现。站内来自偏南北方向的气流较站外明显减少，风向以顺阵列布设走向的偏西风和偏东风为主，风向变得单一，反映出光伏阵列具有阵内导向作用。这与殷代英^［9］等与杨若婷等^［11］在共和盆地的研究结论基本一致，与赵延岩等^［19］在戈壁地区的研究结果一致，这些结论与光伏阵列的布设方位直接相关。在电站内实地观测过程中发现，光伏阵列下不同区域蚀积态势在空间上具有明显差异，为此，对风沙输移特征的研究将是下一步工作的重点。

3.2 光伏阵列对土壤温湿度的影响

本研究发现，站内浅层土壤温度较站外偏低，随着土层深度的增加，土壤温度的差异越来越小（图5）。可能因为，大规模的光伏电站具有较大的冷却效应，其遮阴作用与阻风作用影响了热量场，有效增强了地表大气稳定度，对地表起到了保温作用，高晓清等^［29］在格尔木荒漠地区光伏电板上沿下布设土壤温度探头观测也同样发现，站外各层土壤温度均明显高于站外。站内土壤温度日较差偏小，而站外土壤温度日较差明显较大。土壤温度日较差受辐射平衡日变化、大气与地面间热量交换、气温日变化和土壤热物理性质的影响^［30］。由于光伏阵列使得白天太阳辐射难以进入遮阴区域的土壤中，且夜间土壤中的热量也不易向外扩散，导致站内土壤温度日较差偏小，在干旱地区，光伏电站内土壤温度全年低于站外区域，这与高晓清等^［29］在格尔木荒漠地区研究结论一致。Yue等^［31］在共和盆地的研究发现，光伏电板对土壤温度的影响表现出显著的季节性差异，在温暖季节向寒冷季节过渡期间对土壤温度没有明显影响，这是由于不同研究区域的气候条件与实测土深度的不同，对土壤温度的影响存在差异。

站内浅层土壤含水量较站外明显偏高，且站内与流动沙丘（对照点）土壤含水量随深度的增加而上升，这与殷代英^［9］等和在共和盆地的研究结果一致。由于光伏阵列对降水的再分配作用，以及对短波辐射的拦截作用^［32］，这影响了土壤的水分动态，并且土壤含水量的增加会对地表反照率与蒸散作用产生一定影响。土壤水分差异所形成的热通量变化反过来会影响区域土壤温度格局^［33］。另外，由于仪器故障，流动沙丘（对照点）的土壤含水量（10 cm）数据出现异常，因此，在本研究中对流动沙丘（对照点）土壤含水量（10 cm）的变化特征未作分析。

综上讨论发现，在太阳辐射量、风速风向以及土壤温湿度等要素方面，不同区域的研究可以得出推广性的结论，而在空气温湿度方面的研究，表现出不同的差异，这可能是由于研究区气候背景、光伏阵列规模、时间尺度和下垫面性质等因素而引起研究结论的差异。本研究仅对光伏电站内外的基本气象要素和土壤温湿度特征进行了研究，未来还需探讨光伏阵列对风沙流结构、风速流场和风速脉动的影响，需进一步深入开展光伏阵列对区域生态效应影响研究。

4 结论

1） 光伏阵列对近地表气象要素变化具有明显影响。相较流动沙丘（对照点），在光伏阵列影响下空气温度升高，空气湿度增加，太阳辐射量明显减少；站内偏南北方向的风明显减少，由原来的东北风转变为东风，风向更加单一；电站内风速明显降低，大风速的出现频次减少，反映出光伏阵列具有明显的减速作用。

2） 光伏电站内空气温湿度与土壤温湿度具有复杂的昼夜变化特征及差异。站内空气温度日较差显著大于站外，夜间站内空气湿度高于站外，且在日出前差异最大；站内土壤温湿度日较差相比流动沙丘（对照点）较小，反映出光伏阵列对近地面与土壤内部的能量交换具有非一致性。

3） 光伏阵列改变了下垫面性质，对土壤温湿度产生明显影响。相较流动沙丘（对照点），光伏阵列影响下的浅层土壤温度降低、土壤含水量增加，站内浅层土壤含水量较站外明显偏高，说明光伏阵列对地表土壤环境的影响表现出空间与深度上的差异。

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基金资助

宁夏自然科学基金项目(2021AAC03048)

宁夏大学研究生创新项目“宁夏荒漠地区光伏阵列对风沙流结构与风场特征的影响”(CXXM202332)