簡介
綜合國際評估風電場對局地和全球氣候變化的短期和較長期的可能影響，並且將其影響與人類排放的影響作簡單的對比。大量的觀測和數值模擬研究表明，風電場的運行明顯減小下游風速，同時隨局地近地層穩定度的不同也造成下游溫度明顯上升或下降。一些數值模擬研究表明，如果全球建立大量大型風電場，例如假定全球使用風能占總能源10%以上，即全球陸地的30%～40%和全球海洋淺水區均建有風電場，這些風電場的運行將可能造成全球變暖和風速減小。目前風電場對全球氣候的影響尚具有很大的不確定性。
風電場的局地氣候效應
目前大多數的研究集中於風電場的局地氣候效應，一般採用觀測和數值模擬兩種研究手段。這些研究表明，風電場的運行，吸收氣流的動量，從而使下游地區風速明顯減小20%～40%；風機的渦輪擾動改變垂直混合，最終改變局地溫度，最大可增暖1 ℃以上，並使近地面空氣變乾，減小表面感熱通量，同時也間接改變雲和降水等其他氣象要素。
風電場對局地氣溫的影響
從1989 年6 月18 日到8 月9 日。上風位置和下風位置的測風塔給出的一日內各時刻的溫度差異是很明顯的，即風電場在凌晨（01—07時）具有增暖效應，在下午和晚間（13 — 21 時）具有降冷效應，通過95%～99% 信度檢驗。分析其原因，風電場在工作期間加強了垂直混合：對於夜間穩定大氣，傾斜率是正的，即暖層在冷層之上，加強垂直混合，造成暖空氣下行冷空氣上行，導致近地面變暖；對於白天不穩定大氣，傾斜率為負，即冷空氣在暖空氣上面，湍流促進混合，冷空氣下行暖空氣上行，造成近地面變冷。風電場對氣溫的影響取決於近地層大氣層結的穩定度，不同的穩定度造成風電場對近地層氣溫或上升或下降的效應。
數值模擬結果驗證了觀測結果。利用區域大氣模擬系統（RAMS）選擇2008 — 2009 年4 個季節做了306個模擬試驗[1]，設計在美國西部加入一個小風電場，共有風機7 (排)× 3(列)，每個渦輪高100 m，旋轉葉片直徑100 m，間隔1 km。計算表明，當近地層（300 m以下）氣溫傾斜率是負值時，風電場的影響是降溫效應；當傾斜率是正值時，則是增溫效應。多數情況氣溫傾斜率為正值即增溫效應。
風電場對局地風速的影響
風電場的設定和運行，明顯影響其下遊方向的風速。荷斯礁一個風電場的觀測資料計算表明，若進入風電場的風速為8～9 m/s（例如8.6 m/s），經過風電場運行對動量的吸收以及70 m高度風機的摩擦力作用等，在風電場的下風方向觀測的風速明顯衰減，其下風方向6 km 處的風速與原有風速比值為0.86，8 km處的比值是0.88，其後緩慢回升，到11 km的比值是0.90，尚未恢復到原有水平。402 氣 候 變 化 研 究 進 展 2011年數值模擬同樣證實了風電場對風速衰減的影響。利用一個中尺度模式KAMM，考慮在900 km2 範圍內分別設定1、9、36個風電場，改變下墊面粗糙度，計算相應風速在不同位置的變化。結果表明，風電場效應使得風速明顯衰減，進入風電場的風速是8～9 m/s，風電場最大衰減後風速只有5 m/s，在20 km範圍內保持較大的衰減，20 km以外風速開始回升，風電場影響風速衰減的距離可以達到30～60km 。
風電場對全球氣候變化的影響
風電場除了對局地氣候有明顯影響外，對全球氣候是否有影響，是研究的另一個重點。研究風電場的局地氣候效應的文獻相對較多，而風電場對全球氣候變化的影響研究較少。近些年風電場對全球氣候變化影響的主要研究以及其方法和結論。多數研究指出，大範圍風電場對全球尺度氣候變化的影響不容忽視。
利用兩個全球氣候模式（美國NCAR 和GFDL）考慮全球在北美中部、歐洲和東亞設定風電場，表面摩擦力和拖曳力改變大面積風電場的設定對全球和洲際尺度氣候變化的影響不容忽視Kirk 等，2008利用淺水模式和美國NCAR 全球氣候模式考慮在北美設定風電場，表面粗糙度改變風電場設定造成全球表面經向風速、溫度、雲、感熱、潛熱、短波和長波輻射都會發生變化，根據旋轉葉片動量理論風機造成全球大氣能量損失Wang 等，2010 利用NCAR 全球氣候模式考慮到2100年風能占總能源使用10%以上，全球陸地和沿海設定大量風電場，考慮摩擦力和拖曳力改變全球大面積風電場的設定可以使一些地區表面溫度增加1℃以上，近地層動量減少，風速下降，間接影響感熱、潛熱、降水和雲的變化一項研究利用兩個美國的全球大氣環流模式（GFDL和NCAR），假設北半球中緯度的3個風能資源豐富的區域（北美中部，歐洲和東亞）全部設定風電場，大約覆蓋全球陸地的10%，改變模式在風電場區域的近地層摩擦力和拖曳力，模式分別運行100 年以上控制試驗和20 年擾動試驗，用有風電場模擬試驗與無風電場控制試驗的氣候變數差值表示風電場的氣候效應。兩個模式的模擬試驗表明：
風電場的影響不只是局地的，還有大範圍的氣候效應；
風電場對某些地區（或季節）近地層氣溫影響高達± 1 ℃（或± 2 ℃）以上；
3 個風電場對本地區和周圍地區的氣候影響並不一致，為什麼在有些地區是變暖，而在另一些地區是變冷，尚需進一步研究；
不同模式的模擬結果有所不同。
1.風電場的影響不只是局地的，還有大範圍的氣候效應；
2.風電場對某些地區（或季節）近地層氣溫影響高達± 1 ℃（或± 2 ℃）以上；
3.3 個風電場對本地區和周圍地區的氣候影響並不一致，為什麼在有些地區是變暖，而在另一些地區是變冷，尚需進一步研究；
4.不同模式的模擬結果有所不同。
另一個 2009 年的研究表明，利用美國NCAR的全球大氣-海洋和陸地完全耦合模式系統CCM3，設計到2100 年全球使用風能占總能源的10% 以上（2007年風能只占0.13%），即全球大約58×106 km2的陸地（大約相當於全球陸地面積的39%）設定風電場，沿海水深小於200 m的地區（10 × 106 km2）也設定風電場，考慮風機設定高度不同，旋轉葉片直徑不同，以及風機間距不同，做多組試驗，從而產生不同的風電量（其中陸地試驗共4組，分別是很高、高、低和很低試驗。海洋試驗共兩組，分別是高、低試驗），相應在模式中近地層設定不同的粗糙度、摩擦力和拖曳力，模式各運行60 年，分別取多組試驗的最後20年的平均與無風電場控制試驗來作對比分析。
404 氣 候 變 化 研 究 進 展 2011 年陸地風電場設定試驗使全球陸地年平均氣溫分別升高0.05 ℃（很低試驗）、0.16 ℃（高試驗）和0.73 ℃（很高試驗）。兩半球中低緯度大部分地區變暖，其中許多地區變暖在1 ℃以上。風電場造成全球大部分格線點上動能減小，盛行風速明顯減弱，多數格點氣溫上升。風電場的設定改變了近地層的感熱和潛熱通量以及動量和風速，從而間接改變降水量和雲量。陸地風電場設定的模擬結果比沿海風電場設定的模擬試驗結果可靠度高 。
風電場氣候效應與溫室效應對比
風能取代化石燃料
如果人類不再使用化石燃料，全部用風能取代，有研究設計了兩種方案，全球所有化石燃料能源用風能取代和美國所有化石燃料能源用風能取代。計算對應不同風速不同方案所需的1.5 MW風機數。注意到：
1)風速越大，所需風機數越少；
2)全球需要的風機數是美國的5倍以上；
3)需要全球具有足夠的風能資源才可能取代化石燃料；
4)如果在美國，風能取代化石燃料，以美國面積900萬km2計算，若風速為7 m/s，則需要180萬風機，大約相當於每5 km2就有1個風機，這是相當可觀的。
大氣能量耗散（損失）
根據旋轉葉片動量理論，計算風機和大氣之間相互作用，風機渦輪效應造成大氣1 km以下能量損失約0.007%。這個數量級小於氣溶膠污染和城市化造成的大氣能量損失，研究表明受氣溶膠顆粒直接和通過雲間接影響，局地近地層風速減小8%。同時風耗散附加給環境的加熱遠小於熱電廠產生的加熱。
增暖效應
根據 IPCC 第四次評估報告二十餘個全球氣候模式考慮SRES的3個排放情景的預估結果，計算得到2090 — 2099 年相對於1980 — 1999 年全球平均增暖1.1～6.4 ℃[15]；1個全球模式考慮風電場到2100年達到總能源使用的10%以上，考慮風能利用很高、高、低和很低情景，全球平均增暖0.05～0.73 ℃，遠低於溫室氣體排放增加所造成的增暖。當然後者只是一個模式的計算結果，並且在計算中沒有考慮建造風機等設備需要排放的溫室氣體等複雜因素，所以有較大的不確定性。
風速減小
如前所述，風電場的建立和運行減小了風速，而溫室效應可能減小冬季風速，對夏季風速的影響尚不確定。
總結與展望
大量建立在觀測和數值模擬基礎上的研究表明，風電場的建立和運行對局地下游氣候會有明顯影響，主要是造成下游風速明顯減弱；同時對下游氣溫也有明顯影響，其變暖或變冷效應取決於局地近地層大氣穩定度特徵。一些數值模擬研究表明，全球大面積建立和運行風電場也可能對氣候變化產生影響，導致全球年平均氣溫上升，風速減小。但其對全球的增暖效應遠低於人類排放溫室氣體造成的增暖效應。
需要強調的是，由於風電場對全球氣候變化影響的研究較少，又由於氣候模式的不確定性以及風電場模擬試驗設計的不確定性，因此大面積建立風電場的全球氣候效應尚有很大不確定性，爭議也較大，需要更深入的研究。由風電場對氣候變化影響研究得到的啟示是，在風電場的建設中需要注意風電場之間的間距，以便減小風電場之間不必要的相互干擾。氣象觀測場需要與風電場保持一定距離，以確保氣象觀測資料的準確性，使其不受風電場影響。提高風機效率，選取風能豐富、下墊面合適的地區建立風電場，可以減小風電場對氣候變化的影響。
一項新的研究表明：若類似於18 世紀80 年代摧毀冰島的火山爆發，會把有毒的氣體吹向西南方，將歐洲成千上萬的人置於死地。1783 年6 月至1784 年2 月，冰島中南部的拉基火山爆發。英國利茲大學的大氣科學家Anja Schmidt 稱，儘管沒有產生大量的火山灰，但是據估計那次火山爆發的確朝空中噴發了大約1.22 億t SO2 氣體，比當今人類在一年的生產活動中所產生的SO2 量稍多一些。
歷史記錄表明，拉基火山爆發兩年後，將近1 萬名（約占1/5）冰島人死亡，此外還有3/4 的牲畜死亡。英格蘭的地方記錄資料顯示，拉基火山爆發後，死亡率比平時高出了10%～20%。荷蘭、瑞典和義大利均報導過跟那次火山爆發有關的能見度下降、呼吸困難和死亡率上升等情況。根據一項研究，僅僅在英國就有大約2.3 萬人因火山氣溶膠而死亡。但是，在歐洲其他地方，很難將空氣污染引起的死亡跟飢餓或疾病引起的死亡區分開來，因為當時飢餓和疾病也是突出的致死因素。
為了估計如此規模的火山爆發會給當今人口稠密的歐洲帶來怎樣的影響，Schmidt 及同事將一些數據輸入計算機模擬系統中。他們利用天氣模型來估計，開始於6 月份並且長達8個月的火山爆發所釋放的SO2最終的飄散範圍；他們還估計了直徑小於2.5 mm 的空中微粒的最終濃度增加值。然後，他們利用現代醫學數據來估計這些氣溶預測火山殺手的威力膠引起的死亡人數 。
不久前，研究小組在網路版《美國國家科學院院刊》（ Proceedings of the National Academy of Sciences）上報導，在這次假設的火山爆發開始之後的前3 個月裡，整個歐洲的氣溶膠平均濃度將會上升120%。在火山爆發期間，氣溶膠濃度超出空氣品質標準的天數將會上升到74天，而正常時期的超標天數通常僅有38 天。毫不意外，位於火山爆發處下風方向的地區，如冰島和歐洲西北部，空氣中有害微粒的濃度最大，氣溶膠的濃度將上升兩倍多。但是，歐洲南部的氣溶膠濃度也有幅度為60% 的明顯上升。
在這次假設的火山爆發開始之後的第二年，加重的空氣污染將從冰島迅速蔓延至歐洲大陸，從而引起大量的心肺疾病病例，估計會使14.2 萬人死亡。而目前歐洲每年死於季節性流感的人不足上述數字的一半。Schmidt 及同事說，在過去的1150 年時間裡，至少發生過4 次拉基規模的火山爆發。因此，這些新數據應得到關注。科羅拉多大學博爾德分校的大氣科學家 Brian Toon 說：“這是一項非常可靠的科學研究” ！
