风场对地表温度的影响外文翻译资料

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自然气候变化 2012年4月29日出版

风场对地表温度的影响

周立明，田于洪，Somnath Baidya Roy ，Chris Thorncroft，Lance F.Bosar，胡元龙

摘要：近年来，美国的风电产业经历了能力的快速扩张，预计这种快速增长将在未来继续增长1-3。在将风的动能转化为电能的同时，风力涡轮机改变了地面-大气的交换以及能量，动量，质量和气体在大气压下的转移4-6。如果空间足够大，这些变化可能会对当地和区域的天气和气候产生显着影响。在这里，我们根据对2003 -2011年期间德克萨斯州中西部地区卫星数据的分析，提出了这种影响的观测证据，该地区有四个世界上最大的风电场。我们的研究结果表明，相对于附近的非风电场地区，风电场的风速变化趋势是每十年高达0.72摄氏度，特别是在夜间。我们将这种变暖主要归因于风电场，因为它的空间格局和幅度与风力涡轮机的地理分布非常吻合。

尽管存在着对区域到全球尺度天气和气候的可能影响的可能性8-12，但模型研究表明，它们通过增加表面粗糙度，改变大气边界层（ABL）的稳定性和增强转子尾流4-6中的湍流来显著影响局部尺度气象6,13-16。但是，这些研究主要基于数值模拟。区域和全球模型由于缺乏观测而仅通过明确地增加表面粗糙度长度湍流能量来粗略地代表风力涡轮机的影响。显然，应该开发更多的现实模型参数化，并且应该对观察结果进行建模。

尽管观测到的风速和周围环境中的湍流数据很容易获得，但其他气象变量的信息也可以说是公共区域的信息。最近的一项研究使用了唯一可用的观察到的温度数据，这些数据来自于操作风暴，并且在白天的冷却效应和白天的冷却效果6。然而，观测数据仅来自两个气象塔，为期1.5个月。因此，需要更多的观察证据，特别是在更大尺度和更长时期的证据。卫星提供有关监管时间间隔的全球空间采样的信息，并且具有潜在的监测和检测具有空间细节的大型风电场的影响。 本研究旨在寻找来自中等分辨率成像光谱仪（MODIS）的地表温度（LST）对此类影响的观测证据，其空间分辨率比大多数风电场更精细，时间分辨率涵盖日夜两种。 LST是辐射温度降低的面积发射，并且与地表辐射性质密切相关。

卫星提供有关调节时间间隔的全球空间采样的信息，并且具有潜在的监测和检测具有空间细节的大型风电场的影响。本研究旨在寻找来自中等分辨率成像光谱仪（MODIS）的地表温度（LST）对此类影响的观测证据，其空间分辨率比大多数风电场更精细，时间分辨率涵盖白天和夜晚。LST是源自地表发射的辐射温度，与地表辐射特性密切相关17。

我们的研究区域（32.1°-32.9°N，101°-99.8°W）以德克萨斯州中西部的2,358个风力涡轮机（补充图S1和S2）为中心。我们将全球验证的1公里MODIS 8天LST（参考18）和16天反照率19聚合成异常，从2003年到2011年冬季（12月-1月-2月，DJF）的分辨率为0.01°（1.1km左右）和夏天（6月-7月-8月，JJA）。为简洁起见，这里我们使用以下缩略词来表示四组不同的像素：ALL（所有像素）；WFM（风电场像素 - 至少有一台风力发电机组）； NWF（非风电场像素）；和NNWF（附近的非风电场像素-那些靠近风电场的NWF像素）。除了风电场可能产生的影响外，研究区域的LST变化包括两个主要部分：第一，主要受区域或大尺度天气和气候条件控制的时间变化；第二，像素层面的空间变异主要与地形和陆地转换类型的变化有关。最小化这种可变性（例如，消除下一个引入的区域年际变率并使用我们的分析中的异常）是发现风电场的关键影响。有关研究区域和数据处理的详细信息，请参见方法。

我们首先通过研究LST差异来研究LST变化的空间模式及其与风力涡轮机的空间耦合（参考方法I）。由于我们研究区域的风力涡轮机分阶段建造，大多数建于2005 - 2008年（补充图S2），我们选择前三年（2003-2005）的数据来代表影响最小的案例和最近三年（2009-2011）的数据来代表最可能影响的案例。 MODIS LST还包含与风电场无关的背景区域年际变化（例如，整个研究区域在2010年到2010年变暖；图1）。对于长期时间序列的数据，低通滤波器或多年平均将减少这样的信号。鉴于MODIS数据的短期，我们每年创建平均LST异常，从所有像素软区域（DJF中的一个值和JJA中的一个）得到平均值，并从原始异常中减去该平均值。这样做会强调像素尺度上的LST空间变异性。例如，如果年份y比第x年更暖，但不同像素的变暖速率不同，LST变化（y减去x）将在各处显示变暖，但在消除区域平均变暖率后，可以容易地识别升温速率的空间变化。值得注意的是，制造的警察或冷却代表了相对于其他方面的价值。

图形1j DJF和JJA的区域平均MODIS和ERALST异常的年际变化在研究区域内平均为2003-2011。a，白天。b，夜间。选择06:00和18:00 UT的ERA LST数据来表示LST在夜间（当地午夜）和白天（当地正午），这大致对应于MODIS测量时间

图二j MODIS JJA夜间LST和白天短波-反照率差异在2003-2011。a，b，LST差异（◦C）：2009-2011减去2003-2005平均值（a）和2010年减去2003年（b）。c，反照率差异（无单位）：2009-2011减去2003-2005平均值。具有加号的像素具有至少一个风力涡轮机。注意，从原始异常中去除了区域年际变化，以强调像素级的相对LST和反照率变化（即，方法I）。

图2显示了2009-2011和2003-2005平均值（图2a）和2010年至2003年之间的MODIS JJA夜间LST差异（图2b）。后者用于说明两个单独年份的LST变化。请注意，选择2003年和2010年是因为它们的区域平均LST在研究区域是相似的（图1b）。 WFM像素比它们周围的像素温暖得多，并且这种变暖也在风力涡轮机的下风像处观察到（南方的普遍风向，补充图S3）。图2b显示了与图2a类似的特征，但具有更大的幅度，这是预期的，因为它是图2，其中图2是满意度 - 阳性。风电场与变暖之间强烈的空间耦合表明了因果关系。类似的特征也可以在DJF的夜间以及当地的太阳时间~22：30和~1:30看到（补充图S4-S7）。白天LST显示出对大多数WFM像素的加温效果，但是它们的空间耦合和加热速率在很晚的时间内是很多的（补充图S4，S5）。

然后，我们通过检查WFM与NNWF像素之间的平均年LST差异（WFM减去NNWF；图3；称为方法II）来量化风电场对LST的影响。这种方法已被广泛用于通过比较城市车站与附近农村车站的温度来估算城市-热岛效应20。与方法I不同，方法II没有明确地删除区域平均值，而是隐含地执行相同的功能。虽然时间序列很短，但我们已经确定了JJA中每十年0.724℃（p=0.005）的统计学显着变暖趋势，以及2003年至2011年DJF中相对于WFM像素的每十年0.458℃（p=0.001）。 NNWF像素。相比之下，白天LST显示出强烈的年际变化并且没有显着的趋势。我们还尝试以不同的方式定义WFM和NNWF并获得类似的结果。平均而言，在夜间，与白天和JJA相比，变暖更强，更好地与风电场相比，而不是DJF。因此，JJA夜间变暖趋势最大。

LST的昼夜循环源于太阳能加热中日/夜对比的平衡以及响应地表和大气之间温度差异的辐射和动态冷却21-23。它的大小可以通过三个因素来修改：入射表面辐射；地表特性（例如，海拔，土地覆盖，反照率和发射率）；和表面附近的ABL条件。鉴于我们研究区域的规模很小，辐射强迫的变化可能会影响到整个地区。由于地形和土地覆盖类型的空间变化导致的像素级局部效应可能会引入一些LST变化，因为风力涡轮机通常建在地形高地上，平均海拔高度为749.10plusmn;21.38m（21.38是一个标准偏差），但是这种影响已经通过我们的方法最小化了（补充讨论和图S8-S17）。因此，上面所示的风电场变暖趋势应主要与地表特性和ABL条件的时间变化有关。

LST的一些变化可能是由于风力发电场内与涡轮机占地面积（即涡轮机叶片，塔架，通道等）相关的表面特性的变化造成的。然而，足迹区域仅占总土地面积的一小部分。风电场是因为需要大量的水轮机间距来最大化捕获风的涡轮机效率并且还要避免涡轮机尾流效应7,24。地表性质也可以通过降水，云，土壤湿度，植被和土地覆盖/使用的变化（例如灌溉，农业实践，城市化等）来改变。由于没有可用于1.1km的变量的表面观测，植被绿度，反照率和土地覆盖25的MODIS数据用于量化陆地表面特性的可能变化。我们发现这样的变化可能会对MODIS所见的WFM像素产生影响（补充讨论，表S3-S4和图S18-S22）。在风力发电场中，可能与风力发电场足迹相关的地面增加和植被绿度的小幅下降。例如，相对于NNWF像素，反射率的线性趋势是JJA中的 0.007（p=0.149）和相对于NNWF像素的DJF中的每10年 0.013（p=0.021）（图3c），但这种增加太小产生显着的白天冷却26（补充图S4，S5）。在其他NWF区域观察到的一些大的反照率变化（图2c）可能是由于天气条件的变化（图1；补充讨论和图S19-S22）。

图3j 2003年至2011年期间MODIS的DJF和JJA中WFM和NNWF像素的面积平均差异的年际变化。 LST在白天（a）和夜间（b）和短波反照率（无单位）在白天（c）。显示了使用最小二乘拟合估计的线性趋势（百分位数）和显着性水平（p值）。线性趋势的95％置信区间列于补充表S2中。 WFM和NNWF像素在补充图S1中定义。

由于风电场运行，很可能风速的昼夜和季节变化以及近地表ABL条件的变化是上述LST变化的主要原因。 JJA的风速比DJF强，夜间比白天强（补充表S1）可能会驱动风力涡轮机产生更多的电力和湍流，从而导致JJA夜间最强烈的升温效应。 夜间ABL通常比白天ABL稳定且更薄，因此涡轮增强的垂直混合产生更强的夜间效应27。

ABL的一个引人注目和对比的特征是随着时间的推移，其深度和稳定性的日变化28。在白天，ABL通常是深度和不稳定的，由于表面的太阳能加热比上述空气更快，所以较冷的空气覆盖较暖的空气。它变得更薄，并且在日落之后通常是稳定的，温暖的空气覆盖较冷的空气，因为表面上的空气辐射冷却比上述空气。因此，预计由风力涡轮机转子产生的尾流中的增强的垂直混合将在夜间产生加温效果并且在此期间产生冷却效果。

有趣的是，我们的研究结果还显示白天过热风的温暖效应较弱（补充图S4，S5）。假设白天不稳定和对流层28的缓慢发展可能起作用。 此外，连续传导和对流有助于在下午晚些时候产生良好混合的厚ABL，其表现出静态中性曲线，其中垂直温度梯度是近似绝热的。因此，转子尾流中的湍流对LST的额外能量传输的影响最好。白天变暖的另一种可能性是减少了对流涡流的减少，因为垂直对流运输是热量传递到地表的主要机制。

我们意识到MODIS数据确实包含错误和噪音18,19。在定位风力涡轮机方面也存在不确定性（例如，建造者可能会将其涡轮机站点与美国联邦航空管理局的原始文件略有重新定位）。我们使用空间和时间平均值应该在很大程度上消除这些错误和不确定性，其余的残留物，如果有的话，不能意外地在上面所示的加温和风力涡轮机之间产生强烈的空间耦合。此外，正如预期的那样，我们确实看到2000年至2011年间变暖趋势与建成风力涡轮机增加之间空间耦合随时间的增加程度和幅度（补充图S12）。此外，MODIS的区域平均LST年际变率与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）再分析（ERA LST；图1）的LST数据匹配良好。考虑到它们在空间和时间分辨率（例如，昼夜周期中的时间）和天气条件方面的差异（例如，MODIS LST是从晴空中检索到的，而ERA LST来自于全天空）。

据我们所知，这项研究首次使用卫星数据量化大型风电场对地表温度的影响。 由于该分析来自风电场快速增长的地区的短期，我们的估算应该代表当地的风电场效应。然而，鉴于目前的装机容量和预计安装在世界各地1-3，本研究提请注意一个需要进一步调查的重要问题。我们需要通过观测更好地理解系统，更好地描述和模拟所涉及的复杂过程，以预测风电场如何影响未来的天气和气候。

方法

研究区域。德克萨斯州拥有美国任何州的风力发电装机容量最多1,2。 它拥有许多大型风力发电场和德克萨斯州中西部，它们是该州最大的风力发电场集中地和最活跃的风能运营中心和运营中心，继续经历快速增长7。 在这里，我们将研究重点放在德克萨斯州中西部的一个区域（32.1°-32.9°N，101°-99.8°W；增加图S1），这里整个区域有sim;10,005km2（112.8kmtimes;88.7km）。

风力涡轮机的地理位置。我们使用FAA（

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