随着全球能源危机和化石能源快速消耗引起的环境恶化和全球变暖等问题凸现，对核能、风能和太阳能等清洁能源的开发已成为热点^［1-5］。根据《2021年全球可再生能源现状报告》，在全球受到新冠肺炎疫情的影响下，2021年可再生能源仍创历史新高，其中光伏新增139 GW，增幅达22.38%，在所有可再生能源中增长最快^［6］。2021年底，中国光伏发电并网装机容量达到306 GW，已连续7年稳居全球第一^［7］。随着国家“双碳”目标的提出和推进，包括光伏在内的清洁能源将再次迎来发展的重大机遇。

中国西北荒漠地区日照时间长，光热资源丰富，土地面积广阔，在发展光伏能源上具有天然的优势^［8］，但仍面临着亟待解决的关键科学和技术问题，如风蚀沙埋对光伏桩基稳定性的影响和防治问题，光伏板上积尘对发电效率影响机制和除尘技术问题，光伏板遮蔽和吸收太阳辐射造成的不同尺度区域环境反馈效应尚不明确等问题 ^［9-22］。风作为能量、水分、沙尘和雪粒流动、循环和再分配的重要动力因子，对生态环境的影响深远^［23-25］，也对光伏阵列内的环境产生重要影响。目前对光伏风场研究集中在风速和湍流的影响范围和程度，混合风向或者单一风向下的风速廓线、风速脉动、流场分异等垂向结构变化等方面^［26-29］，而对不同风向条件下光伏阵列内风速和风向变化及其引起的复杂环境效应，特别是对局地起尘和板上降尘的潜在影响涉及较少。

青海省共和盆地是青海省重点打造的五大百万级并网光伏发电园区^［30］。近年来，围绕光伏场地植被恢复、风沙灾害防治、生态环境影响、效益评估和光伏生态产业开展了大量理论研究和试验示范^{［13，31-35］}，这对认识光伏阵列和环境的相互作用关系，推进光伏基地安全运营和区域生态环境治理具有重要意义。本文在前人研究的基础上，以青海省共和盆地龙羊峡水光互补光伏园区为研究区，采用现场风况同步站点观测的手段，分析不同风向条件下光伏阵列内外的风向和风速变化特征，并讨论其对阵列内粉尘释放和沉降的潜在影响，这对深入认识光伏阵列与近地表风场相互作用、光伏基地生态环境效应及其调控具有重要的理论和现实意义。

研究区位于青海省海南州共和县共和盆地塔拉滩，东距龙羊峡水库约10 km，北距共和县城（恰卜恰镇）约18 km（图1）。共和盆地处于亚洲季风区的西北缘，是亚洲冬、夏季风和西风环流的交汇地带，属高寒干旱、半干旱大陆性气候， 干旱少雨、气候温凉、日照充足、昼夜温差大，多年平均气温4.1 ℃，年极端最高气温 33.7 ℃，年极端最低气温 -33.5 ℃。年降水量为246.3 mm，降雨集中在 7—9月，年蒸发量1 716.7 mm，多年平均太阳辐射量为6 564.26 MJ·m^-2，多年平均日照时数2 907.8 h。盛行风向为西和西北风，年平均风速2.7 m·s^-1，最大风速大于40 m·s^-1，多年均大风日数50.6 d，最多年份达97 d，多年平均沙尘暴日数为20.7 d^［36-37］。观测区域地表自然景观为荒漠化草原，植被盖度30%左右，主要植物有赖草、克氏针茅、狼毒和川青锦鸡儿等，土壤类型为风沙土。

观测区位于龙羊峡水光互补光伏场区，为2013年建造的固定支架式光伏阵列。每个支架为一组串，面积约67.40 m²（由4行×10列1.65 m×0.991 m的光伏板组成，光伏板间距约为2 cm），地面投影面积约为52.38 m²，串下侧光伏板下檐距地面0.5 m，上侧光伏板上檐距地面3.03 m，光伏板倾角为39°，长轴方向为90°，串南北间距6.87 m，东西间距1.55 m。100组串构成一个光伏子阵，阵阵相连，形成规模宏大的光伏阵列。

本次所采用的观测仪器为长春气象仪器厂生产的多梯度移动式自动测风系统，由5套梯度测风站组合而成，可进行同步观测。每套测风站可测5层风速和1层风向，测风高度0—200 cm可调，本次观测所采用的高度分别为20、50、100、150、200 cm，风向高度为210 cm。数据采集频率为1/2 Hz，记录频率为1/120 Hz，总观测时长为72 h。

观测区域主要盛行西风和西北风，因此观测站点布设的走向为300°，其中1#、2#和3#观测站点位于光伏阵列内，4#点位于光伏阵列的东边界处，5#观测站点位于光伏阵列外开阔空地，光伏阵列内及边界处的站点均位于光伏组串间空地的中心线上。各观测站点周边的地表类型为荒漠化草地，观测时间为4月，地表植被未返青，枯草盖度为30%左右，高度5—10 cm。

首先，以5#站点数据代表旷野风况，其距离光伏阵列东边界的距离在200 m以上。按照5#站点记录的风向数据进行16方位分组，并将其他4个站点的对应数据进行分组。其次，统计各站点各方位组的风向频率，制作风玫瑰图，分析不同风向条件下阵内测站的风向峰型变化特征。最后，以不同方位组下5#站点200 cm高度的平均风速为参照风速，与其他高度和站点对应的风速相比，进行无量纲化处理，对比分析阵列内各高度的风速变化特征。

光伏阵列对风速的减弱程度采用以下公式计算。

式中：W_ij 为i方向j高度的减速率；S_ref为对照点（5#站点）200 cm高度无量纲风速比；S_ijk 为光伏阵列内i方向j高度k号站点的无量纲风速比。

不同风向条件下光伏阵列内3个测站的平均风向变化如图3（由于篇幅关系，图3仅列出6个典型风向下的风玫瑰图）和表1。总体而言，光伏阵列内风向多以顺组串长轴走向α的偏西风和偏东风为主。在不同风向条件下，光伏阵列对近地表风向的影响存在较大差异，存在三峰型、双峰型和单峰型多种风向峰型。当旷野风向与光伏串长轴走向夹角β≥67.5°时呈三峰型风向特征，如N、NNE和S等，45°≤β≤67.5°时呈钝双峰型风向特征，如SE、SSE和SW等，而当夹角β≤45°时呈单峰型风向特征，如NE、ENE和E。

夹角β与风向特征峰型并非呈一一对应关系，即按夹角大小，对应的风向特征峰型呈非对称分布。如夹角β=45°时，NE为单峰型风向，而SE、SW和NW为一主一副钝双峰型风向；再如夹角β=67.5°时，NNE和NNW均为一主两副三峰型风向，SSE为两主钝双峰型风向，SSW为一主一副钝双峰型风向。

对比旷野风速，光伏阵列整体上具有明显的减速作用，减速率为33.24%±22.69%，减速率随高度增加呈指数递增关系，其中20 cm高度减速率仅为11.73%±39.83%，50 cm高度为34.36%±13.64%，100 cm以上减速率均在40%以上，200 cm高度最大，为41.40%±11.11%（图4）。由于本次观测期间的旷野2 m高度的风速为0.5—11 m·s^-1，平均风速为2.37 m·s^-1，不同风速条件下的减速率是否会随风速变化，有待开展控制性实验和长期观测数据验证。虽然各高度减速率峰-谷风向区间略有不同，但整体具有三峰三谷的风向区间分布特征，其中SE-SW、NNE和NW为峰值区间，而NE-ESE、WSW-WNW、NNW-N为谷值区间（图5）；最大峰值风向区间为SE-SW，50—200 cm高度的减速率为47.94%±4.65%；最大谷值风向区间NE-ESE，50—200 cm高度间的减速率为32.10%±9.11%。值得注意的是，三峰三谷区间的极值风向并非与光伏组串长轴方向α平行或垂直，其中各峰区间的极大值出现在SE、SW、NW、SSW和NNE等β为45°或67.5°处，各谷区间的极小值出现在N、NE、ENE和WNW等β为0°、45°和22.5°处。

此外，不同风向和高度条件下的减速率差异较大。在偏北风（NNW-NE）和南风（S）两组风向下，20 cm高度减速作用不明显，甚至出现加速作用，其中NE和S时减速率分别为-19.55%±48.65%和 -5.39%±22.98%，具有加速作用，且所有风向上的变异程度较大，减速作用存在很大的不确定性，这与光伏串下部空隙的导风作用有关。对比不同高度下风向减速率图谱，存在明显的分形变化特征，其中150 cm和200 cm、50 cm和100 cm具有相似的变化特征，而20 cm高度处变化特征和其他4个高度的变化特征不同。20 cm高度处受地表植被、微地形和光伏组串下部空隙的导风作用影响强烈，导致其减速率随风向的变化规律性极差，50 cm和100 cm高度处仍然受光伏串下部空隙等垂直结构差异的影响，但影响较弱，基本反映了光伏阵列东西向布局的水平结构是主要影响因素，而150 cm和200 cm高度处光伏阵列东西向布局的水平结构是决定性影响因素。

从光伏阵列对风向和风速的影响特征可以看出，光伏阵列对风况的影响存在非对称性，在风向峰型上表现为风向峰型并非随夹角β大小呈简单的一一对应关系，而是存在一对多的关系，减速率的三峰三谷分布特征也非随夹角β呈对称分布。上述非对称关系既存在南北向非对称性，也存在东西向非对称性，这与光伏组串结构特征及光伏阵列内风程长度有关。光伏组串北高南低的结构特征是造成南北向不对称性的主要原因，在偏南风时北高南低的结构更有利于气流向上跃升，而下层光伏阵列内风速减弱程度较大，偏北风时该结构更有利于气流向下导流聚集，形成下导风效应^［38］，光伏阵列内风速减弱程度较小，甚至在底部出现加速作用。东西向非对称性主要原因是观测站点位于光伏阵列东侧，导致偏西风下光伏阵列内风程较长，而偏东风下风程较短，偏西风下更有利风向改变和降低风速。至于减速率的极值并非出现在垂直或平行于光伏组串走向α的风向条件下，这和闫敏等^［39］对防风挡沙墙最佳防护角度的风洞模拟研究结论类似，其作用机制有待深入研究。

湍流是影响粉尘释放和沉降的重要因素，较强的湍流导致流场稳定性减弱，垂向动能传输增强，更有利于粉尘的释放，而不利于粉尘的干沉降^{［23，40-41］}。本文研究结果表明，光伏阵列对阵内风向影响较大，当风向与光伏串长轴方向α呈较大夹角（β≥45°）时出现的横向绕流双峰型风向特征有利于光伏阵列内湍流的发展，这一方面减少光伏面板积尘，有助于发电效率的提高，但另一方面将增加阵列内地表的就地起尘的概率和粉尘释放通量。因此，光伏阵列复杂风况对阵列内粉尘的作用过程较为复杂。

光伏阵列对阵内风速的影响也较大，整体表现为50—200 cm无论风向和高度，光伏阵列对阵内风速具有明显的削弱作用，而在20 cm高度，受地表植被、微地形，特别是光伏组串下部空隙的导风作用，该高度的风速削弱作用具有很大的不确定性，甚至在部分风向条件下出现加速作用。这种流场结构对光伏阵列内的地气能量和物质交换将产生一定的影响，必然导致光伏阵列内裸露地表的起尘量有所增加，影响光伏阵列发电效率。

由此可见，光伏阵列复杂风况和下部空隙导流加速作用一方面会导致地表侵蚀和增加粉尘释放的潜在风险，另一方面复杂风向，特别是当风向与光伏串呈较大夹角时产生的横向绕流等二次流减轻光伏板上积尘。因此，光伏场建设应更加重视光伏阵列内生态保护和修复，提高地表植被覆盖度或地表粗糙度，减少就地起尘量。

光伏阵列具有阵内导向作用，使风向以顺光伏组串长轴方向α的偏西风和偏东风为主。当旷野风向和α的夹角β≥45°时，光伏阵列内出现围绕光伏组串的横向绕流，阵列内存在明显的钝双峰型风向特征，且β越大，钝双峰型风向特征越显著。

光伏阵列整体具有减速作用，平均减速率为33.24%±22.69%，且减速率随高度呈指数递增关系，但20 cm高度处风速减弱作用具有很大的不确定性，甚至部分风向条件下出现增加风速的作用。减速率随风向的变化呈三峰三谷的区间分布特征，三峰三谷区间的极值风向与光伏串长轴方向α呈一定的夹角，极大值出现在β=45°或β=67.5°处，而各谷区间的极小值多出现在β=22.5°处。

光伏阵列内风向和风速变化存在非对称性特征，光伏阵列加强了气流的不稳定性和地表20 cm高度处减速作用的不确定性，这一方面有利于光伏面板除尘，但另一方面会增加阵内地表就地起尘的潜在风险。光伏场建设应更加注重光伏阵列内生态保护和修复，提高地表植被覆盖度，减少起尘量，提高发电效率。