风电场对大气边界层的改造：尾流-地面耦合、稳定层结转变与通量扰动
风电机组把边界层动能转化为电能的同时，其尾流会改变下风向地表通量与稳定层结转变。本文综合美国中部 CWEX 系列田间实验（2010–2011）与积雪可视化观测，给出尾流影响距离（15 倍叶轮直径）、下风向通量放大倍数（最高 5 倍）与傍晚稳定层结转变提前量的判别边界。
一、CWEX 实验设计：把通量塔放进风电场
美国 DOE 规划 2030 年风电达总电力 20%，中西部（爱荷华等）既是风资源最富区又是玉米/大豆主产区。CWEX（Crop Wind Energy Experiment）在爱荷华中部风电场内的玉米田布设涡度相关通量站（2010 年 4 站、2011 年 6 站+激光雷达测风剖面），回答四类问题：风机是否改变农田微气候、是否影响生长、是否影响产量、农田管理是否反作用于发电。
| 观测要素 | 设备 | 说明 |
|---|---|---|
| 地表通量 | EC 通量站 | 动量/感热/潜热/CO₂ |
| 高空风与湍流 | 风廓线激光雷达×2 | 叶轮高度附近风速与湍流剖面 |
| 上空气象 | 高空观测（CU） | 边界层尺度相互作用 |
二、尾流对地表通量的影响（关键数值）
Rajewski 等（2016，JGR-Atmospheres）在 2010–2011 年夏季测量的结论：
- 日间：气流垂直穿过风机列（南/西南风）时，下风向 3~5 倍叶轮直径处 CO₂ 与水汽通量增强约 5 倍（相对西风对照）；风机停机时同一风向下 CO₂ 通量仅增 30–40%。
- 夜间：尾流显著增强向上 CO₂ 通量并向冠层夹卷感热——标量通量扰动方向与冠层摩擦速度（u*）变化密切相关。
- 停机实验（80 分钟夜间切机）：切机后近尾流区风速下降、通量骤变；恢复运行后风速与通量突变。尾流对地表通量的调制持续整夜，与卫星（MODIS Terra/Aqua）观测的"风电场夜间地表增温"一致：近尾流冷却、远尾流增温，停机时增温消失。
- 通量谱/余谱证实下风向站的高频湍流受风机扰动。
判别边界：风机运行 vs 停机的对照是分离"尾流效应"的准实验；影响方向由下垫面（冠层 u*）与风向夹角共同决定，不可一概而论。
三、稳定层结转变的提前（Rajewski 2020）
1 Hz 高塔 Richardson 数与切变/浮力剖面显示（休耕季）：
- 单机尾流使近地层稳定化提前数小时，并延长转变期（最长约 1 小时）；
- 尾流把地表与叶轮以上气层的湍流连接解耦；
- 深在风电场内部（多机叠加区）湍流恢复近环境水平，转变提前量回到自然边界层 ±30 分钟以内。
四、叶尖涡"蛙跳"与尾流-地面强相互作用（Abraham & Hong 2021）
利用天然降雪可视化兆瓦级风机尾流（空前时空分辨率），发现两种运行依赖的尾流-地面强相互作用路径：
- 叶尖速比变化导致叶尖涡 leapfrogging（蛙跳），尾流间歇性触地；
- 发电功率上升增强叶尖涡强度与尾流膨胀，触地概率升高。
这两种路径解释了此前相互矛盾的"风机影响地表动量通量"研究结论，并用于绘制全美风电场地表动量通量影响图（支持选址决策）。
五、与通量观测实践的衔接
| 场景 | 判据 |
|---|---|
| 风机下风向 EC 布站 | 距风机至少 3~5 倍 D（D=叶轮直径），且记录运行状态 |
| 尾流影响剔除 | 按风向-运行状态分层统计（CWEX 方法） |
| 夜间通量质控 | 结合 u* 阈值与湍流平稳性检验，防止尾流扰动混入 |
| 停机期 | 作为零运行对照，量化"塔-机"效应 |
| 尾流触地判定 | 结合叶尖速比、发电功率与降雪/激光可视化 |
参考来源：Rajewski D A, et al. Crop Wind Energy Experiment (CWEX): Observations of surface-layer, boundary layer, and mesoscale interactions with a wind farm. BAMS, 2013（https://mhk.pnl.gov/sites/default/files/publications/Rajewski-et-al-2013.pdf）；Rajewski D A, et al. Changes in fluxes of heat, H₂O, and CO₂ caused by a large wind farm. Agricultural and Forest Meteorology, 2014（http://core.ac.uk/download/pdf/82572719.pdf）；Rajewski D A, et al. Toward understanding the physical link between turbines and microclimate impacts from in situ measurements in a large wind farm. JGR: Atmospheres, 2016（https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdfdirect/10.1002/2016JD025297）；Rajewski D A, et al. Observations show that wind farms substantially modify the atmospheric boundary layer thermal stratification transition in the early evening. GRL, 2020（https://tethys.pnl.gov/sites/default/files/publications/Rajewski-et-al-2020.pdf）；Abraham A, Hong J. Operational-dependent wind turbine wake impact on surface momentum flux. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021（https://www.sciencedirect.com/science/article/am/pii/S1364032121003117）；Pol S, Wenner A, Castillo L. Buoyancy jump at wind turbine wake interface. Renewable Energy（https://daneshyari.com/article/preview/4926236.pdf）。