随着大型光伏（PV）电站快速发展，其对陆面和近地层环境的影响逐渐受到关注。光伏板的铺设会改变地表反照率、辐射吸收、遮阴条件以及地表与大气之间的热量交换，并可能进一步影响边界层、云和降水等过程。已有数值模拟研究通常通过调整地表有效反照率或采用简化参数化方法表示光伏效应，但这些方法难以同时描述光伏板、板间地表和大气之间完整的辐射与热量交换过程，也难以保证整个光伏—地表系统的能量收支闭合。因此，如何在区域气候模式中更加物理地表示大型光伏电站，是准确评估其气候环境效应的关键问题。

针对这一问题，中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用全国重点实验室刘屹岷研究员团队与长江大学金继明教授合作，在WRF模式基础上发展了全耦合WRF-PV模型。该模型将光伏板能量平衡过程耦合进WRF陆面模式，显式考虑光伏板的短波和长波辐射交换、感热交换、电能转换以及对地面的遮阴作用，并进一步构建了光伏板—地表联合能量平衡方案，实现光伏板、板间地面和大气之间的能量收支闭合。与此同时，光伏引起的辐射和热力变化能够实时反馈至大气，从而实现光伏影响下的双向陆面—大气耦合。

图1 光伏模型的能量平衡示意图

本研究在我国西北大型光伏电站集中分布区开展多年高分辨率数值模拟，并利用再分析资料、气象站观测和卫星遥感产品对模型进行评估。结果表明，模型能够较好再现研究区域气温、降水及地表温度的主要空间和时间变化特征，加入光伏物理过程后，对光伏电站区域地表热力状态的模拟得到改善。

进一步研究表明，在研究区夏季条件下，光伏电站显著改变了地表能量分配。白天，光伏板遮阴使地表温度降低，同时光伏板吸收太阳辐射后加强与大气之间的感热交换，使近地面空气升温。与此同时，进入土壤和用于蒸发的能量有所减少，更多能量通过感热过程输送至大气。 这种地表能量变化还能够进一步影响低层大气。增强的感热输送降低了大气稳定度，加强局地上升运动并促进低云形成，从而对到达地表的太阳辐射产生反馈。此外，光伏电站对区域总降水的影响相对有限，但能够改变不同强度降水事件之间的分配，并表现出极端降水的非局地响应。

图2 (a) 在所有光伏网格单元中，WRF_PV中的综合皮肤温度（TSK_PV）、地表温度（TG_PV）、光伏板表面温度（TPV_PV）以及 WRF_CTL 中的皮肤温度（TSK_CTL）的日变化平均值。(b) WRF_PV与WRF_CTL 之间TSK与T2差异的日变化。阴影区域表示95%置信区间。

图3 WRF_PV与WRF_CTL中日降水强度的概率密度分布

未来，随着大型光伏基地持续扩展，光伏电站与区域气候、生态环境和太阳能资源之间的相互作用将更加重要。WRF-PV可为开展更长时间尺度、更大空间范围及不同开发情景下的模拟研究提供工具，并为进一步研究光伏开发对水文、生态等陆面过程的影响提供基础。

本研究已在线发表于国际期刊Geoscientific Model Development。第一作者为中国科学院大气物理研究所博士研究生陈怡然，通讯作者为刘屹岷研究员和长江大学金继明教授。本研究受到国家自然科学基金项目42288101的资助与国家重大科技基础设施“地球系统数值模拟装置”（https://cstr.cn/31134.02.EL）的技术支持。

文章信息：

Chen, Y., Jin, J., Liu, Y., Heusinger, J., Carrera, J., and Zhou, Z., 2026: Simulating the impacts of utility-scale photovoltaic installations with a physically based coupled WRF-PV model, Geosci. Model Dev., 19, 8515–8533, https://doi.org/10.5194/gmd-19-8515-2026.