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氣候變化背景下，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)碳中和/凈零排放、控制全球溫升的關(guān)鍵。太陽(yáng)能和風(fēng)能是轉(zhuǎn)型過(guò)程中的主要力量，受到高度重視，被廣泛開(kāi)發(fā)利用。但其能源產(chǎn)出受氣象條件影響較大，高溫靜風(fēng)、污染多云等不利氣象條件可能會(huì)降低太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電量。因此，分析在氣候變化背景下氣象條件改變對(duì)全球太陽(yáng)能、風(fēng)能潛力及其時(shí)間波動(dòng)性的影響，系統(tǒng)評(píng)估碳中和約束下氣候變化減緩措施對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能潛力的作用具有重要意義，可為未來(lái)可再生能源的長(zhǎng)期規(guī)劃和投資建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。
一 構(gòu)建研究路線(xiàn)
研究團(tuán)隊(duì)利用國(guó)際新冠疫情模式比較計(jì)劃項(xiàng)目(CovidMIP)中SSP2-4.5參照情景、MOD(Moderate mitigation)情景和STR(Strong mitigation)情景(表1)下多模式集合模擬的溫度、表面風(fēng)速、地表向下短波輻射通量等變量，計(jì)算了不同時(shí)期(歷史時(shí)期：1995-2014年，未來(lái)：2040-2049年)太陽(yáng)能和風(fēng)能潛力，從全球視角綜合評(píng)估了太陽(yáng)能和風(fēng)能潛力及其不同時(shí)間尺度波動(dòng)性對(duì)碳中和政策的響應(yīng)變化。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECWMF)ERA5高分辨率的格點(diǎn)氣象再分析數(shù)據(jù)，采用基于n維概率密度函數(shù)變換的多變量協(xié)同偏差訂正技術(shù)(MBCn)對(duì)情景模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差訂正，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。此外，研究團(tuán)隊(duì)使用歸一化平均絕對(duì)偏差(Normalized Mean Absolute Deviation, NMAD)計(jì)算不同時(shí)間尺度(日、月、年)太陽(yáng)能和風(fēng)能變率，分析了太陽(yáng)能和風(fēng)能潛力變化的時(shí)間波動(dòng)性。
表1. 三種排放情景設(shè)置
二 實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)可帶來(lái)增強(qiáng)與穩(wěn)定太陽(yáng)能和風(fēng)能的共同效益
利用上述方法，研究團(tuán)隊(duì)分析了不同的碳中和目標(biāo)約束下，未來(lái)氣候變化對(duì)太陽(yáng)能和風(fēng)能潛力的影響，得出以下3個(gè)主要結(jié)論：
1 太陽(yáng)能和風(fēng)能潛力全球分布存在顯著差異
太陽(yáng)能潛力大值主要出現(xiàn)在全球干旱、半干旱區(qū)域(北非、澳大利亞、亞洲中部)，而季風(fēng)區(qū)域太陽(yáng)能潛力較小；風(fēng)能潛力大值主要位于美國(guó)中部、歐洲、北非、澳大利亞以及北亞。
2 MOD和STR情景下，未來(lái)亞洲區(qū)域太陽(yáng)能、風(fēng)能潛力增加
SSP2-4.5情景下，2040-2049年美國(guó)東部、歐洲和中國(guó)東部太陽(yáng)能潛力增加(相較歷史階段)，印度和西非太陽(yáng)能潛力減小。MOD和STR情景下，未來(lái)亞洲區(qū)域太陽(yáng)能潛力大幅提升，尤其在中國(guó)東部和印度。太陽(yáng)能潛力變化與輻射、溫度、風(fēng)速(W)、氣溶膠光厚度(AOD)、云量等因素有關(guān)。SSP2-4.5情景下，在太陽(yáng)能潛力增加區(qū)域，輻射起正貢獻(xiàn)，溫度起負(fù)貢獻(xiàn)；而在太陽(yáng)能潛力減小區(qū)域，輻射和溫度均起正貢獻(xiàn)。MOD和STR情景下，輻射變化(主要由人為源排放驅(qū)動(dòng))是太陽(yáng)能潛力增加的主要驅(qū)動(dòng)因素。
SSP2-4.5情景下，2040-2049年全球風(fēng)能由北半球向南半球轉(zhuǎn)換(相較歷史階段)，熱帶和南亞熱帶地區(qū)風(fēng)能潛力增加，北部中高緯度地區(qū)風(fēng)能潛力減小。MOD和STR情景下，未來(lái)全球風(fēng)能由西半球向東半球轉(zhuǎn)換，亞洲區(qū)域(尤其是中國(guó)東部)風(fēng)能潛力增加。全球風(fēng)能的變化主要由切入風(fēng)速(Below cut-in，W<3)和上升風(fēng)速(Ramp-up，3≤W≤11)之間的相互轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)。其中，風(fēng)能密度(WPD)的空間變化與實(shí)際風(fēng)能潛力(WP)大體一致，但變化幅度略小。
3 MOD和STR情景下，未來(lái)亞洲區(qū)域太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電穩(wěn)定性增強(qiáng)
時(shí)間變率是可再生能源的一個(gè)關(guān)鍵方面，強(qiáng)烈影響能源供應(yīng)的穩(wěn)定性。通過(guò)時(shí)間變率量化太陽(yáng)能和風(fēng)能變化的時(shí)間波動(dòng)性有助于規(guī)劃互補(bǔ)能源和儲(chǔ)能以確保穩(wěn)定可靠的能源供應(yīng)。相較于SSP2-4.5情景，MOD和STR情景下，2040-2049年太陽(yáng)能不同時(shí)間尺度(日、月、年)變率在除南美南部以外的地區(qū)均呈減小趨勢(shì)，風(fēng)能時(shí)間變率則在美國(guó)東部、西歐、印度、中國(guó)東部等地區(qū)呈減小趨勢(shì)。這表明全球碳中和政策將減小全球大部分陸地區(qū)域風(fēng)能和太陽(yáng)能在不同時(shí)間尺度的波動(dòng)性。
該研究結(jié)果揭示21世紀(jì)中期全球碳中和驅(qū)動(dòng)的人為排放減少將給一些地區(qū)(尤其是亞洲)帶來(lái)更強(qiáng)且更穩(wěn)定的太陽(yáng)能和風(fēng)能的協(xié)同效益。因此，亞洲區(qū)域有望成為未來(lái)幾十年可再生能源發(fā)展的熱點(diǎn)地區(qū)。更強(qiáng)且更穩(wěn)定的太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電又將加速傳統(tǒng)能源向清潔能源轉(zhuǎn)型，從而形成一個(gè)有利的人類(lèi)-自然反饋循環(huán)的效應(yīng)。
專(zhuān)家簡(jiǎn)介 王志立 中國(guó)氣象科學(xué)研究院 大氣成分與環(huán)境氣象研究所研究員
原標(biāo)題：專(zhuān)家觀點(diǎn) | 王志立：碳中和約束下未來(lái)氣候變化對(duì)全球太陽(yáng)能和風(fēng)能潛力的影響
原標(biāo)題：專(zhuān)家觀點(diǎn) | 王志立：碳中和約束下未來(lái)氣候變化對(duì)全球太陽(yáng)能和風(fēng)能潛力的影響
