专家观点|王志立：碳中和约束下未来气候变化对全球太阳能和风能潜力的影响

　　气候变化背景下，能源结构转型是实现碳中和/净零排放、控制全球温升的关键。太阳能和风能是转型过程中的主要力量，受到高度重视，被广泛开发利用。但其能源产出受气象条件影响较大，高温静风、污染多云等不利气象条件可能会降低太阳能和风能发电量。因此，分析在气候变化背景下气象条件改变对全球太阳能、风能潜力及其时间波动性的影响，系统评估碳中和约束下气候变化减缓措施对太阳能和风能潜力的作用具有重要意义，可为未来可再生能源的长期规划和投资建设提供科学依据。
 

　　一 构建研究路线

 

　　研究团队利用国际新冠疫情模式比较计划项目(CovidMIP)中SSP2-4.5参照情景、MOD(Moderate mitigation)情景和STR(Strong mitigation)情景(表1)下多模式集合模拟的温度、表面风速、地表向下短波辐射通量等变量，计算了不同时期(历史时期：1995-2014年，未来：2040-2049年)太阳能和风能潜力，从全球视角综合评估了太阳能和风能潜力及其不同时间尺度波动性对碳中和政策的响应变化。研究团队结合欧洲中期天气预报中心(ECWMF)ERA5高分辨率的格点气象再分析数据，采用基于n维概率密度函数变换的多变量协同偏差订正技术(MBCn)对情景模拟数据进行偏差订正，以提高模拟结果的准确度。此外，研究团队使用归一化平均绝对偏差(Normalized Mean Absolute Deviation, NMAD)计算不同时间尺度(日、月、年)太阳能和风能变率，分析了太阳能和风能潜力变化的时间波动性。
 

表1. 三种排放情景设置
 

　　二 实现碳中和目标可带来增强与稳定太阳能和风能的共同效益
 

　　利用上述方法，研究团队分析了不同的碳中和目标约束下，未来气候变化对太阳能和风能潜力的影响，得出以下3个主要结论：
 

　　1 太阳能和风能潜力全球分布存在显著差异

 

　　太阳能潜力大值主要出现在全球干旱、半干旱区域(北非、澳大利亚、亚洲中部)，而季风区域太阳能潜力较小；风能潜力大值主要位于美国中部、欧洲、北非、澳大利亚以及北亚。
 

　　2 MOD和STR情景下，未来亚洲区域太阳能、风能潜力增加

 

　　SSP2-4.5情景下，2040-2049年美国东部、欧洲和中国东部太阳能潜力增加(相较历史阶段)，印度和西非太阳能潜力减小。MOD和STR情景下，未来亚洲区域太阳能潜力大幅提升，尤其在中国东部和印度。太阳能潜力变化与辐射、温度、风速(W)、气溶胶光厚度(AOD)、云量等因素有关。SSP2-4.5情景下，在太阳能潜力增加区域，辐射起正贡献，温度起负贡献；而在太阳能潜力减小区域，辐射和温度均起正贡献。MOD和STR情景下，辐射变化(主要由人为源排放驱动)是太阳能潜力增加的主要驱动因素。
 

　　SSP2-4.5情景下，2040-2049年全球风能由北半球向南半球转换(相较历史阶段)，热带和南亚热带地区风能潜力增加，北部中高纬度地区风能潜力减小。MOD和STR情景下，未来全球风能由西半球向东半球转换，亚洲区域(尤其是中国东部)风能潜力增加。全球风能的变化主要由切入风速(Below cut-in，W<3)和上升风速(Ramp-up，3≤W≤11)之间的相互转化驱动。其中，风能密度(WPD)的空间变化与实际风能潜力(WP)大体一致，但变化幅度略小。
 

　　3 MOD和STR情景下，未来亚洲区域太阳能和风能发电稳定性增强

 

　　时间变率是可再生能源的一个关键方面，强烈影响能源供应的稳定性。通过时间变率量化太阳能和风能变化的时间波动性有助于规划互补能源和储能以确保稳定可靠的能源供应。相较于SSP2-4.5情景，MOD和STR情景下，2040-2049年太阳能不同时间尺度(日、月、年)变率在除南美南部以外的地区均呈减小趋势，风能时间变率则在美国东部、西欧、印度、中国东部等地区呈减小趋势。这表明全球碳中和政策将减小全球大部分陆地区域风能和太阳能在不同时间尺度的波动性。
 

　　该研究结果揭示21世纪中期全球碳中和驱动的人为排放减少将给一些地区(尤其是亚洲)带来更强且更稳定的太阳能和风能的协同效益。因此，亚洲区域有望成为未来几十年可再生能源发展的热点地区。更强且更稳定的太阳能和风能发电又将加速传统能源向清洁能源转型，从而形成一个有利的人类-自然反馈循环的效应。

 

　　专家简介 王志立 中国气象科学研究院 大气成分与环境气象研究所研究员

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