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摘要：可再生能源的開發(fā)利用，是減緩“氣候變化”的有效途徑?！半p碳”目標，對我國風電和光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃提出了更高的要求。在此背景下，開展風能、太陽能資源變化預估可為區(qū)域級能源發(fā)展規(guī)劃和電力運行提供科學指導。然而，目前的研究還缺乏高時空分辨率結果的支持，導致精細化預估尚未開展，并且已有的結果之間存在較大的差異和不確定性，難以給出較為精確的結論。本文綜述了“雙碳”背景下，風能、太陽能資源預估的重要性、技術瓶頸、最新結果及挑戰(zhàn)。在此基礎上，提出加強風能、太陽能資源的短期服務能力、中長期服務保障，進一步提高預估技術水平、協(xié)調資源開發(fā)利用的季節(jié)性和區(qū)域性差異，以助力實現(xiàn)“雙碳”愿景。
關鍵詞：氣候變化；風能太陽能資源；預估技術；服務保障
一、“雙碳”背景下，風能、太陽能資源預估的重要性
目前，風電和太陽能發(fā)電已經(jīng)成為我國清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向。根據(jù)“雙碳”目標“三步走”的路線，我國非化石能源消費比重將在 2025 年、2030 年和 2060年這三個時間點不斷提升，最終比重達 80%以上。完成這一目標，離不開風電、太陽能發(fā)電裝機容量的大規(guī)模提升。近年來，新能源的開發(fā)建設迅猛發(fā)展，年均新增裝機量持續(xù)增加，技術進步帶來成本的大幅度下降，使產(chǎn)業(yè)規(guī)模得以不斷擴大。2010 年～ 2019年，全球范圍內(nèi)陸上風電、海上風電和光伏發(fā)電的平均成本已經(jīng)分別下降了 39%、 29%和 82%?？紤]未來其生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢，需求會進一步增加，逐漸發(fā)展為能源行業(yè)的主流。我國明確至 2030 年，風電和太陽能發(fā)電總裝機容量將達到 12 億千瓦以上。截至 2022 年底，全國風電裝機容量約 3.7 億千瓦，同比增長 11.2%，連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一；全國太陽能發(fā)電裝機容量約 3.9 億千瓦，同比增長 28.1%。未來 10 年，風電和光伏有近乎一半的市場規(guī)模擴張空間，前景巨大，可期待性頗高 。
然而，未來氣候變化對風能、太陽能資源本身將產(chǎn)生直接影響，例如，氣候變化將改變我國平均風速的分布，從而對風電產(chǎn)生影響，將對太陽輻射的分布也產(chǎn)生影響，進而影響區(qū)域尺度太陽能資源開發(fā)和利用。未來極端天氣氣候事件如暴雨洪澇、臺風、雷電、高溫干旱、低溫冰凍等的變化均具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特征，極端天氣氣候事件會直接影響風電場及太陽能內(nèi)部裝置的抗氣象風險能力 。這種影響會對應對氣候變化而采取的政策措施，如“雙碳”目標的實施等造成間接影響。
因此，在氣候變化背景下，合理預估我國風速變化特征和趨勢，對我國未來風能利用規(guī)劃具有重要意義，對于未來風電場和光伏電站的選址，風電、光伏發(fā)電潛力預估，風能、太陽能開發(fā)利用與氣候環(huán)境效應的科學評估等方面，均將起重要的指導作用。
二、 風能、太陽能資源預估現(xiàn)狀和技術瓶頸
（一）預估技術手段、最新結果
我國地表風速變化預估研究最早是基于第三次耦合模式比較計劃（CMIP3）的多模式結果開展的，基于單排放情景的預估結果表明， 21 世紀我國整個區(qū)域年平均風速呈微弱的減小趨勢，且隨著溫室氣體排放濃度的增加其減小的程度越顯著 。隨后，采用耦合模式比較計劃第五階段（CMIP5）的多個全球氣候模式，考慮高、中、低三種溫室氣體排放情景下的預估結果也表明， 21 世紀我國年平均風速呈減小的趨勢，隨著溫室氣體排放濃度的增加，其減小趨勢的程度依次增大，模式間預估的一致性也依次增加。就區(qū)域性差異來看， CMIP3 和 CMIP5 這兩個比較計劃的預估結果均指出， 21 世紀我國西部地區(qū)年平均風速呈減小趨勢，東部地區(qū)年平均風速則呈增加趨勢 。
目前，使用區(qū)域氣候模式對我國風能和太陽能開展了一些研究，但總體仍然不夠多。其中 Jiang 等基于三個區(qū)域氣候模式模擬結果對我國未來地表風速變化進行了研究，指出到 21 世紀末，我國年平均風速和冬季平均風速都有所下降。Guo 等基于區(qū)域模式集合預估了未來中、高排放情景下的結果，指出未來我國的風力資源略有減少（3% ～ 4%）。Wu 等基于高分辨率區(qū)域模式集合結果在低、中、高排放情景下的預估研究表明， 2020年～ 2100 年我國四個季節(jié)的平均風功率密度呈下降趨勢，其中秋冬兩季較顯著，年平均風功率密度下降幅度在每 10 年 0.36% 至1.14% 之間 。
在太陽能資源的預估方面，目前的研究還比較少，僅有少量基于模式的結果。其中，基于多個全球模式集合，在高排放情景下的預估結果表明，未來我國東部和南部地區(qū)太陽輻射呈增加趨勢，而在青藏高原和西北地區(qū)則呈下降趨勢 ?；诟叻直媛蕝^(qū)域氣候模式對低、中、高三種排放情景下的預估結果顯示，在不同排放情景下，未來我國中東部及西南地區(qū)太陽能資源增加，而太陽能豐富區(qū)（ 西北和東北地區(qū)）減少，并指出輻射減少是未來太陽能資源下降的主因，但對于青藏高原，風速下降也是一個重要的影響因素 。
以上研究的結果，可以為未來我國風能、太陽能的開發(fā)利用、優(yōu)化布局提供科學參考，從而更好地支撐長期的氣候變化減緩承諾。
（二）預估技術瓶頸及未來展望
1. 基于全球模式預估存在的問題：在氣候變化背景下，風能和太陽能資源的預估研究主要依靠模式進行。總體來看，目前基于全球海氣耦合模式的結果較多，其結果表明，耦合模式比較計劃第五階段（CMIP5）和第六階段（CMIP6）的所有模式都傾向于低估我國地表風速的年際變化，無法再現(xiàn)觀測中的下降趨勢。研究還指出，盡管 CMIP6 比 CMIP5具有更高的空間分辨率和更完善的物理過程，但其捕捉局部和區(qū)域強迫的能力仍然不足，特別是在我國地形復雜的區(qū)域 。此外，對我國未來太陽能資源變化開展的研究較少，僅有一些基于 CMIP5 全球模式的研究結果指出，全球模式對我國地表太陽輻射的模擬還存在明顯的高估 。
2. 基于區(qū)域模式預估的優(yōu)勢：高分辨率區(qū)域氣候模式，在描述我國區(qū)域小尺度強迫和地形方面有很大改進。研究表明，高分辨率區(qū)域氣候模式對我國地表風速和太陽輻射的分布具有一定的模擬能力，相比全球模式有一定改進，能更好地模擬出平均風速和太陽輻射的空間分布細節(jié)和局地變化特征。因此，基于區(qū)域氣候模式開展我國未來風能和太陽能資源變化預估是必然趨勢，有望得到更多區(qū)域尺度的變化信息 。
3. 基于區(qū)域模式預估存在的問題：盡管基于區(qū)域氣候模式開展了一些研究，但總體仍然不夠多。同時，區(qū)域模式還存在對近 50年來我國大范圍風速減弱趨勢模擬不佳以及對太陽輻射值模擬偏大的問題 ，這與全球模式驅動場的模擬偏差引入?yún)^(qū)域模式有關。此外，還有一個重要方面是區(qū)域模式本身物理過程的限制，未來需要對全球模式驅動場進行系統(tǒng)性評估、優(yōu)選以及對區(qū)域模式模擬內(nèi)部物理過程進行優(yōu)化和改進。多模式集合模擬研究有助于減少預估的不確定性，但由于計算資源的限制，目前集合個數(shù)仍較少，難以給出定性的結論，因此未來還需要開展更多區(qū)域模式結果的集合研究。
三、當前預估技術下的初步結果
近年來，國家氣候中心采用意大利理論物理中心開發(fā)的 RegCM4（http://gforge.ictp.it/gf/project/regcm/）區(qū)域氣候模式進行動力降尺度試驗，完成了多組水平分辨率為 25公里的長期模擬，模擬區(qū)域包括我國及周邊地區(qū)，時段為 1986 年～ 2100 年，其中 1986年～ 2005 年為歷史對比時段， 2030 年～ 2050年為未來變化時段。本文基于以上高分辨率模擬結果，對我國及其不同區(qū)域的風能和太陽能資源變化進行預估。
（一）2030 年～ 2050 年我國風資源的變化
基于以上多組模擬結果，分析了未來低、中、高排放情景下（ 分別代表到 2100 年，風能資源輻射強迫峰值分別達到 2.6 瓦 / 平方米、4.5 瓦 / 平方米和 8.5 瓦 / 平方米）我國2030 年～ 2050 年風能資源變化的季節(jié)性和區(qū)域性差異。鑒于風功率密度是衡量風能資源的綜合指標，首先對我國四個季節(jié)及年平均的風功率密度變化百分率進行分析?？梢钥吹?， 2030 年～ 2050 年，除夏季外，我國風功率密度在其他季節(jié)均表現(xiàn)為減少，并且春季的減少幅度最顯著，三種排放情景下的減少值分別為 25.2%、 20.9% 和 26.5%。其次為冬季，減少值分別為 15.3%、 11.3% 和 10.4%。夏季則表現(xiàn)為增加，增幅隨著排放濃度增大而減小，三種排放情景下的增加值分別為13.1%、 6.5% 和 5.3%。（見圖 1）。
為深入分析風資源變化的區(qū)域性差異，將我國分為東北、華北、東南、中南、華南、青藏高原、西南和西北八個子區(qū)域?？梢钥吹?， 2030 年～ 2050 年，風資源豐富區(qū)包括東北、華北以及青藏高原地區(qū)的年平均風功率密度均表現(xiàn)為減少，其中華北的減少幅度最大，三種排放情景下的減少值分別達 19.7%、11.6% 和 20.3%，東北和青藏高原的減幅基本在 10% 以內(nèi)。我國東部、中南、華南、西南以及西北地區(qū)則表現(xiàn)為增加，其中華南地區(qū)低風速區(qū)的增幅最大，三種排放情景下華南地區(qū)年均風功率密度變化增加值分別為 61.3%、38.7% 和 40.8%（見圖 2）。
（二）2030 年～ 2050 年我國光伏資源變化
本文基于以上多組模擬結果，分析了不同排放情景下我國 2030 年～ 2050 年太陽能資源變化的季節(jié)性和區(qū)域性差異。光伏發(fā)電量的計算，考慮了太陽輻射、氣溫和地表風速的綜合影響。首先，對我國四個季節(jié)及年平均的光伏發(fā)電量變化百分率進行分析?？梢钥吹剑?2030 年～ 2050 年我國四個季節(jié)平均的光伏發(fā)電量均表現(xiàn)為減少，但總體的變化幅度不大，其中冬季的減幅略大，三種排放情景下的減少值分別為 1.8%、 1.7% 和2.2%。我國年平均光伏發(fā)電量在不同排放情景下均為減少，不同排放情景之間的差異不明顯，減少值范圍在 1.1% 至 1.3% 之間（ 見圖 3）。
對未來我國太陽能資源變化的區(qū)域性差異，進一步進行分析。2030 年～ 2050 年，除華南和西南地區(qū)外，我國大部分區(qū)域（包括東北、華北、中部、中南、青藏高原及西北）的年平均光伏發(fā)電量均表現(xiàn)為減少，但變化幅度均不超過 3%。西北地區(qū)太陽能資源豐富區(qū)減幅最大，三種不同排放情景下的減少值分別為 3.8%、 3.1% 和 3.5%。華南和西南地區(qū)則表現(xiàn)為增加，但幅度較小，不到 3%，另外，西南地區(qū)模擬的不確定性較大（見圖 4）。
四、主要結論和政策措施建議
（一）預估結果對產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的可能影響以及不確定性
基于當前技術水平對氣候變化背景下我國風能和太陽能資源的預估結果表明， 2030年～ 2050 年我國總體的風能和太陽能資源趨于減少，年平均風功率密度和光伏發(fā)電量的變化百分率分別在 12%～ 9% 和 1.1%～ 1.3%之間，但考慮到風功率密度和光伏發(fā)電量的年際變率較大（均在 ±10% 以上），其結果可能不會對我國未來的風能和太陽能資源規(guī)劃產(chǎn)生實質性影響。此外，注意到，風能資源的季節(jié)性和區(qū)域性差異較太陽能資源明顯要大，華南低風速區(qū)的增加趨勢對于該地區(qū)風電技術開發(fā)利用具有有利影響。
對于風功率密度未來變化的預估，不同季節(jié)、不同區(qū)域間模擬的不確定性存在明顯差異。例如，春季和秋季的變化雖然均表現(xiàn)為減少，但不同模擬結果之間的差異性較大，個別模擬結果的變化符號和集合平均相反（ 見圖 1）。就區(qū)域而言，青藏高原和西南地區(qū)預估的不確定性相對較大，同樣存在個別模擬結果的變化符號和集合平均相反的情況（ 見圖 2）。不同模擬結果對太陽能資源季節(jié)變化的模擬一致性較好，模式間的離散度不大（ 見圖 3）。但對于不同的區(qū)域，其模擬的不確定性存在一定差異，例如東部、中南和西南地區(qū)的不確定性相對明顯，個別模擬結果的變化符號和集合平均結果相反（見圖 4）。
當前，預估技術的不確定性來源于多個方面。首先，用于動力降尺度的全球模式驅動場對我國復雜下墊面以及物理過程的描述存在偏差 ，且會引入?yún)^(qū)域氣候模式，從而對降尺度結果造成一定影響。其次，區(qū)域模式本身物理過程也有待改進。未來可以通過提高區(qū)域氣候模式分辨率、完善內(nèi)部物理過程等減少預估的不確定性，也可以針對性開展模式數(shù)據(jù)訂正工作。再次，由于目前包括了低、中、高三種排放情景下的動力降尺度模擬個數(shù)有限，難以給出定量的結論，很難為未來我國風能和太陽能開發(fā)的建議給出較為明確的指導和建議。因此，未來有必要收集更多的模擬數(shù)據(jù)，以幫助減少集合預估的不確定性。此外，對于風能和太陽能的預估而言，不同模擬結果之間的不確定性明顯比不同排放情景要大，可見全球模式驅動場的選取以及區(qū)域模式內(nèi)部物理過程的改進對風能太陽能未來變化預估至關重要。
（二）“雙碳”目標下的對策及建議
1. 加強風能、太陽能資源開發(fā)利用的短期氣候信息服務能力
根據(jù)《氣象高質量發(fā)展綱要（2022～ 2035年）》的發(fā)展目標，未來需加強氣候資源評估和規(guī)劃，推進風能、太陽能資源的普查、區(qū)劃、監(jiān)測和信息發(fā)布等制度的建立，開展風電和光伏發(fā)電資源開發(fā)量評估，全面勘查和評價全國乃至不同區(qū)域可利用資源。此外，風電場、光伏電站等規(guī)劃和選址必須要充分考慮氣候可行性，因此在風能、太陽能開發(fā)利用和安全運營階段，需要提高氣候監(jiān)測、預測及其對資源開發(fā)和安全運行的影響和評估技術能力，針對短期氣候變化進行分析研判，完善風能和太陽能的開發(fā)利用方案，促進風電和光伏發(fā)電的調峰、錯峰，提高電網(wǎng)智能化水平，最終提高資源開發(fā)和利用效率。
未來極端天氣氣候事件如暴雨洪澇、臺風、雷電、高溫干旱、低溫冰凍等的變化均具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性特征，這將會直接影響風電場及太陽能內(nèi)部裝置的抗氣象風險能力。例如，持續(xù)高溫、低溫均將導致電力系統(tǒng)超負荷、光伏組件發(fā)電效率降低，電池壽命縮短；極端低溫和雷暴可能對風力機組的運行造成影響；強沙塵天氣會影響輻照的接受率，降低組件的發(fā)電量，增加發(fā)電成本。因此需要加強氣候信息服務能力，全面提高區(qū)域級極端事件和風險的應對服務能力。
2. 提高風能、太陽能高分辨率預估技術
當前的預估研究較集中于對風速和太陽輻射本身的變化，對我國及其區(qū)域級風能、太陽能技術可開發(fā)量的預估成果很少，未來碳中和情景下的開發(fā)利用對碳減排的貢獻如何也未有結論，因此需要開展精細化預估，以期得到定性的結論，為生態(tài)環(huán)境效應的評估提供科學參考。目前可開發(fā)量及對碳減排貢獻研究較少的主要原因是缺乏高時空分辨率（小時）數(shù)據(jù)的支持，而日尺度或月尺度的數(shù)據(jù)將覆蓋許多關鍵的風光變化信號，無法反映風電和光伏技術開發(fā)量的瞬時和局地尺度演變規(guī)律等 。然而，未來風電和光伏發(fā)電量的精細化預估結果對于電力系統(tǒng)調度、電力負荷配合、區(qū)域風光互補、常規(guī)能源發(fā)電規(guī)劃和風能光伏發(fā)電規(guī)劃等具有重要指導意義。
3. 協(xié)調未來風能、太陽能資源開發(fā)利用的季節(jié)性和區(qū)域性差異
“雙碳”目標下，需要根據(jù)我國不同地區(qū)風光資源的季節(jié)性變化特征進行統(tǒng)籌安排，調整電力系統(tǒng)調度方案，打造新型電力系統(tǒng)，制定減碳降碳的相關政策。此外，還應該同時參考區(qū)域變化特征，因地制宜，合理利用。例如，未來我國東部及南方低風速區(qū)的風能資源有增加趨勢（ 見圖 2），而相應的這些地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，有明顯的技術優(yōu)勢支撐，應大力開發(fā)低風速技術，有望率先實現(xiàn)碳達峰。另外，在風能和太陽能資源較為豐富的“三北”地區(qū)進一步推動風電和光伏發(fā)電基地的規(guī)?；_發(fā)和優(yōu)化布局，提高開發(fā)利用效率，降低未來風能資源減少帶來的不利影響。
4. 加強風能、太陽能資源的中長期氣候變化服務保障
“雙碳”目標下，除了短期氣候服務以外，中長期氣候變化服務保障也不容忽視，應加強氣候變化服務與風能太陽能發(fā)展規(guī)劃的深度耦合。未來氣候變化及其導致的一些復合風險，將會對風光資源開發(fā)、供需等帶來更大的挑戰(zhàn)。除了短期開發(fā)運行、電力調度等方面的氣候服務保障以外，中長期的氣候變化服務，如提供碳中和氣候變化背景下的中長期預估結果，可為電力行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃提供科學指導。同時也有助于在“雙碳”目標的基礎上，建立區(qū)域新能源發(fā)展路線和有效的適應戰(zhàn)略，實現(xiàn)區(qū)域資源的優(yōu)化配置。此外，需要建立風能和太陽能監(jiān)測、預報、預估綜合管理體系，綜合研究大規(guī)模風能和太陽能資源開發(fā)利用的生態(tài)氣候環(huán)境效應，為風光優(yōu)化布局、氣候變化減緩和適應行動提供科學參考。最終為實現(xiàn)“雙碳”目標，提出具有針對性的、適用于我國及區(qū)域級風能和太陽能發(fā)展規(guī)劃的建議和措施。
作者簡介
吳佳，國家氣候中心氣候變化監(jiān)測預估室，研究員，研究領域為動力降尺度和區(qū)域氣候變化。
文章來源
本篇文章發(fā)表于《中國能源》雜志2023年1-2合刊。
