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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(biāo)，對我國風(fēng)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(fēng)能、太陽能資源變化預(yù)估可為區(qū)域級能源發(fā)展規(guī)劃和電力運行提供科學(xué)指導(dǎo)。然而，目前的研究還缺乏高時空分辨率結(jié)果的支持，導(dǎo)致精細(xì)化預(yù)估尚未開展，并且已有的結(jié)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(jié)論。本文綜述了“雙碳”背景下，風(fēng)能、太陽能資源預(yù)估的重要性、技術(shù)瓶頸、最新結(jié)果及挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，提出加強(qiáng)風(fēng)能、太陽能資源的短期服務(wù)能力、中長期服務(wù)保障，進(jìn)一步提高預(yù)估技術(shù)水平、協(xié)調(diào)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(guān)鍵詞：氣候變化；風(fēng)能太陽能資源；預(yù)估技術(shù)；服務(wù)保障
一、“雙碳”背景下，風(fēng)能、太陽能資源預(yù)估的重要性
目前，風(fēng)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(biāo)“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(dá) 80%以上。完成這一目標(biāo)，離不開風(fēng)電、太陽能發(fā)電裝機(jī)容量的大規(guī)模提升。近年來，新能源的開發(fā)建設(shè)迅猛發(fā)展，年均新增裝機(jī)量持續(xù)增加，技術(shù)進(jìn)步帶來成本的大幅度下降，使產(chǎn)業(yè)規(guī)模得以不斷擴(kuò)大。2010 年～ 2019年，全球范圍內(nèi)陸上風(fēng)電、海上風(fēng)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(jìn)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(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到 12 億千瓦以上。截至 2022 年底，全國風(fēng)電裝機(jī)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(jī)容量約 3.9 億千瓦，同比增長 28.1%。未來 10 年，風(fēng)電和光伏有近乎一半的市場規(guī)模擴(kuò)張空間，前景巨大，可期待性頗高 。
然而，未來氣候變化對風(fēng)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(fēng)速的分布，從而對風(fēng)電產(chǎn)生影響，將對太陽輻射的分布也產(chǎn)生影響，進(jìn)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(fēng)、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(fēng)電場及太陽能內(nèi)部裝置的抗氣象風(fēng)險能力 。這種影響會對應(yīng)對氣候變化而采取的政策措施，如“雙碳”目標(biāo)的實施等造成間接影響。
因此，在氣候變化背景下，合理預(yù)估我國風(fēng)速變化特征和趨勢，對我國未來風(fēng)能利用規(guī)劃具有重要意義，對于未來風(fēng)電場和光伏電站的選址，風(fēng)電、光伏發(fā)電潛力預(yù)估，風(fēng)能、太陽能開發(fā)利用與氣候環(huán)境效應(yīng)的科學(xué)評估等方面，均將起重要的指導(dǎo)作用。
二、 風(fēng)能、太陽能資源預(yù)估現(xiàn)狀和技術(shù)瓶頸
（一）預(yù)估技術(shù)手段、最新結(jié)果
我國地表風(fēng)速變化預(yù)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(jié)果開展的，基于單排放情景的預(yù)估結(jié)果表明， 21 世紀(jì)我國整個區(qū)域年平均風(fēng)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(yù)估結(jié)果也表明， 21 世紀(jì)我國年平均風(fēng)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(yù)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(yù)估結(jié)果均指出， 21 世紀(jì)我國西部地區(qū)年平均風(fēng)速呈減小趨勢，東部地區(qū)年平均風(fēng)速則呈增加趨勢 。
目前，使用區(qū)域氣候模式對我國風(fēng)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(jié)果對我國未來地表風(fēng)速變化進(jìn)行了研究，指出到 21 世紀(jì)末，我國年平均風(fēng)速和冬季平均風(fēng)速都有所下降。Guo 等基于區(qū)域模式集合預(yù)估了未來中、高排放情景下的結(jié)果，指出未來我國的風(fēng)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(jié)果在低、中、高排放情景下的預(yù)估研究表明， 2020年～ 2100 年我國四個季節(jié)的平均風(fēng)功率密度呈下降趨勢，其中秋冬兩季較顯著，年平均風(fēng)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(yù)估方面，目前的研究還比較少，僅有少量基于模式的結(jié)果。其中，基于多個全球模式集合，在高排放情景下的預(yù)估結(jié)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(yù)估結(jié)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(fēng)速下降也是一個重要的影響因素 。
以上研究的結(jié)果，可以為未來我國風(fēng)能、太陽能的開發(fā)利用、優(yōu)化布局提供科學(xué)參考，從而更好地支撐長期的氣候變化減緩承諾。
（二）預(yù)估技術(shù)瓶頸及未來展望
1. 基于全球模式預(yù)估存在的問題：在氣候變化背景下，風(fēng)能和太陽能資源的預(yù)估研究主要依靠模式進(jìn)行?？傮w來看，目前基于全球海氣耦合模式的結(jié)果較多，其結(jié)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(fēng)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(qiáng)迫的能力仍然不足，特別是在我國地形復(fù)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(jié)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(yù)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(qiáng)迫和地形方面有很大改進(jìn)。研究表明，高分辨率區(qū)域氣候模式對我國地表風(fēng)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(jìn)，能更好地模擬出平均風(fēng)速和太陽輻射的空間分布細(xì)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(fēng)能和太陽能資源變化預(yù)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(yù)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(fēng)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(qū)動場的模擬偏差引入?yún)^(qū)域模式有關(guān)。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(qū)動場進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。多模式集合模擬研究有助于減少預(yù)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(jié)論，因此未來還需要開展更多區(qū)域模式結(jié)果的集合研究。
三、當(dāng)前預(yù)估技術(shù)下的初步結(jié)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(jìn)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(jié)果，對我國及其不同區(qū)域的風(fēng)能和太陽能資源變化進(jìn)行預(yù)估。
（一）2030 年～ 2050 年我國風(fēng)資源的變化
基于以上多組模擬結(jié)果，分析了未來低、中、高排放情景下（ 分別代表到 2100 年，風(fēng)能資源輻射強(qiáng)迫峰值分別達(dá)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(fēng)能資源變化的季節(jié)性和區(qū)域性差異。鑒于風(fēng)功率密度是衡量風(fēng)能資源的綜合指標(biāo)，首先對我國四個季節(jié)及年平均的風(fēng)功率密度變化百分率進(jìn)行分析。可以看到， 2030 年～ 2050 年，除夏季外，我國風(fēng)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(fēng)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。可以看到， 2030 年～ 2050 年，風(fēng)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(fēng)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(dá) 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(fēng)速區(qū)的增幅最大，三種排放情景下華南地區(qū)年均風(fēng)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(jié)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(fēng)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(jìn)行分析?？梢钥吹?， 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(jìn)一步進(jìn)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(jié)論和政策措施建議
（一）預(yù)估結(jié)果對產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的可能影響以及不確定性
基于當(dāng)前技術(shù)水平對氣候變化背景下我國風(fēng)能和太陽能資源的預(yù)估結(jié)果表明， 2030年～ 2050 年我國總體的風(fēng)能和太陽能資源趨于減少，年平均風(fēng)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(fēng)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(jié)果可能不會對我國未來的風(fēng)能和太陽能資源規(guī)劃產(chǎn)生實質(zhì)性影響。此外，注意到，風(fēng)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(fēng)速區(qū)的增加趨勢對于該地區(qū)風(fēng)電技術(shù)開發(fā)利用具有有利影響。
對于風(fēng)功率密度未來變化的預(yù)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(jié)果之間的差異性較大，個別模擬結(jié)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(yù)估的不確定性相對較大，同樣存在個別模擬結(jié)果的變化符號和集合平均相反的情況（ 見圖 2）。不同模擬結(jié)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(jié)果的變化符號和集合平均結(jié)果相反（見圖 4）。
當(dāng)前，預(yù)估技術(shù)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(qū)動場對我國復(fù)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(jié)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(jìn)。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(yù)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(jié)論，很難為未來我國風(fēng)能和太陽能開發(fā)的建議給出較為明確的指導(dǎo)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(yù)估的不確定性。此外，對于風(fēng)能和太陽能的預(yù)估而言，不同模擬結(jié)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(qū)動場的選取以及區(qū)域模式內(nèi)部物理過程的改進(jìn)對風(fēng)能太陽能未來變化預(yù)估至關(guān)重要。
（二）“雙碳”目標(biāo)下的對策及建議
1. 加強(qiáng)風(fēng)能、太陽能資源開發(fā)利用的短期氣候信息服務(wù)能力
根據(jù)《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要（2022～ 2035年）》的發(fā)展目標(biāo)，未來需加強(qiáng)氣候資源評估和規(guī)劃，推進(jìn)風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(yù)測及其對資源開發(fā)和安全運行的影響和評估技術(shù)能力，針對短期氣候變化進(jìn)行分析研判，完善風(fēng)能和太陽能的開發(fā)利用方案，促進(jìn)風(fēng)電和光伏發(fā)電的調(diào)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(fēng)、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(fēng)電場及太陽能內(nèi)部裝置的抗氣象風(fēng)險能力。例如，持續(xù)高溫、低溫均將導(dǎo)致電力系統(tǒng)超負(fù)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(fēng)力機(jī)組的運行造成影響；強(qiáng)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(qiáng)氣候信息服務(wù)能力，全面提高區(qū)域級極端事件和風(fēng)險的應(yīng)對服務(wù)能力。
2. 提高風(fēng)能、太陽能高分辨率預(yù)估技術(shù)
當(dāng)前的預(yù)估研究較集中于對風(fēng)速和太陽輻射本身的變化，對我國及其區(qū)域級風(fēng)能、太陽能技術(shù)可開發(fā)量的預(yù)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(xiàn)如何也未有結(jié)論，因此需要開展精細(xì)化預(yù)估，以期得到定性的結(jié)論，為生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的評估提供科學(xué)參考。目前可開發(fā)量及對碳減排貢獻(xiàn)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(guān)鍵的風(fēng)光變化信號，無法反映風(fēng)電和光伏技術(shù)開發(fā)量的瞬時和局地尺度演變規(guī)律等 。然而，未來風(fēng)電和光伏發(fā)電量的精細(xì)化預(yù)估結(jié)果對于電力系統(tǒng)調(diào)度、電力負(fù)荷配合、區(qū)域風(fēng)光互補(bǔ)、常規(guī)能源發(fā)電規(guī)劃和風(fēng)能光伏發(fā)電規(guī)劃等具有重要指導(dǎo)意義。
3. 協(xié)調(diào)未來風(fēng)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(biāo)下，需要根據(jù)我國不同地區(qū)風(fēng)光資源的季節(jié)性變化特征進(jìn)行統(tǒng)籌安排，調(diào)整電力系統(tǒng)調(diào)度方案，打造新型電力系統(tǒng)，制定減碳降碳的相關(guān)政策。此外，還應(yīng)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(fēng)速區(qū)的風(fēng)能資源有增加趨勢（ 見圖 2），而相應(yīng)的這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，有明顯的技術(shù)優(yōu)勢支撐，應(yīng)大力開發(fā)低風(fēng)速技術(shù)，有望率先實現(xiàn)碳達(dá)峰。另外，在風(fēng)能和太陽能資源較為豐富的“三北”地區(qū)進(jìn)一步推動風(fēng)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(fēng)能資源減少帶來的不利影響。
4. 加強(qiáng)風(fēng)能、太陽能資源的中長期氣候變化服務(wù)保障
“雙碳”目標(biāo)下，除了短期氣候服務(wù)以外，中長期氣候變化服務(wù)保障也不容忽視，應(yīng)加強(qiáng)氣候變化服務(wù)與風(fēng)能太陽能發(fā)展規(guī)劃的深度耦合。未來氣候變化及其導(dǎo)致的一些復(fù)合風(fēng)險，將會對風(fēng)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(diào)度等方面的氣候服務(wù)保障以外，中長期的氣候變化服務(wù)，如提供碳中和氣候變化背景下的中長期預(yù)估結(jié)果，可為電力行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)指導(dǎo)。同時也有助于在“雙碳”目標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立區(qū)域新能源發(fā)展路線和有效的適應(yīng)戰(zhàn)略，實現(xiàn)區(qū)域資源的優(yōu)化配置。此外，需要建立風(fēng)能和太陽能監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)估綜合管理體系，綜合研究大規(guī)模風(fēng)能和太陽能資源開發(fā)利用的生態(tài)氣候環(huán)境效應(yīng)，為風(fēng)光優(yōu)化布局、氣候變化減緩和適應(yīng)行動提供科學(xué)參考。最終為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，提出具有針對性的、適用于我國及區(qū)域級風(fēng)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(yù)估室，研究員，研究領(lǐng)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。
