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氣候變化背景下，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)碳中和/凈零排放、控制全球溫升的關(guān)鍵。太陽能和風(fēng)能是轉(zhuǎn)型過程中的主要力量，受到高度重視，被廣泛開發(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降低太陽能和風(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全球太陽能、風(fēng)能潛力及其時間波動性的影響，系統(tǒng)評估碳中和約束下氣候變化減緩措施對太陽能和風(fēng)能潛力的作用具有重要意義，可為未來可再生能源的長期規(guī)劃和投資建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。
一 構(gòu)建研究路線
研究團隊利用國際新冠疫情模式比較計劃項目(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，計算了不同時期(歷史時期：1995-2014年，未來：2040-2049年)太陽能和風(fēng)能潛力，從全球視角綜合評估了太陽能和風(fēng)能潛力及其不同時間尺度波動性對碳中和政策的響應(yīng)變化。研究團隊結(jié)合歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECWMF)ERA5高分辨率的格點氣象再分析數(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)對情景模擬數(shù)據(jù)進行偏差訂正，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。此外，研究團隊使用歸一化平均絕對偏差(Normalized Mean Absolute Deviation, NMAD)計算不同時間尺度(日、月、年)太陽能和風(fēng)能變率，分析了太陽能和風(fēng)能潛力變化的時間波動性。
表1. 三種排放情景設(shè)置
二 實現(xiàn)碳中和目標(biāo)可帶來增強與穩(wěn)定太陽能和風(fēng)能的共同效益
利用上述方法，研究團隊分析了不同的碳中和目標(biāo)約束下，未來氣候變化對太陽能和風(fēng)能潛力的影響，得出以下3個主要結(jié)論：
1 太陽能和風(fēng)能潛力全球分布存在顯著差異
太陽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)域太陽能潛力較??；風(fēng)能潛力大值主要位于美國中部、歐洲、北非、澳大利亞以及北亞。
2 MOD和STR情景下，未來亞洲區(qū)域太陽能、風(fēng)能潛力增加
SSP2-4.5情景下，2040-2049年美國東部、歐洲和中國東部太陽能潛力增加(相較歷史階段)，印度和西非太陽能潛力減小。MOD和STR情景下，未來亞洲區(qū)域太陽能潛力大幅提升，尤其在中國東部和印度。太陽能潛力變化與輻射、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，在太陽能潛力增加區(qū)域，輻射起正貢獻，溫度起負(fù)貢獻；而在太陽能潛力減小區(qū)域，輻射和溫度均起正貢獻。MOD和STR情景下，輻射變化(主要由人為源排放驅(qū)動)是太陽能潛力增加的主要驅(qū)動因素。
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。其中，風(fēng)能密度(WPD)的空間變化與實際風(fēng)能潛力(WP)大體一致，但變化幅度略小。
3 MOD和STR情景下，未來亞洲區(qū)域太陽能和風(fēng)能發(fā)電穩(wěn)定性增強
時間變率是可再生能源的一個關(guān)鍵方面，強烈影響能源供應(yīng)的穩(wěn)定性。通過時間變率量化太陽能和風(fēng)能變化的時間波動性有助于規(guī)劃互補能源和儲能以確保穩(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年太陽能不同時間尺度(日、月、年)變率在除南美南部以外的地區(qū)均呈減小趨勢，風(fēng)能時間變率則在美國東部、西歐、印度、中國東部等地區(qū)呈減小趨勢。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)能和太陽能在不同時間尺度的波動性。
該研究結(jié)果揭示21世紀(jì)中期全球碳中和驅(qū)動的人為排放減少將給一些地區(qū)(尤其是亞洲)帶來更強且更穩(wěn)定的太陽能和風(fēng)能的協(xié)同效益。因此，亞洲區(qū)域有望成為未來幾十年可再生能源發(fā)展的熱點地區(qū)。更強且更穩(wěn)定的太陽能和風(fēng)能發(fā)電又將加速傳統(tǒng)能源向清潔能源轉(zhuǎn)型，從而形成一個有利的人類-自然反饋循環(huán)的效應(yīng)。
專家簡介 王志立 中國氣象科學(xué)研究院 大氣成分與環(huán)境氣象研究所研究員
原標(biāo)題：專家觀點 | 王志立：碳中和約束下未來氣候變化對全球太陽能和風(fēng)能潛力的影響
原標(biāo)題：專家觀點 | 王志立：碳中和約束下未來氣候變化對全球太陽能和風(fēng)能潛力的影響
