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氣候變化背景下，能源結構轉型是實現碳中和/凈零排放、控制全球溫升的關鍵。太陽能和風能是轉型過程中的主要力量，受到高度重視，被廣泛開發利用。但其能源產出受氣象條件影響較大，高溫靜風、污染多云等不利氣象條件可能會降低太陽能和風能發電量。因此，分析在氣候變化背景下氣象條件改變對全球太陽能、風能潛力及其時間波動性的影響，系統評估碳中和約束下氣候變化減緩措施對太陽能和風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劃和投資建設提供科學依據。
一 構建研究路線
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)太陽能和風能潛力，從全球視角綜合評估了太陽能和風能潛力及其不同時間尺度波動性對碳中和政策的響應變化。研究團隊結合歐洲中期天氣預報中心(ECWMF)ERA5高分辨率的格點氣象再分析數據，采用基于n維概率密度函數變換的多變量協同偏差訂正技術(MBCn)對情景模擬數據進行偏差訂正，以提高模擬結果的準確度。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)太陽能和風能變率，分析了太陽能和風能潛力變化的時間波動性。
表1. 三種排放情景設置
二 實現碳中和目標可帶來增強與穩定太陽能和風能的共同效益
利用上述方法，研究團隊分析了不同的碳中和目標約束下，未來氣候變化對太陽能和風能潛力的影響，得出以下3個主要結論：
1 太陽能和風能潛力全球分布存在顯著差異
太陽能潛力大值主要出現在全球干旱、半干旱區域(北非、澳大利亞、亞洲中部)，而季風區域太陽能潛力較小；風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，未來亞洲區域太陽能、風能潛力增加
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、風速(W)、氣溶膠光厚度(AOD)、云量等因素有關。SSP2-4.5情景下，在太陽能潛力增加區域，輻射起正貢獻，溫度起負貢獻；而在太陽能潛力減小區域，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動)是太陽能潛力增加的主要驅動因素。
SSP2-4.5情景下，2040-2049年全球風能由北半球向南半球轉換(相較歷史階段)，熱帶和南亞熱帶地區風能潛力增加，北部中高緯度地區風能潛力減小。MOD和STR情景下，未來全球風能由西半球向東半球轉換，亞洲區域(尤其是中國東部)風能潛力增加。全球風能的變化主要由切入風速(Below cut-in，W<3)和上升風速(Ramp-up，3≤W≤11)之間的相互轉化驅動。其中，風能密度(WPD)的空間變化與實際風能潛力(WP)大體一致，但變化幅度略小。
3 MOD和STR情景下，未來亞洲區域太陽能和風能發電穩定性增強
時間變率是可再生能源的一個關鍵方面，強烈影響能源供應的穩定性。通過時間變率量化太陽能和風能變化的時間波動性有助于規劃互補能源和儲能以確保穩定可靠的能源供應。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均呈減小趨勢，風能時間變率則在美國東部、西歐、印度、中國東部等地區呈減小趨勢。這表明全球碳中和政策將減小全球大部分陸地區域風能和太陽能在不同時間尺度的波動性。
該研究結果揭示21世紀中期全球碳中和驅動的人為排放減少將給一些地區(尤其是亞洲)帶來更強且更穩定的太陽能和風能的協同效益。因此，亞洲區域有望成為未來幾十年可再生能源發展的熱點地區。更強且更穩定的太陽能和風能發電又將加速傳統能源向清潔能源轉型，從而形成一個有利的人類-自然反饋循環的效應。
專家簡介 王志立 中國氣象科學研究院 大氣成分與環境氣象研究所研究員
原標題：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能潛力的影響
原標題：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能潛力的影響
