气候变暖加剧全球光伏与风电极端低产出事件的挑战与应对

《Nature Communications》：Rising worldwide challenges to climate-induced extreme low-production events of photovoltaic and wind power

随着全球能源转型加速，光伏(PV)与风电的极端低产出(ELP)事件对电力可靠性的威胁日益凸显。本研究基于多气候情景(SSP1-2.6/SSP2-4.5/SSP3-7.0)模拟发现：风电ELP风险呈近确定性增长（75%装机区域异常值增幅14.0-24.5%），而光伏ELP受排放路径调控显著（SSP1-2.6下降14.8% vs SSP3-7.0上升26.4%）。研究警示需通过协同减排与适应性规划保障未来电力安全。

　　

在全球能源体系加速向可再生能源转型的背景下，太阳能光伏（PV）和风力发电正成为实现碳中和目标的关键支柱。然而，这些清洁能源的发电效率高度依赖气象条件，使得它们极易受到气候变化的影响。近年来，极端天气事件频发，已经对电力供应安全构成了严峻挑战。例如，2022年欧洲的持续低风速事件导致风电出力大幅下滑，引发能源短缺危机；同期中国四川遭遇的复合型极端气候事件，也造成水电与光伏发电能力骤减。这些现实案例警示我们：随着气候变暖加剧，光伏和风电的极端低生产（ELP）事件可能更加频繁和严重，威胁未来电力系统的稳定性。

尽管已有研究探讨了气候变化对可再生能源长期潜力的影响，但多数聚焦于资源平均量的变化，对极端低产出事件的系统性评估仍存在明显空白。现有研究往往忽略空气污染物排放等关键驱动因子，或基于理想化选址假设，未能真实反映全球已装机区域的脆弱性。此外，针对不同社会经济路径下ELP风险的差异化响应，特别是对低收入经济体的不平等影响，尚缺乏全球尺度的量化分析。正是为了填补这些知识缺口，北京师范大学联合国际灾害模拟与系统风险治理实验室的王虔植、刘凯等团队在《Nature Communications》上发表了最新研究，通过多模型集成模拟和高分辨率装机数据，首次揭示了全球光伏与风电ELP事件在气候变化下的演变规律。

研究人员采用了哪些关键技术方法？本研究整合了NASA地球交换中心的NEX-GDDP-CMIP6数据集中的17个全球气候模型（GCM）数据，空间分辨率达0.25度，覆盖SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP3-7.0三种情景。光伏发电量通过PVLIB模型计算，结合倾斜角优化和BRL辐射分解模型；风电功率采用韦布尔分布重构日内风速波动，并基于Vestas V112-3.075 MW（陆上）和V164-9.5 MW（海上）涡轮机功率曲线核算。ELP事件定义为日发电量低于历史同期（1985-2014）滚动15天窗口10th百分位的连续日期，综合评估其频率、持续时间和强度变化。装机区域数据来源于TransitionZero的TZ-SAM卫星识别数据库（922 GW光伏）和The Wind Power数据库（1.136 TW风电）。

气候变暖导致全球ELP变化广泛而显著

研究显示，随着全球变暖加剧，光伏、陆上风电和海上风电的ELP事件均呈现显著上升趋势。在SSP3-7.0情景下，光伏ELP事件的发电异常值以每十年3.8 kWh/kW（p<0.01）的速率增长，陆上风电和海上风电分别为2.7 kWh/kW和1.3 kWh/kW。按当前装机容量估算，这相当于每年新增116.4 GWh（光伏）和942.4 GWh（风电）的电力短缺。至本世纪末，光伏ELP异常值较历史期增加26.4%，年短缺量达39.3 TWh；风电缺口更为突出，增幅22.3%对应273.2 TWh年损失。值得注意的是，光伏ELP天数的增加主要源于事件频次上升（从37天延长至56天），而风电虽持续时间增幅较小，但其高基础强度（平均86%）使得轻微延长即引发巨大缺额。

未来路径对光伏发电的影响大于风电

空间分析揭示了明显的区域异质性。光伏发电的ELP风险高度依赖情景路径：SSP1-2.6下严格的气候减缓和污染控制使东亚等地区ELP下降16.2%，而SSP3-7.0下弱污染控制导致同一区域异常值上升28.6%。相比之下，风电的ELP增长近乎不可避免，全球78.8-93.9%的装机区域面临风险加剧，尤以北纬30°以北地区为甚。这种差异凸显了空气质量政策对光伏输出的关键调控作用——SSP1-2.6的强减排政策可通过提升辐照度抵消部分变暖损失，而SSP3-7.0的高气溶胶排放则放大云层和污染导致的发电损失。

光伏与风电的双重ELP风险增长不均衡

至世纪中叶，SSP3-7.0情景下全球63.6%的陆地区域将同时面临光伏和风电的ELP风险上升，南亚、中亚、东亚、东欧和北美为前五大高风险区。欧洲地区虽光伏风险下降可部分抵消风电风险，但东亚因高装机容量和有限补偿潜力成为最脆弱区域，净缺额达7.42-18.5 TWh。收入群体分析进一步显示，低收入经济体虽拥有优于全球平均的光照资源，但其88-98%的土地却面临光伏ELP上升风险，适应成本攀升可能阻碍其太阳能潜力的实现。

研究结论与讨论：协同治理是保障能源转型的关键

该研究通过极端事件检测方法揭示了传统平均评估所掩盖的深层风险：风电ELP的严重性加剧可能引发颠覆性供电中断，而光伏的长期低迷则考验系统储能韧性。尤为重要的是，SSP情景框架首次量化了社会经济路径对能源安全的分化影响——高收入经济体通过污染控制可获得“气候红利”，而低收入国家却因治理能力不足陷入“高风险-低适应”的恶性循环。作者建议，未来能源规划需结合区域特征优化风光容量配比，并通过国际技术合作降低弱势经济体的转型风险。尽管日尺度数据可能低估次日内波动的影响，但这项研究为全球可再生能源韧性设计提供了关键科学依据，警示我们必须通过气候减缓与适应性投资的协同，避免SSP3-7.0所预示的最坏情景成为现实。