近日，北京大学环境科学与工程学院联合国内外科研人员在National Science Review（《国家科学评论》，NSR）发表题为“Unraveling climate change-induced compound low-solar-low-wind extremes in China”的研究论文，通过对CMIP6多模式集合数据进行诊断分析，揭示气候变化背景下中国地区复合低风-低光（LSLW）极端事件的动态演变特征及其物理过程机制。朱彤教授和覃栎研究员为论文共同通讯作者，博士研究生王立诚和南京大学大气科学学院准聘助理教授刘亚雯为论文共同第一作者。
如期实现2060年前碳中和目标，需要大幅提高非化石能源占一次能源的消费比重，形成以风能和太阳能为主体的能源结构。与传统化石燃料不同，风光资源受气象条件影响，具有高度间歇性、波动性和不稳定性，将严重制约高比例风光电力系统的稳定性和可靠性，进而威胁地区电力系统安全保供。近年来，气候变化、特别是极端天气气候事件对全球能源安全构成的新挑战日益凸显。在气候变化背景下，极端天气气候事件的频发对稳定的能源供给带来更加严峻的挑战。
相比于单一可再生能源平均态或极端事件的变化，复合极端事件可能对能源安全带来更大的负面影响。气候变化导致多种复合事件的频率和强度增加，探究中国复合低风-低光极端事件（LSLW）动态演变特征对于理解未来电力系统面临的气候风险和促进低碳能源转型至关重要。基于此，该研究识别中国LSLW极端事件时空分布特征及关键热点地区，评估中国LSLW极端事件对资源潜力的影响，诊断气候变化背景下的中国LSLW极端事件的变化及其背后的物理机制，探究缓解中国LSLW极端事件的措施。
研究发现，LSLW极端事件的频率（定义为一年发生LSLW极端事件的天数）具有很强的地形依赖性，历史时期（1961-1990年）全国平均频率为16.4天/年（10-90百分位区间为5.3-32.6天/年）。LSLW极端事件的强度（定义为发生LSLW极端事件时资源潜力的倒数）则与风、光气候态资源潜力密切相关，资源潜力越大，LSLW事件强度越小（即LSLW发生时剩余可用风光资源潜力越大）。高频率-高强度地区主要集中在西南地区和东南沿海地区。LSLW极端事件发生时，风光资源潜力显著下降，且风能下降比例远大于光能下降：全国平均风光资源潜力下降65.2%，东部地区面临LSLW极端事件时下降比例更高（下降超过80%），而青藏高原地区资源潜力丰富，因而即使发生LSLW极端事件时风光资源潜力也较为充足（仅下降40%）。
图1 历史时期LSLW极端事件特征空间分布
相较于历史时期，研究选取了SSP126（低辐射强迫-可持续发展社会经济路径）、SSP370（中等辐射强迫-区域竞争社会经济路径）和SSP585（高辐射强迫-传统化石燃料发展社会经济路径）三个情景来探究未来时期（2036-2065年）LSLW极端事件的时空演变特征。全国平均的LSLW频率在未来三个情景中都呈现出增加趋势但具有明显的空间异质性。在SSP126和SSP585情景下，在中国西北和西藏地区频率和强度小幅增加，而在中国东南部地区频率和强度则小幅减少；在SSP370情景下，中国大部分地区频率和强度呈现显著增加的变化趋势（全国平均增加60%）。通过诊断发现，在气候变化背景下，LSLW频率的增加（减少）与地表风速和太阳辐射的降低（增强）有关，特别在SSP370情景下，风速和太阳辐射下降幅度最大，引起的LSLW频率增加也最为显著。值得注意的是，相较于SSP126和SSP585情景，在SSP370情景下中国东部地区气溶胶的显著增加对于LSLW频率的增加起到了关键作用。气溶胶的增加会导致更加稳定的边界层引起地表风速减弱，并通过与辐射和云相互作用进而削弱到达地表的太阳辐射。
图2 气候变化下LSLW极端事件特征差异
研究进一步证明了电网间电力传输是一种非常有效的适应性策略。电网区域发生LSLW极端事件时可以与其他电网进行互联以缓解电力短缺问题。研究发现区域间电力传输可以有效降低LSLW极端事件的发生频率（超过91%）和强度（59%-85%）所造成的潜在影响，尤其是西藏地区由于其独特的气候与环流系统和最低的LSLW极端事件强度特征，当其与其他电网互联时，能显著缓解LSLW极端事件引起的可再生能源电力资源短缺。然而，由于西藏地区面临着发展（特）高压电力传输的地理和经济方面的挑战，风、光可再生能源发电基础设施和输电设施仍有待进一步发展，从而更好地促进中国的碳中和目标。
论文其他合作者还包括南京大学黄昕教授、清华大学鲁玺教授、北京大学靳雅娜助理教授、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校赵磊助理教授、斯坦福大学Steven J Davis教授、加州大学尔湾分校Amir Aghakouchak教授和北京大学硕士研究生黄亮点。该研究工作得到了国家自然科学基金项目（42325506）和江苏省自然科学基金项目（BK20210197）的支持。