摘要：可再生能源的开发利用，是减缓“气候变化”的有效途径。“双碳”目标，对我国风电和光伏发电的发展规划提出了更高的要求。在此背景下，开展风能、太阳能资源变化预估可为区域级能源发展规划和电力运行提供科学指导。然而，目前的研究还缺乏高时空分辨率结果的支持，导致精细化预估尚未开展，并且已有的结果之间存在较大的差异和不确定性，难以给出较为精确的结论。本文综述了“双碳”背景下，风能、太阳能资源预估的重要性、技术瓶颈、最新结果及挑战。在此基础上，提出加强风能、太阳能资源的短期服务能力、中长期服务保障，进一步提高预估技术水平、协调资源开发利用的季节性和区域性差异，以助力实现“双碳”愿景。

关键词：气候变化；风能太阳能资源；预估技术；服务保障

一、“双碳”背景下，风能、太阳能资源预估的重要性

目前，风电和太阳能发电已经成为我国清洁能源产业发展的重要战略方向。根据“双碳”目标“三步走”的路线，我国非化石能源消费比重将在 2025 年、2030 年和 2060年这三个时间点不断提升，最终比重达 80%以上。完成这一目标，离不开风电、太阳能发电装机容量的大规模提升。近年来，新能源的开发建设迅猛发展，年均新增装机量持续增加，技术进步带来成本的大幅度下降，使产业规模得以不断扩大。2010 年～ 2019年，全球范围内陆上风电、海上风电和光伏发电的平均成本已经分别下降了 39%、 29%和 82%。考虑未来其生态环境优势，需求会进一步增加，逐渐发展为能源行业的主流。我国明确至 2030 年，风电和太阳能发电总装机容量将达到 12 亿千瓦以上。截至 2022 年底，全国风电装机容量约 3.7 亿千瓦，同比增长 11.2%，连续多年稳居世界第一；全国太阳能发电装机容量约 3.9 亿千瓦，同比增长 28.1%。未来 10 年，风电和光伏有近乎一半的市场规模扩张空间，前景巨大，可期待性颇高 。

然而，未来气候变化对风能、太阳能资源本身将产生直接影响，例如，气候变化将改变我国平均风速的分布，从而对风电产生影响，将对太阳辐射的分布也产生影响，进而影响区域尺度太阳能资源开发和利用。未来极端天气气候事件如暴雨洪涝、台风、雷电、高温干旱、低温冰冻等的变化均具有明显的季节性和区域性特征，极端天气气候事件会直接影响风电场及太阳能内部装置的抗气象风险能力 。这种影响会对应对气候变化而采取的政策措施，如“双碳”目标的实施等造成间接影响。

因此，在气候变化背景下，合理预估我国风速变化特征和趋势，对我国未来风能利用规划具有重要意义，对于未来风电场和光伏电站的选址，风电、光伏发电潜力预估，风能、太阳能开发利用与气候环境效应的科学评估等方面，均将起重要的指导作用。

二、 风能、太阳能资源预估现状和技术瓶颈

（一）预估技术手段、最新结果

我国地表风速变化预估研究最早是基于第三次耦合模式比较计划（CMIP3）的多模式结果开展的，基于单排放情景的预估结果表明， 21 世纪我国整个区域年平均风速呈微弱的减小趋势，且随着温室气体排放浓度的增加其减小的程度越显著 。随后，采用耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）的多个全球气候模式，考虑高、中、低三种温室气体排放情景下的预估结果也表明， 21 世纪我国年平均风速呈减小的趋势，随着温室气体排放浓度的增加，其减小趋势的程度依次增大，模式间预估的一致性也依次增加。就区域性差异来看， CMIP3 和 CMIP5 这两个比较计划的预估结果均指出， 21 世纪我国西部地区年平均风速呈减小趋势，东部地区年平均风速则呈增加趋势 。

目前，使用区域气候模式对我国风能和太阳能开展了一些研究，但总体仍然不够多。其中 Jiang 等基于三个区域气候模式模拟结果对我国未来地表风速变化进行了研究，指出到 21 世纪末，我国年平均风速和冬季平均风速都有所下降。Guo 等基于区域模式集合预估了未来中、高排放情景下的结果，指出未来我国的风力资源略有减少（3% ～ 4%）。Wu 等基于高分辨率区域模式集合结果在低、中、高排放情景下的预估研究表明， 2020年～ 2100 年我国四个季节的平均风功率密度呈下降趋势，其中秋冬两季较显著，年平均风功率密度下降幅度在每 10 年 0.36% 至1.14% 之间 。

在太阳能资源的预估方面，目前的研究还比较少，仅有少量基于模式的结果。其中，基于多个全球模式集合，在高排放情景下的预估结果表明，未来我国东部和南部地区太阳辐射呈增加趋势，而在青藏高原和西北地区则呈下降趋势 。基于高分辨率区域气候模式对低、中、高三种排放情景下的预估结果显示，在不同排放情景下，未来我国中东部及西南地区太阳能资源增加，而太阳能丰富区（ 西北和东北地区）减少，并指出辐射减少是未来太阳能资源下降的主因，但对于青藏高原，风速下降也是一个重要的影响因素 。

以上研究的结果，可以为未来我国风能、太阳能的开发利用、优化布局提供科学参考，从而更好地支撑长期的气候变化减缓承诺。

（二）预估技术瓶颈及未来展望

1. 基于全球模式预估存在的问题：在气候变化背景下，风能和太阳能资源的预估研究主要依靠模式进行。总体来看，目前基于全球海气耦合模式的结果较多，其结果表明，耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）和第六阶段（CMIP6）的所有模式都倾向于低估我国地表风速的年际变化，无法再现观测中的下降趋势。研究还指出，尽管 CMIP6 比 CMIP5具有更高的空间分辨率和更完善的物理过程，但其捕捉局部和区域强迫的能力仍然不足，特别是在我国地形复杂的区域 。此外，对我国未来太阳能资源变化开展的研究较少，仅有一些基于 CMIP5 全球模式的研究结果指出，全球模式对我国地表太阳辐射的模拟还存在明显的高估 。

2. 基于区域模式预估的优势：高分辨率区域气候模式，在描述我国区域小尺度强迫和地形方面有很大改进。研究表明，高分辨率区域气候模式对我国地表风速和太阳辐射的分布具有一定的模拟能力，相比全球模式有一定改进，能更好地模拟出平均风速和太阳辐射的空间分布细节和局地变化特征。因此，基于区域气候模式开展我国未来风能和太阳能资源变化预估是必然趋势，有望得到更多区域尺度的变化信息 。

3. 基于区域模式预估存在的问题：尽管基于区域气候模式开展了一些研究，但总体仍然不够多。同时，区域模式还存在对近 50年来我国大范围风速减弱趋势模拟不佳以及对太阳辐射值模拟偏大的问题 ，这与全球模式驱动场的模拟偏差引入区域模式有关。此外，还有一个重要方面是区域模式本身物理过程的限制，未来需要对全球模式驱动场进行系统性评估、优选以及对区域模式模拟内部物理过程进行优化和改进。多模式集合模拟研究有助于减少预估的不确定性，但由于计算资源的限制，目前集合个数仍较少，难以给出定性的结论，因此未来还需要开展更多区域模式结果的集合研究。

三、当前预估技术下的初步结果

近年来，国家气候中心采用意大利理论物理中心开发的 RegCM4（http://gforge.ictp.it/gf/project/regcm/）区域气候模式进行动力降尺度试验，完成了多组水平分辨率为 25公里的长期模拟，模拟区域包括我国及周边地区，时段为 1986 年～ 2100 年，其中 1986年～ 2005 年为历史对比时段， 2030 年～ 2050年为未来变化时段。本文基于以上高分辨率模拟结果，对我国及其不同区域的风能和太阳能资源变化进行预估。

（一）2030 年～ 2050 年我国风资源的变化

基于以上多组模拟结果，分析了未来低、中、高排放情景下（ 分别代表到 2100 年，风能资源辐射强迫峰值分别达到 2.6 瓦 / 平方米、4.5 瓦 / 平方米和 8.5 瓦 / 平方米）我国2030 年～ 2050 年风能资源变化的季节性和区域性差异。鉴于风功率密度是衡量风能资源的综合指标，首先对我国四个季节及年平均的风功率密度变化百分率进行分析。可以看到， 2030 年～ 2050 年，除夏季外，我国风功率密度在其他季节均表现为减少，并且春季的减少幅度最显著，三种排放情景下的减少值分别为 25.2%、 20.9% 和 26.5%。其次为冬季，减少值分别为 15.3%、 11.3% 和 10.4%。夏季则表现为增加，增幅随着排放浓度增大而减小，三种排放情景下的增加值分别为13.1%、 6.5% 和 5.3%。（见图 1）。

为深入分析风资源变化的区域性差异，将我国分为东北、华北、东南、中南、华南、青藏高原、西南和西北八个子区域。可以看到， 2030 年～ 2050 年，风资源丰富区包括东北、华北以及青藏高原地区的年平均风功率密度均表现为减少，其中华北的减少幅度最大，三种排放情景下的减少值分别达 19.7%、11.6% 和 20.3%，东北和青藏高原的减幅基本在 10% 以内。我国东部、中南、华南、西南以及西北地区则表现为增加，其中华南地区低风速区的增幅最大，三种排放情景下华南地区年均风功率密度变化增加值分别为 61.3%、38.7% 和 40.8%（见图 2）。

（二）2030 年～ 2050 年我国光伏资源变化

本文基于以上多组模拟结果，分析了不同排放情景下我国 2030 年～ 2050 年太阳能资源变化的季节性和区域性差异。光伏发电量的计算，考虑了太阳辐射、气温和地表风速的综合影响。首先，对我国四个季节及年平均的光伏发电量变化百分率进行分析。可以看到， 2030 年～ 2050 年我国四个季节平均的光伏发电量均表现为减少，但总体的变化幅度不大，其中冬季的减幅略大，三种排放情景下的减少值分别为 1.8%、 1.7% 和2.2%。我国年平均光伏发电量在不同排放情景下均为减少，不同排放情景之间的差异不明显，减少值范围在 1.1% 至 1.3% 之间（ 见图 3）。

对未来我国太阳能资源变化的区域性差异，进一步进行分析。2030 年～ 2050 年，除华南和西南地区外，我国大部分区域（包括东北、华北、中部、中南、青藏高原及西北）的年平均光伏发电量均表现为减少，但变化幅度均不超过 3%。西北地区太阳能资源丰富区减幅最大，三种不同排放情景下的减少值分别为 3.8%、 3.1% 和 3.5%。华南和西南地区则表现为增加，但幅度较小，不到 3%，另外，西南地区模拟的不确定性较大（见图 4）。

四、主要结论和政策措施建议

（一）预估结果对产业规划的可能影响以及不确定性

基于当前技术水平对气候变化背景下我国风能和太阳能资源的预估结果表明， 2030年～ 2050 年我国总体的风能和太阳能资源趋于减少，年平均风功率密度和光伏发电量的变化百分率分别在 12%～ 9% 和 1.1%～ 1.3%之间，但考虑到风功率密度和光伏发电量的年际变率较大（均在 ±10% 以上），其结果可能不会对我国未来的风能和太阳能资源规划产生实质性影响。此外，注意到，风能资源的季节性和区域性差异较太阳能资源明显要大，华南低风速区的增加趋势对于该地区风电技术开发利用具有有利影响。

对于风功率密度未来变化的预估，不同季节、不同区域间模拟的不确定性存在明显差异。例如，春季和秋季的变化虽然均表现为减少，但不同模拟结果之间的差异性较大，个别模拟结果的变化符号和集合平均相反（ 见图 1）。就区域而言，青藏高原和西南地区预估的不确定性相对较大，同样存在个别模拟结果的变化符号和集合平均相反的情况（ 见图 2）。不同模拟结果对太阳能资源季节变化的模拟一致性较好，模式间的离散度不大（ 见图 3）。但对于不同的区域，其模拟的不确定性存在一定差异，例如东部、中南和西南地区的不确定性相对明显，个别模拟结果的变化符号和集合平均结果相反（见图 4）。

当前，预估技术的不确定性来源于多个方面。首先，用于动力降尺度的全球模式驱动场对我国复杂下垫面以及物理过程的描述存在偏差 ，且会引入区域气候模式，从而对降尺度结果造成一定影响。其次，区域模式本身物理过程也有待改进。未来可以通过提高区域气候模式分辨率、完善内部物理过程等减少预估的不确定性，也可以针对性开展模式数据订正工作。再次，由于目前包括了低、中、高三种排放情景下的动力降尺度模拟个数有限，难以给出定量的结论，很难为未来我国风能和太阳能开发的建议给出较为明确的指导和建议。因此，未来有必要收集更多的模拟数据，以帮助减少集合预估的不确定性。此外，对于风能和太阳能的预估而言，不同模拟结果之间的不确定性明显比不同排放情景要大，可见全球模式驱动场的选取以及区域模式内部物理过程的改进对风能太阳能未来变化预估至关重要。

（二）“双碳”目标下的对策及建议

1. 加强风能、太阳能资源开发利用的短期气候信息服务能力

根据《气象高质量发展纲要（2022～ 2035年）》的发展目标，未来需加强气候资源评估和规划，推进风能、太阳能资源的普查、区划、监测和信息发布等制度的建立，开展风电和光伏发电资源开发量评估，全面勘查和评价全国乃至不同区域可利用资源。此外，风电场、光伏电站等规划和选址必须要充分考虑气候可行性，因此在风能、太阳能开发利用和安全运营阶段，需要提高气候监测、预测及其对资源开发和安全运行的影响和评估技术能力，针对短期气候变化进行分析研判，完善风能和太阳能的开发利用方案，促进风电和光伏发电的调峰、错峰，提高电网智能化水平，最终提高资源开发和利用效率。

未来极端天气气候事件如暴雨洪涝、台风、雷电、高温干旱、低温冰冻等的变化均具有明显的季节性和区域性特征，这将会直接影响风电场及太阳能内部装置的抗气象风险能力。例如，持续高温、低温均将导致电力系统超负荷、光伏组件发电效率降低，电池寿命缩短；极端低温和雷暴可能对风力机组的运行造成影响；强沙尘天气会影响辐照的接受率，降低组件的发电量，增加发电成本。因此需要加强气候信息服务能力，全面提高区域级极端事件和风险的应对服务能力。

2. 提高风能、太阳能高分辨率预估技术

当前的预估研究较集中于对风速和太阳辐射本身的变化，对我国及其区域级风能、太阳能技术可开发量的预估成果很少，未来碳中和情景下的开发利用对碳减排的贡献如何也未有结论，因此需要开展精细化预估，以期得到定性的结论，为生态环境效应的评估提供科学参考。目前可开发量及对碳减排贡献研究较少的主要原因是缺乏高时空分辨率（小时）数据的支持，而日尺度或月尺度的数据将覆盖许多关键的风光变化信号，无法反映风电和光伏技术开发量的瞬时和局地尺度演变规律等 。然而，未来风电和光伏发电量的精细化预估结果对于电力系统调度、电力负荷配合、区域风光互补、常规能源发电规划和风能光伏发电规划等具有重要指导意义。

3. 协调未来风能、太阳能资源开发利用的季节性和区域性差异

“双碳”目标下，需要根据我国不同地区风光资源的季节性变化特征进行统筹安排，调整电力系统调度方案，打造新型电力系统，制定减碳降碳的相关政策。此外，还应该同时参考区域变化特征，因地制宜，合理利用。例如，未来我国东部及南方低风速区的风能资源有增加趋势（ 见图 2），而相应的这些地区经济发达，有明显的技术优势支撑，应大力开发低风速技术，有望率先实现碳达峰。另外，在风能和太阳能资源较为丰富的“三北”地区进一步推动风电和光伏发电基地的规模化开发和优化布局，提高开发利用效率，降低未来风能资源减少带来的不利影响。

4. 加强风能、太阳能资源的中长期气候变化服务保障

“双碳”目标下，除了短期气候服务以外，中长期气候变化服务保障也不容忽视，应加强气候变化服务与风能太阳能发展规划的深度耦合。未来气候变化及其导致的一些复合风险，将会对风光资源开发、供需等带来更大的挑战。除了短期开发运行、电力调度等方面的气候服务保障以外，中长期的气候变化服务，如提供碳中和气候变化背景下的中长期预估结果，可为电力行业的发展规划提供科学指导。同时也有助于在“双碳”目标的基础上，建立区域新能源发展路线和有效的适应战略，实现区域资源的优化配置。此外，需要建立风能和太阳能监测、预报、预估综合管理体系，综合研究大规模风能和太阳能资源开发利用的生态气候环境效应，为风光优化布局、气候变化减缓和适应行动提供科学参考。最终为实现“双碳”目标，提出具有针对性的、适用于我国及区域级风能和太阳能发展规划的建议和措施。

作者简介

吴佳，国家气候中心气候变化监测预估室，研究员，研究领域为动力降尺度和区域气候变化。

文章来源

本篇文章发表于《中国能源》杂志2023年1-2合刊。

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