构建以风电和光伏等可再生能源为主体的新型电力系统，是推动全球能源清洁转型和实现《巴黎协定》气候目标的核心技术途径。气候变化导致极端天气气候事件增多，在电力供给侧改变风光出力，在需求侧影响用电负荷，进而加剧未来高比例风光电力系统的供需失衡风险。为应对极端气象条件下出现的短时供需缺口，往往需要配置更多火电容量或储能系统，以保障电网安全稳定运行，从而导致电力系统成本增加。因此，量化高比例风光电力系统的气候风险，厘清极端事件抬升系统成本的作用机制并构建适应策略，对于建立安全可控、灵活高效的新型电力系统具有重要科学意义。

针对这一问题，清华大学地球系统科学系（以下简称“地学系”）张强课题组与同丹课题组合作建立了气候变化-极端事件-能源安全耦合分析框架，量化了未来气候变化对全球高比例风光电力系统可靠性的影响，阐明了长时间无风少光极端事件导致电力系统供需失衡及成本抬升的科学原理，并在此基础上构建了区域差异化的全球风光电力系统气候适应与韧性提升策略。

图1.未来关键气象要素变化及其对高比例风光电力系统供需的影响

图2.15种气候适应与韧性提升策略降低电力系统成本的成效

研究首先基于第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）多模式多情景数据集，量化了未来气候变化（2056–2060年与2016–2020年相比）对全球178个国家风光可用资源和电力需求的影响。在SSP1-2.6情景下，在未来全球地表气温增加的同时，全球平均地表风速将下降约0.02m/s，平均地表太阳辐射将增加约3.1W/m2。未来全球气象要素变化具有明显的空间异质性特征，例如中高纬度地区风速降幅更为显著，且气温增幅高于低纬度地区（图1）。研究发现，未来关键气象要素的变化将加剧高比例风光电力系统的供需矛盾，全球主要国家的电力系统将面临风光极低出力事件持续时长更长、电力负荷波动性增强的风险，而这一风险在地表风速降幅更大、气温增幅更高的中高纬度国家尤为突出。

研究进一步利用电力调度优化模型模拟了未来各类发电技术在小时尺度的供应结构，并基于成本分解算法解析了极端时段的度电成本变化趋势，测算了保障极端时段电力供需平衡所需的额外成本投入及技术构成。在SSP1-2.6情景下，风光出力低、供需矛盾突出的极端时段（在本研究中定义为小时度电成本最高的10%时段）平均度电成本将显著增加，全球共有47个国家的平均度电成本增幅超过5%，部分国家增幅甚至超过20%。尽管极端时段仅占总时长的10%，但其在全球主要国家却贡献了电力系统总成本的15%~30%，显示了应对极端时段供需失衡挑战对于提升新型电力系统可靠性的关键作用。研究发现，为解决极端时段供需失衡加剧问题，全球主要国家需增加储能容量，是驱动系统成本上升的主要因素。

最后，研究基于需求侧响应、跨区域互联、储能效率提升和火电灵活性增强等4项应对措施，面向全球风光电力系统设计组合出15种气候适应与韧性提升策略，量化评估了不同策略对降低电力系统成本的成效。研究发现，尽管大部分单项措施可降低系统成本，组合多项措施的策略通常可获得更佳成效。例如印度在实施任意单项措施时极端时段成本最高降幅为6.3%，而实施任意2项或3项措施组合时成本最高降幅可达到10.8%或12.3%（图2）。然而，单纯依靠增加措施数量并非推动成本下降的最佳策略，需在考虑各国资源禀赋的基础上因地制宜、科学施策，优化措施组合以实现成本效益最大化。

研究揭示了未来气候变化对全球高比例风光电力系统的冲击作用机制，并在此基础上构建了因地制宜、降本增效的全球风光电力系统气候适应与韧性提升策略。研究成果可为全球各国在迈向净零排放进程中构建气候韧性的新型电力系统提供理论参考和科学依据。气候变化除导致电力供需失衡加剧外，还可通过寒潮、台风、暴雨等极端事件影响电力系统可靠性和安全性，增加系统成本。未来可在进一步完善分析框架的基础上，探究各类气候变化风险因素对高比例风光电力系统的潜在冲击及应对策略。

相关研究成果以“全球风光电力系统的气候韧性策略”（Strategies for climate-resilient global wind and solar power systems）为题，于6月18日在《自然》（Nature）上以“加速预览”（Accelerated Article Preview）的形式在线发表。

清华大学地学系2022级博士生郑栋升、严禧哲为论文共同第一作者，地学系教授张强和副教授同丹为论文共同通讯作者。论文合作者包括清华大学地学系教授、兴华卓越讲席教授陈德亮院士，清华大学环境学院教授、碳中和研究院院长贺克斌院士，美国斯坦福大学教授史蒂夫·戴维斯（Steven J. Davis），美国斯坦福大学卡内基科学研究所教授肯·卡尔代拉（Ken Caldeira），清华大学地学系博士后郭亚琴、李靖云，清华大学环境学院博士后刘洋，斯坦福大学博士后程静，清华大学地学系博士生王鹏、冯时杰，研究助理林媛媛，访学博士生平立映。研究得到国家自然科学基金委国际合作研究项目、碳中和与能源智联项目以及新基石科学基金会科学探索奖的支持。