大力发展以风光为代表的可再生能源是推动全球温室气体减排、实现巴黎协定未来气候目标的必要途径。然而，风光资源受气象条件影响，具有高度间歇性和不稳定性。在气候变化背景下，极端天气/气候事件频发，风光潜在供应缺口会导致高比例风光发电系统安全稳定运行面临较大挑战。因此，探究历史气象条件下全球高比例风光系统的潜在电力短缺事件变化趋势，对于理解未来电力系统面临的极端安全风险和促进电力系统稳定转型具有重要意义。

针对这一问题，清华大学地球系统科学系（以下简称“地学系”）同丹助理教授课题组利用43年（1980-2022年）全球逐小时再分析气象数据集量化了全球风光发电系统潜在极端电力短缺事件的变化趋势，系统揭示了风光发电系统极端电力短缺事件变化的驱动因素。研究成果为加强未来高比例风光能电力系统的灵活性资源部署，提高极端气候风险下的电力系统韧性与安全保障水平提供了科学支撑。

研究定义了两类极端电力短缺事件，即长时极端短缺事件（电力缺口持续超过100小时）和低可靠性极端短缺事件（电力缺口超过30%且持续12小时以上）。在此基础上，进一步设计了三个指标表征极端电力短缺事件的变化趋势——出现频次、持续时长和强度。出现频次指每年极端电力短缺事件出现的次数，持续时长为极端电力短缺事件的持续小时数，强度则定义为极端电力短缺事件的电力缺口总量。在此基础上，研究分析了本世纪中叶电力系统风光渗透率目标下1980-2022年间全球风光系统潜在极端电力短缺事件的历史变化趋势。

研究发现，气候变化背景下1980-2022年全球极端电力短缺事件持续增加。长时极端短缺事件的出现频次、持续时长和强度分别以每年0.026次、0.340小时和14.7%的速度增长，低可靠性极端短缺事件的出现频次、持续时长和强度分别以每年0.069次、0.392小时和13.1%的速度增长。在20年时间尺度上，2000年之后全球极端电力短缺事件显著高于2000年以前（图1）。

图1.1980-2022年高比例风光发电系统长时短缺事件变化趋势

研究进一步将极低风速和极低太阳辐射（低于日均值第10百分位数）同时出现的时段定义为极低风速-极低太阳辐射复合事件，以探讨极端电力短缺事件年际变化的气候驱动因素。研究发现，极低风速和极低太阳辐射的增加可能推动了极端电力短缺事件的增长。1980年以来，极低风速-极低太阳辐射复合事件持续增加，并与极端电力短缺事件呈正相关。然而，极端电力短缺事件变化与气候要素变化并不成比例。与1980-2000年相比，2001-2022年全球1%的平均风速和太阳辐射变化带来了超过10%极低风速-极低太阳辐射复合事件变化，并进一步引发了约30%的极端电力短缺事件变化（图2）。因此，即使在未来温和气候变化情景下，高比例风光系统极端电力短缺事件也可能大幅增加。

图2.极端电力短缺事件变化的驱动因素分析

6月18日，相关研究成果以“气候变化对全球风光系统极端电力短缺事件的影响”（Climate change impacts on the extreme power shortage events of wind-solar supply systems worldwide during 1980–2022）为题，在《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表。

清华大学地学系2021级博士生郑栋升为论文第一作者，同丹为论文通讯作者。论文作者还包括清华大学地学系教授张强，美国加州大学欧文分校教授史蒂夫·戴维斯（Steven J. Davis），中国气象科学研究院研究员车慧正，北京大学环境科学与工程学院研究员覃栎，清华大学环境学院副研究员耿冠楠，清华大学环境学院博士后刘洋以及清华大学地学系博士生徐若翀、杨晋和严禧哲。研究得到国家自然科学基金委、中国气象局青年创新团队项目、气候变化与碳中和国际合作联合行动和清华大学自主科研计划的支持。