气候危机在即,气象服务价值如何体现


文|巢清尘   国家气候中心副主任


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全球气候变化已经成为不争的事实。气候变化导致极端事件频发,水资源分布失衡,生态系统受到威胁。长期和持续的气候风险将愈加显著,并不断由自然系统向经济社会系统渗透蔓延。2021年初,在荷兰举行的首届气候适应峰会指出,极端气候灾难将使全球经济在本世纪损失2.56万亿美元,过去20年有约48万人死于与极端天气有关的自然灾害。

气候持续变暖对我国社会经济发展同样构成威胁。国家气候中心研究表明,虽然极端天气等气候灾害所造成的直接经济损失占GDP比例有所下降,但损失的绝对量由1984-2000年的平均每年1208亿元增加到了2000-2019年的平均每年2908亿元,增加了1.4倍。新冠肺炎疫情触发人们对人与自然关系的深刻反思,全球气候治理备受关注,气象服务将如何保障气候安全、助力应对气候危机,也成为了重要的话题。

新型电力系统需要精细化的气象服务

3月15日,中央财经委员会第九次会议指出,要构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。会议强调的构建以新能源为主体的新型电力系统,即意味着风电和光伏将成为未来电力系统的主体,意味着整个能源电力系统将发生根本性变化。

我国风能和太阳能资源丰富,但资源分布极不均匀,特别是与能源需求极不匹配。根据国家气候中心的评估,我国陆地140米高度上风能资源技术开发量为51亿千瓦,其中的58%集中在内蒙古、新疆、青海和甘肃;近海水深50米海域内100米高度风能资源技术开发量为4亿千瓦;陆上光伏资源技术开发量为456亿千瓦,其中90%集中在西藏、青海、新疆、甘肃和内蒙古西部。 

按照2030年风能和太阳能装机容量达到12亿千瓦以上的发展目标,以及2060年前实现碳中和的要求,届时我国风能和太阳能装机容量需要达到60亿千瓦以上。而风电、光伏等发电方式均受地域和自然资源的影响,存在较大波动性,其高比例接入会对现有电力系统的安全平稳运行带来严重挑战。

当然,除了间歇性和波动性之外,风能和太阳能还具有时空互补性。例如,光伏只有白天可以发电,晚上不行。但晚上有风,风机可以继续发电。因此,在一天24小时内,风能、太阳能可以实现日内互补。在季节性尺度上,太阳能是夏秋季节比较丰富,而风能是冬春季节比较丰富,二者在季节上也有一个互补关系。对于不同地区而言,这个地方是阴雨天,其他地方可能是晴天;内蒙古高原的风比较大,华北平原的风比较小,空间上也有一个互补。因此,基于时空互补关系,我们就能够利用风能和太阳能的互补性,来解决它的间歇性和波动性。

就“风光”互补而言,气象部门可以研发长时间序列高时空分辨率的风能、太阳能数据序列,科学认知风能、太阳能在不同时段和不同区域的时空变化特征,充分利用风能太阳能资源的时空互补性,减小风电、光伏发电的间歇性和波动性,促进新能源消纳,提高可再生能源利用效率。

在此方面,国家气候中心开展了初步研究,结果显示,在局地尺度上,优化风光配比,可以减小新能源出力的波动性。通过计算风电、光伏安装比例与风光耦合发电系统稳定性之间的关系,得到了不同地区风光耦合出力波动性最小情景下的风光安装比,进而可以得到全国最优的风光安装比例地图。在区域尺度上,扩大空间范围可以提高风电、光伏和风光耦合发电系统的稳定性,且这种空间连接效应在风电为主导的可再生能源系统中更为显著。

另一方面,虽然我国风电和光伏发电装机容量已连续多年位居世界第一,相应组件制造规模也是全球最大的,但对风能、太阳能资源的利用效率与欧美等发达国家相比还比较低。

2020年,我国风电装机容量约是美国的3倍,但年利用小时数只有美国的约74%。德国平均日照时数1500多小时,而我国平均日照时数2400小时,比德国高60%左右,但2020年,我国光伏平均发电年利用小时数仅比德国高约22%,完全未能体现出我国的资源优势。因此,为了保障新能源的高效开发和利用,有必要进一步提高风光资源的监测、评估和预报能力,为国家能源转型和新型电力系统建设提供更为精准的气象产品和服务。

第三,低碳能源转型和新型电力系统建设使得清洁能源生产、传输和调度对天气气候状况的依赖度越来越强。而全球气候变暖背景下,极端天气气候事件(暴雨洪涝、台风、雷电、高温干旱、低温冰冻等)频发,又对能源基础设施、电场运行及未来规划设计等会产生潜在气候风险。

就这点而言,气象部门应和能源、电力部门合作,加强极端天气气候事件对电力系统安全运行的风险监测和评估,为保障国家能源和电力安全提供科技支撑。

第四,满足“碳达峰”和“碳中和”发展目标需求,大规模开发风能和太阳能资源成为必然,怎样科学合理规划才能保障区域生态和气候环境的可持续性发展,也成为人们越来越关注的问题,也是我国未来清洁能源长效开发和应对气候变化面临的新挑战。

我国提出2030年,风电太阳能装机不低于12亿千瓦的发展目标。若按风电装机4亿千瓦、光伏装机8亿千瓦,且70%在西部省份采用大规模集中式开发的方式测算,则需要建设占地面积约400平方公里的100万千瓦大型风电场280个,需要建设占地面积约50平方公里的100万千瓦大型固定式光伏发电基地560个。二者合计需占用土地面积约12万平方公里,与福建省的面积(12.13万平方公里)相当。

2060年前实现碳中和,需要占用的土地面积会更多。我国西部地区是风光资源富集区,同时也是生态环境脆弱区和大江大河的发源地,在西部地区开展大规模的清洁能源基础设施建设,亟需回答其对局地和大范围气候、生态和环境会造成哪些影响,这些影响是正面的还是负面的,影响程度如何等诸多问题。

对气象部门来说,应提前对这些问题开展战略性研究,建立大规模风能太阳能开发的气候生态环境效应评估体系,并开展相应的观测对比、模式模拟试验,给出科学结论,以回应国家和社会关切。 

气候韧性建设呼唤气候安全服务

2019年,上万名科学家共同宣布地球正面临“气候紧急状态”。2020年底,联合国秘书长呼吁全球所有领导人“宣布进入气候紧急状态”。2021年2月,联合国安理会就气候变化与和平和安全问题举行了高级别辩论,指出气候造成的破坏是危机的放大器和倍增器,气候变化加剧了动荡和冲突的风险。如果不努力控制温室气体的排放,未来气候系统变化造成的影响和风险比预计的来得更为剧烈。

根据已有研究,即使按照目前各国已经承诺的碳中和目标均能实现,本世纪末全球温升仍可能比工业化革命前上升2℃左右。温升2℃,意味着全球遭遇至少五年一遇的高温热浪人口将达37%,2100年海平面将上升0.46米,北极多年冻土融化面积将达660万平方公里,热带地区玉米产量将减少7%,至少一半昆虫消亡的比例将达18%,这些触目惊心的后果提醒人们需要加强气候适应努力,增强气候韧性建设。

组成城市系统的生活—生产—生态“三生系统”与支撑和维持城市可持续发展的社会—经济—环境“三大支柱”相对应。生活、生产、生态三者之间相互影响、相辅相成。城市居住人口密度大,各种产业集群集中,生态环境脆弱。在突如其来的气候风险面前,城市作为最为开放的复杂系统往往表现出极大的脆弱性,是人类社会与自然环境相互作用最为剧烈的区域。

城市面临的挑战极少是单独的冲击或单一的压力,多是两者相互关联的组合。气候韧性思维就要求城市从整体上审视自身的能力和风险,建立智能城市适应气候变化管理体系,强化城市适应气候变化能力。

因此,建立气候变化风险早期监测预警和风险评估体系,有效管理不同时间尺度气候变化所引起的潜在风险成为首要任务。首先,需要建立极端事件和灾害风险定量监测评估,针对暴雨、干旱、台风、高温、低温等主要极端气候事件,完善极端事件监测识别指标体系,结合主要承灾体、暴露度和脆弱性变化特征研发风险定量评估模型,开展重点区域和关键时期气候变化对农业、水资源、生态系统、人群健康、交通运输以及社会经济等行业的风险评估,建立气候变化风险早期预警体系,及时发布主要极端气候事件风险早期预警产品。

另外,要制定城市气候风险地图,加强城市气候风险预警及适应信息平台建设,提高城市生命线气候防护能力。依据气候风险和气候容量,科学调整城市空间规划,控制气候敏感地区的城市规模,加强城乡协同一体化建设。结合不同城市气候资源与生态环境承载力,因地制宜开展气候适应型城市建设。

气候数据助力碳达峰碳中和目标实现

气候数据涵盖了包括大气、海洋、冰雪、生态、环境以及人类活动有关的数据,是典型的大数据。气象服务关系生命安全、生产发展、生活富裕、生态良好,与各行各业发展密切相关。通过开发以科学为依据的气候数据和信息,使社会能够更好地管理气候变率和变化带来的各种风险和机遇,将为气候数据和气候信息赋予更多的能量、更大的价值。

因此,紧贴百姓需求,建立健全需求智能感知、产品自动制作、服务精准推送的气候服务新模式,开展面向大众和行业的定制式气候服务,实现气候服务向数字化、智能化转变,使气候服务触手可及是发挥气候服务价值的重要途径。要不断提升气候服务供给能力,构建超市式分众服务产品库,研发覆盖衣食住行游学康等美好生活需求,个性化、场景化的气候服务产品。另外,还要拓展新媒体气候服务,发展图形、视频、动画等直观快餐式服务产品,进一步拓展气候服务可用性。

2010年世界气象组织发布的《全球气候服务框架》确定了农业和粮食安全、减少灾害风险、卫生以及水和能源五个领域作为优先重点领域,我国在规划相关的气候服务时又增加了城镇化作为优先重点领域。已有研究表明,国内气候服务在交通、旅游、电力等行业产值的服务贡献仅为1%。相比发达国家的气候服务效益明显偏低,特别是其效益不仅仅是经济效益,还包括社会效益和环境效益。

目前国内初步形成了国有、民营、国际专业气候服务机构的“三足鼎立”局面。和国际机构比较,国内的专业服务科技支撑能力和服务能力整体偏弱,能源气象、海洋气象、远洋导航、航空气象等专业服务能力与日本、欧洲相比差距很大。除了体制机制因素外,气候服务科技核心能力不强,技术支撑水平和服务集约化水平亟待加强是其中重要因素。

现有科技创新能力不够,新技术应用程度较低,科技含量不高、深度不够,缺乏核心品牌和拳头产品;产品提供及营销能力不足,以用户为中心、融入式发展水平不高,对服务对象的需求挖掘不够,适应不同消费者需求的产品提供能力、市场营销能力严重不足;基础支撑薄弱,面向不同行业领域的气象观测、数据资源、影响预报模式模型发展滞后;服务规模“小、低、散”,业务链条布局不能适应用户要求,存在重复、低效、无序发展等问题;领域布局重点不突出,聚焦聚力和深耕重点专业领域不够。 

面向碳达峰、碳中和目标,气候服务需求越来越大,价值越来越明显。充分挖掘气候数据背后的价值,提供精细化的气候服务,可以在减缓和适应气候变化方面发挥重要价值,可以为碳达峰、碳中和目标的实现保驾护航。