中国极端天气气候研究——“地球系统与全球变化”重点专项项目简介及最新进展

全球变暖背景下,极端天气气候事件频发,并表现出群发性、持续性、复合性等特点,不可预测性增加;持续性强降水、极端低温、复合型极端高温干旱、群发性热浪和台风等极端天气气候事件对我国经济社会和可持续发展影响巨大。然而,上述极端天气气候事件的新特征、关键过程和机理尚不完全清楚,重大极端事件的预报预测水平亟待提升。文章首先简要介绍“地球系统与全球变化”重点专项项目“中国极端天气气候事件的形成机理及其预测和归因”的基本情况。项目拟在分析全球变化背景下对我国造成重大影响的极端天气气候事件新特征的基础上,深入研究多尺度海-陆-气耦合过程影响极端天气气候事件的机理,挖掘极端天气气候事件次季节-季节预测的前兆信号;发展动力与物理统计相结合的极端事件预测新方法,研制针对中国极端事件的新一代高分辨率数值预报与检测归因系统。文章重点总结了自2022年12月项目立项至今取得的最新研究成果和进展。

极端天气场景下基于天气衍生品的电价风险管理

极端天气会导致线路跳闸,发电能力损失,负荷激增。市场环境下用户将承受高昂电价冲击,危及社会稳定。此时抑制电价飙升,管理电价风险十分重要。为此,设计了一种基于电价和发电损失容量的电力天气衍生品,可有效管理电价风险。首先,依据风险分解结构原理从源网荷及发电商报价角度分析了极端天气对电价的影响。其次,设计了考虑电价、天气为执行条件和基于损失容量与电价为收益函数的天气衍生品,并从理论层面分析了其效果。最后,结合预期效用最大化目标和电力市场出清模型进行发电商决策与电价模拟,使用条件风险价值(CVaR)指标评估了电价风险及衍生品效果。结果显示,所提电力天气衍生品使极端天气对发电商收入的冲击降低80%以上,用户电价均值降低约0.2%,用户电价风险降低20%以上,说明可有效控制电价风险,助力电力市场建设以及新型电力系统构建。

考虑极端天气冲击过程的风电机组竞争失效可靠性评估

针对风电机组的运行可靠性易受极端天气影响的问题,提出了一种考虑极端天气冲击过程的风电机组竞争失效可靠性评估方法。同时考虑风电机组自然退化、极端天气冲击导致的瞬时退化以及极端天气持续过程产生的加速退化,构建极端天气下的风电机组综合退化模型;考虑风电机组退化过程对其耐冲击性能的影响,建立风电机组竞争失效可靠度模型以评估风电机组可靠性;基于我国北方某风电场工程数据和极端天气历史数据评估了某2 MW风电机组的可靠性并进行了参数灵敏度分析。结果显示,到第5年时,仅考虑自然退化的方法评估风电机组可靠度为0.84,而考虑极端天气冲击过程的方法评估风电机组可靠度为0.178,后者更加符合工程实际。通过模型参数的灵敏度分析发现,运行时间超过3年后,退化失效开始逐渐影响风电机组的可靠性。

极端天气条件下新型电力系统风险评估与弹性提升

近年来,随着温室效应加剧,世界范围内极端天气频发,对电力安全可靠供应造成了严重影响。为达成国家“碳达峰、碳中和”的重大战略目标,构建新型电力系统已成为一种必然趋势。目前,电力系统发展呈现风、光等强不确定性新能源占比不断提高,电力负荷复杂化、多样化的特点,当极端天气条件出现时,将进一步放大电力供应、负荷需求以及设备故障多环节不确定性的影响。因此,开展极端天气条件下新型电力系统风险评估与弹性提升研究,具有十分重要的意义。

近60 a中国极端天气气候事件变化趋势及2023年特征分析

对不同区域极端天气气候事件变化规律的研究,有助于提高我国防灾减灾能力和有效应对气候变化风险。利用我国均一化的2254个气象观测站逐日观测资料,分析评估近60 a和2023年我国及其各区域(未包含港澳台地区)发生的极端高温、极端低温、极端干旱、极端降水和极端台风等极端天气气候事件(简称“极端事件”)的时空特征。结果表明,1961年以来,我国极端事件总体呈下降趋势,其中1970—1990年代初下降趋势明显,1990年代后期以来增加趋势明显;极端高温事件呈显著增加趋势,进入21世纪后增加趋势更加明显;极端低温事件呈减少趋势;极端降水事件总体呈增加趋势;极端干旱事件呈下降趋势且阶段性特征明显;近60 a来受台风影响出现的极端风速和降水事件呈减少趋势,主要由极端台风风速事件减少造成,而极端台风降水事件呈缓慢上升趋势。2023年我国极端事件每站平均发生139次,比气候平均值偏多28.3%。其中,极端高温事件平均发生79次(偏多76.8%),为1961年以来历史最多年;极端低温事件平均发生20次(偏少23.8%);极端降水事件平均发生14次,极端干旱事件平均发生26次,都接近常年平均值;极端台风事件平均发生0.41次(偏多4.2%),主要以极端台风降水事件为主。2023年极端事件主要出现在西南地区、江南西部、华南西部、西北地区中部和北部、内蒙西部、京津冀等地,其中四川东部、贵州南部、甘肃西部、内蒙西部等地超过200次。极端事件增多的主要原因是极端高温事件和极端干旱事件增多。综合等级指数分析表明,极端事件高危险区域主要位于南方地区,特别是东南沿海地区,近60 a综合等级指数增加的区域主要位于西南地区到东北地区南部这个过渡带上。2023年高危险区域主要出现在西南地区和西北地区中北部。

极端天气对被动式太阳能建筑采暖效率的影响

为研究极端天气对被动式太阳能建筑采暖效率的影响,选取关键气象参数(直射辐射、干球温度)来构造极端冷气象条件,主要分析太阳低辐射和极端低温对拉萨、乌鲁木齐、兰州、哈尔滨4个城市的被动式太阳能建筑采暖效率的影响。结果表明:随着太阳直射辐射和温度的降低,哈尔滨整个采暖季的采暖潜力下降最大,拉萨、兰州、乌鲁木齐在太阳直射辐射下降超过50%时,采暖潜力下降最大,哈尔滨在辐射下降43%时采暖潜力下降最大。在温度下降不超过10℃的情况下,拉萨和哈尔滨的采暖潜力下降最大,兰州和乌鲁木齐则是在温度分别下降11和15℃时,采暖潜力下降最大。气象参数对采暖潜力的敏感性分析表明,太阳直射辐射对太阳能采暖潜力的影响大于温度。同时,对不同设计因素进行全局敏感性分析,建筑保温材料的物理参数对采暖潜力的影响高于其他设计参数。

新型电力系统应对极端天气冲击的研究

极端天气状况的加剧给能源电力系统的安全运行带来巨大的风险和挑战。新型电力系统的可再生能源占比高、负荷波动大,气候敏感性和脆弱性明显,尤其是极端气候风险会对电力系统“源”“荷”及“源—荷”产生综合影响,会进一步激化电力供需平衡矛盾。当前我国亟须加强新型电力系统的“抵御—恢复—适应”韧性能力,实现事前对极端天气预测防御、事中承受初始冲击和从破坏性事件中迅速恢复,以及事后采取适应措施以减轻未来类似事件影响的全过程应对,大力发展电力新质生产力。

全球范围内极端天气频发,是何原因?

近期,随着北半球进入夏季,全球极端天气进一步增多。5月底以来,印度北部地区和首都新德里受持续高温干旱影响,最高气温超过50℃。德国南部多地遭遇暴雨和洪水,部分地区降雨量达到百年不遇的水平。巴西南里奥格兰德州自4月底以来持续遭遇暴雨,超过60万人流离失所……总体来看,造成全球范围内极端天气频发的原因是多方面的,既有全球气候变化的大背景,也有具体的区域性特征。

基于Stacking多模型融合的极端天气短期风电功率预测方法

为了解决极端天气下样本稀缺和单一模型预测精度不高的问题,提出一种基于Stacking多模型融合的极端天气短期风电功率预测方法。首先,提取极端事件的原始数据,通过考虑格兰杰因果的最大相关-最小冗余(maximal relevance minimal redundancy, mRMR)特征选择策略降低数据特征冗余和复杂性;其次,针对极端天气数据稀缺的问题,采用捕捉数据时间动态特性的时间序列生成对抗网络(time-seriesgenerativeadversarialnetwork,TimeGAN)算法进行扩充;最后,考虑到各单一模型的差异性及优势性,构建以卷积神经网络、长短期记忆网络、极端梯度提升树、K最近邻算法、支持向量机为基学习器,以轻量梯度提升机为元学习器的Stacking集成模型对未来3d的风电功率进行预测。实验结果表明,所提方法能够有效提升极端天气下的短期风电功率预测精度,与其他预测模型相比,其归一化平均绝对误差和均方根误差分别改善了2.48%和3.47%。

极端天气下配电网故障多时段恢复韧性提升策略

网络重构和孤岛划分是极端天气下含分布式电源配电网故障恢复的重要手段。按照气象灾害发展过程采取多时段的故障恢复有利于提升配电网韧性。现有故障恢复策略缺乏考虑多次网络重构和孤岛划分的操作成本以及孤岛内分布式电源出力的波动性,导致优化结果安全和经济效果欠佳。因此,本文提出了极端天气下配电网故障多时段恢复策略,通过构建含分布式电源的主动配电网重构与孤岛划分统一模型,并考虑不同故障原因下的恢复时间尺度,细分时间断面,实现故障期间动态调整配电网网络结构,提升电网韧性。最后在IEEE 33节点系统中对所提策略进行验证,算例测试结果表明:所提策略开关动作次数少,负荷动态恢复率高,具备一定的抵御功率扰动能力,能提高极端天气下配电网的韧性。

极端天气条件下风电机组事故演化知识图谱的构建及分析

极端天气(强风、雷电、盐雾、冰冻)频发,对风电机组的安全稳定运行带来极大的挑战。传统的事故演化和风险预警方法对事故运行数据有较强的依赖性,而极端天气条件下难以提供足够的可靠数据进行分析,这大大增加对风电机组进行监测预警的难度。针对上述问题,本文利用专家知识和风电机组事故的文本数据,提出一种基于知识图谱的风电机组事故演化分析模型。该模型首先借助深度学习算法进行知识抽取,以实现对于事故风险的感知,随后进行知识图谱的构建以及事故的演化推理。本文以雷电和高温灾害为例,借助所提模型进行风电机组事故演化推理和事故风险的定性推理分析。研究结果表明:该模型能够实现极端天气条件下的风电机组事故信息的有效感知,并进行事故的演化推理,可为风电机组的风险管理提供一个有效的工具。

极端天气下考虑分布式电源可用程度的配电网多源协同恢复策略

为了提升配电网对极端天气的抵御及恢复能力,需要充分发挥分布式电源、储能系统、移动电源等海量配电网弹性资源的应用潜力,通过资源调度为配电网供电恢复提供支撑,最大限度保证配电网在极端天气下的功能完整性。为此,针对台风过境后的配电网和交通网故障状态,提出一种考虑台风影响下分布式电源可用程度的配电网多源协同恢复策略,建立计及分布式电源、自备储能和移动应急电源等多种灵活资源的配电网多时段故障恢复模型,实现台风过境后配电网故障负荷的快速恢复。首先,分析台风过境后的分布式电源可用程度;其次,针对交通网的故障状态,分析移动资源的最短行驶时间与路径;最后,采用IEEE 33节点配电系统与33节点交通网对所提策略进行验证,利用MATLAB+YALMIP+CPLEX工具箱创建优化模型并求解。结果表明,所提策略能够有效地利用多种灵活资源之间的时序配合,对负荷恢复起到良好的支撑作用。

欧洲大范围跨国电力互联在极端天气下电力安全保供中的作用分析

随着全球气候变化不断加剧,极端天气对电力系统的影响日益增强,电网在电力安全保供中发挥的作用愈发受到关注。欧洲电网作为世界上规模最大的跨国互联电网,其在极端天气下的电力安全保供中发挥的作用值得研究借鉴。首先,对欧洲电网跨国互联进程、跨国电力配置、跨国互联目的进行梳理,并从电力交易与调度的关系、跨国电网耦合机制、跨国输电通道容量分配机制等角度分析欧洲跨国电网的交易与调度特征。其次,以2022年夏季极端高温干旱天气下的欧洲电力供应紧张事件为例,从电量余缺互济、平衡资源共享、统一电力市场支撑、可再生能源消纳等方面分析欧洲跨国互联电网在电力安全保供中发挥的“四个平台”作用。然后,对欧洲跨国互联电网面临的问题进行剖析。最后,提出对中国电网发展的思考及建议。

冷水机组在极端天气运行能效研究

2020年,某科技园区中央空调系统夏季工况尤其在极端天气下,园区中央空调系统制冷能力效果不佳,影响科技园区科研、生产、办公环境温度环境条件。本文依据《GB/T 10870-2014蒸汽压缩循环冷水(热泵)机组性能试验方法》规定的液体载冷剂法,对冷水机组在极端天气冷水机组实际运行性能COP值进行测量计算,根据测量计算冷水机组运行时的实际COP值,找出实际运行性能COP值偏低的冷水机组,并分析制冷能力不足原因,提出解决问题的结论及建议。

夏季极端天气条件下奶牛场防范及应对措施

受“杜苏芮”台风影响,2023年7月29日至8月1日,河北保定、石家庄、邯郸等大部分地区出现强降雨天气。极端天气对河北省奶牛养殖生产造成了严重的影响。了解到此次持续的强降雨天气导致部分奶牛场存在圈舍、挤奶厅漏雨现象,圈舍、运动场、堆粪区积水现象严重,草料库淋雨和饲料受潮等问题,后期易出现奶牛乳房炎和趾蹄病发病率升高等不良影响。就气象灾害性天气影响,降低灾后奶牛经济损失,河北省现代农业产业技术体系奶牛创新团队高效养殖岗、定州综合试验站、承德综合试验站相关岗、站专家针对牧场实际情况,从暴雨前准备、雨中防护、雨后牧场应对措施等方面提出相关建议。指导牧场重视夏季极端天气(强降雨)所带来的危害,确保奶牛场安全度过汛期。

全球变暖背景下北京面临极端天气影响的风险考量

极端天气气候事件是造成全球重大自然灾害的主要根源,并且在近年来有加重的趋势。在我国范围内,近年来极端天气气候事件也呈现增多增强的态势。在全球变暖仍将持续的情景下,随着全球变暖加剧,北京面临的极端天气事件可能会增加,这将给城市和居民带来了诸多风险。本文基于全球变暖背景下出现的极端天气的现状分析,对北京未来可能面临的极端天气的风险性进行思考,并提出相应的对策建议。

极端天气气候与空气质量对健康影响

随着经济和社会不断发展,极端天气气候与空气质量作为影响人口和经济活动中心的重要因素,对居民生产生活产生巨大影响。本文以极端天气气候与空气质量对健康的影响为研究对象,首先在文献阅读与案例研究的基础上,对极端天气气候和空气质量的影响进行系统梳理,引入极端天气事件和空气污染成为各类疾病高发与灾害致死的重要原因,旨在通过介绍极端天气气候事件与空气污染对健康的影响,探究事件对公众影响水平并针对性地提出风险预测策略,以促进国家公共卫生安全和社会经济可持续发展。

极端天气下城市轨道交通安全运营的思考建议

随着城市化进程加速,城市轨道交通日益成为人们出行的重要方式。然而,在极端天气下,城轨交通安全运营面临诸多挑战。本文以2024年初冻雨、强降雪事件为例,探讨城轨交通在极端气候条件下的安全运营问题,并提出相应建议。2024年2月4日(春节前,回乡高峰期),降雪和冻雨轮番上阵,湖南、湖北、河南、安徽部分地区成为冻雨、强降雪的集中区域,局部地区甚至出现特大暴雪,积雪深度超过20厘米,叠加冻雨天气,公路、铁路、航空等受到不同程度影响,再加上春运和工作日调休的人流,让回家过年的人们滞留在了路上。

河西走廊东部武威市2023年极端天气气候特征分析

2023年河西走廊东部天气气候极为异常,极端天气频发,对农业生产、日常生活、生态用水造成很大影响。为提高极端气候事件的预报预测精度并减轻其造成的损害,基于2011—2023年河西走廊东部国家基本气象站逐日气温和降水量资料,分析其极端性特征及成因。结果表明,2023年武威市气温陡升骤降特点突出,年平均气温为有气象记录以来同期最高,≥35℃高温日数为有气象记录以来同期最多;降水阶段性特征明显,年平均降水量为近10年同期最少,暴雨为近13年同期最少;气象干旱为60年一遇,灾情重;大风沙尘天气偏多,沙尘暴为2003年以来同期最多,扬沙为1982年以来同期最多;ENSO事件是造成极端天气多发的主要影响因素。

极端天气对北京电网运行影响的研究

近年来,极端天气多发频发,严重威胁电网安全稳定运行和电力可靠供应,成为不容忽视的问题。为贯彻落实防灾、减灾、救灾工作重要指示精神,提升能源电力保供本质安全,积极推进自然灾害防治体系和防治能力现代化,文章开展了极端天气对北京电网运行的影响分析,评估现有应对措施及存在的问题,并提出相关建议。