中国沿海区域光伏电站台风灾害时空暴露与可持续发展研究

本研究针对中国沿海光伏(PV)电站面临台风灾害风险加剧的问题，通过Landsat遥感影像分析PV时空分布，并评估台风灾害影响。结果显示，截至2023年底沿海PV面积达1962.89 km2，长江以北PV面积是以南的两倍以上；约20%的沿海土地面临高台风风险，其中16%的现有PV位于高风险区。研究为气候适应性太阳能规划提供科学依据，直接支持联合国可持续发展目标(SDG)7和13，对全球可再生能源韧性策略具有重要参考价值。

　　

在全球能源转型和气候变化双重背景下，太阳能光伏(PV)发电作为清洁能源的重要组成部分，正以前所未有的速度扩张。中国作为全球最大的光伏生产国和部署国，在全球可再生能源转型中扮演决定性角色。然而，随着气候变化加剧，台风等极端天气事件日益频繁和强烈，尤其在中国沿海地区，这些灾害不仅威胁光伏电站的即时运行稳定性，还挑战太阳能基础设施的长期可持续性。气候适应性太阳能规划直接贡献于联合国可持续发展目标(SDG)7（经济适用的清洁能源）和SDG13（气候行动）。尽管中国在光伏扩张方面处于领先地位，但沿海地区不断升级的气候风险凸显了将光伏布局与风险减缓策略对齐的重要性。现有研究多聚焦光伏组件的静态结构分析，缺乏对台风风险的系统性地理空间评估，这限制了制定台风韧性光伏部署策略的能力。因此，开展针对中国沿海区域光伏电站台风灾害时空暴露的研究，具有紧迫的现实意义和科学价值。

为开展本研究，研究人员采用了多源数据集成和先进的空间分析方法。主要技术方法包括：利用Landsat-5/8遥感数据，通过Google Earth Engine(GEE)平台结合机器学习方法提取2000-2023年中国光伏分布数据，空间分辨率为30米；采用随机森林模型，整合光谱特征（如归一化植被指数NDVI、归一化建筑指数NDBI、改进归一化水体指数MNDWI）、纹理特征（基于灰度共生矩阵GLCM）和地形因子（如海拔、坡度），以提高光伏识别的准确性；通过历史台风监测数据（来自中国气象局国家气象中心），基于蒲福风级(Beaufort Scale)分类台风最大风速，并采用100公里半径缓冲区分析，评估台风风险的空间分布；利用历史灾害调查数据（包括215份有效问卷），回归分析风速与光伏损失率的关系，以量化风险；最后，通过空间叠加和网格化操作（10公里分辨率），生成最终的风险分类图，并区分低、中、高和极端风险等级。这些方法确保了研究的科学性和可靠性，为沿海光伏部署提供了精细化风险评估。

3.1. 光伏数据提取精度

研究通过改进随机森林模型，结合光谱、纹理和地形特征，显著提高了光伏识别的准确性。结果表明，光伏提取的Kappa值为0.87，总体精度为0.94，生产者精度为0.90，用户精度为0.96，显示出高提取精度。与现有研究相比，本研究在平衡所有指标方面表现优异，特别是用户精度极高，确保了提取的光伏数据对空间模式分析和政策应用的可靠性。

3.2. 中国沿海区域光伏的时空分布

截至2023年12月，中国沿海区域光伏总面积约为1962.89 km²。光伏景观以小型安装为主，面积小于0.5 km²的站点占总面积的51.02%。大型光伏（超过1 km²）主要集中在河北、天津、山东、江苏和浙江等北方五省。时间演化显示，2015年前光伏安装稀少，总面积仅155.04 km²；2015年后快速扩张，2020-2023年间新增约1064.03 km²，相当于2020年前所有安装的累积总量。区域分析显示，长江以北六省（辽宁、河北、北京、天津、山东和江苏）光伏安装量占沿海总量的70.76%，是长江以南部署量的两倍以上。河北、山东和江苏三省领先，共同拥有1173 km²的光伏面积，占沿海总面积的59.76%。

3.3. 光伏电站台风灾害的时空暴露

3.3.1. 空间暴露

通过整合台风监测数据和光伏遥感观测，研究系统评估了中国海岸线沿线的光伏区域台风风险。分析显示，约181000 km²（13.3%）和98000 km²（7.2%）的沿海土地分别位于高风险和极端风险区。在这些脆弱区域内，约327.04 km²的光伏安装（占沿海中国总量的16.66%）面临 elevated 台风威胁。地理分布上，广东省在高/极端风险区的光伏面积最大（109.35 km²），其次是浙江、广西和台湾（各超过40 km²）。相比之下，1635.85 km²的光伏容量位于低至中度风险区，其中78%的安全部署集中在长江以北。

3.3.2. 时间暴露

截至2023年底，中国沿海区域累积光伏面积约为1962.89 km²。15年发展轨迹分析显示，1416.66 km²（72.99%）的光伏扩张发生在低风险区，另有197.11 km²（10.16%）在中度风险区，共同占沿海光伏部署总量的82.15%。2015年后的加速发展保持了这种风险规避模式，71.40%和10.01%的新安装分别位于低和中度风险区。然而，约16%的扩张仍发生在高和极端风险区，表明台风风险虽显著影响选址决策，但一些开发继续在脆弱位置进行。

3.4. 海上光伏风险

随着光伏政策的逐步实施和太阳能行业的成熟，海上光伏有望成为中国海洋能源的战略优先领域。风险分析确定了台风危害的显著地理差异。在100公里沿海缓冲区内，约333500 km²（32.35%）和289600 km²（28.13%）的海洋区域被分类为高风险和极端风险区。渤海和黄海区域主要呈现低至中度风险水平，而东海和南海沿海水域 uniformly 属于高和极端风险类别。这些发现表明，未来海上光伏开发应优先考虑相对安全的渤海和黄海区域，而东海和南海虽然具有 significant 能源潜力，但由于台风风险较高，需要谨慎规划和增强工程解决方案。

研究结论和讨论部分强调，本研究系统分析了中国沿海区域光伏面积的时空分布模式及其对台风灾害的脆弱性。结果表明，沿海省份光伏覆盖总面积达1962.89 km²，长江以北省份占沿海总量的70.76%，台风风险评估显示约20%的沿海土地处于高或极端风险区，包含16%的现有光伏安装。值得注意的是，2000-2023年间82.15%的光伏扩张发生在低至中度风险区，表明当前选址实践已 substantially 纳入风风险考虑。海洋风险预测显示 distinct 区域差异：渤海、黄海和南沙群岛水域主要呈现低至中度风险条件，而东海、南海及海南、台湾、东沙群岛、西沙群岛和中沙群岛邻近水域 consistently 登记高或极端风险水平。这些发现为 balancing 可再生能源扩张与气候韧性提供了关键指导，对中国沿海和海洋环境的可持续能源发展具有重要意义。研究还讨论了局限性，如未充分考虑风速持续时间、降水强度等次生灾害，以及历史灾害数据缺乏等问题，为未来研究指明了方向。总体而言，本研究为气候适应性太阳能规划提供了科学依据，支持全球可再生能源韧性策略，具有广泛的政策和实践应用价值。