《Earth's Future》：Intensifying Tropical Cyclones and Expanding Renewable Energy Call for Climate-Resilient Planning in China
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可变可再生能源（VRE）是气候减缓中电力系统脱碳的核心，但其快速扩张使日益增多的VRE基础设施面临热带气旋（TCs）风险。随着TCs预计增强，此类风险在政策相关尺度上仍量化不足，可能使电力系统暴露于不可预见的扰动和损害。在此，研究人员开发了一个空间解析的风险投
可变可再生能源（VRE）是气候减缓中电力系统脱碳的核心，但其快速扩张使日益增多的VRE基础设施面临热带气旋（TCs）风险。随着TCs预计增强，此类风险在政策相关尺度上仍量化不足，可能使电力系统暴露于不可预见的扰动和损害。在此，研究人员开发了一个空间解析的风险投影模型，将基于物理的TC灾害模块与电力系统优化模块耦合，以评估TC气候学变化对中国VRE扩张的影响。研究发现，相对于1975–2014年历史基线0.37 billion USD yr?1，到21世纪末（2061–2100），TC引起的VRE经济损失预计增加10至20倍，其中风电占该增量的87%–91%。分解分析显示，在2021–2060年经济损失增长中，暴露度（exposure）占主导（贡献44%–49%），而在2061–2100年，灾害-暴露交互作用（hazard-exposure interaction）占主导（贡献49%–67%）。研究人员进一步确定了最优加固指标（optimal strengthening metric），可抵消预计经济损失的54%–67%。该框架将灾害风险评估从被动恢复转向主动基础设施韧性规划，为全球气候韧性沿海能源转型提供可扩展模板。
全球变暖减缓依赖可变可再生能源（VRE，指风能和太阳能等出力可变的可再生能源）的大规模部署。VRE预计到2050年提供全球47%的发电量；中国提出2060年实现碳中和，并推动风电和太阳能容量从2020年535 GW增至2024年1,400 GW，长期到2060年可达8,000 GW。在净零情景下，中国占全球VRE容量份额可由2005年的2%升至2060年的22%–35%。但中国沿海VRE基础设施面临日益增强的极端气候事件威胁，其中热带气旋（TCs，热带海洋上形成的强气旋性风暴）是最具破坏性的沿海灾害。风机运行安全裕度窄，50年重现期设计风速为37.5–50 m s
?1，而强TC极端阵风常超过该阈值，导致叶片断裂、塔筒弯曲甚至结构倒塌；光伏（PV）也会因TC高风速发生面板位移和支架变形。2024年超强台风Yagi登陆海南，最大持续风速超过62 m s
?1，造成至少6台风机倒塌、超过300 MW光伏容量损失，并使83万户停电。气候变化下西北太平洋TC呈现增强、极向迁移和快速增强事件增加等特征。现有电力系统气候韧性研究多关注气候变化对能源供给动态的影响，常假设VRE基础设施在气象极端事件中保持完整，忽视TC对VRE基础设施的风险；局部VRE资产评估又难以为未来能源规划提供指导。如何将演变中的TC风险转化为选址、设计和长期容量扩张的决策指标尚未解决，因此有必要开展本研究。
研究人员开发了气候风险可持续能源系统集成（CRISES）框架，将基于物理的TC灾害模块与电力系统优化模块耦合，评估TC气候学变化对中国沿海VRE扩张的影响，并识别最优结构加固策略。主要结论是：到21世纪末，TC引起的VRE经济损失相对历史基线增加10至20倍，风电贡献该增量的87%–91%；2021–2060年经济损失增长以暴露度为主，2061–2100年以灾害-暴露交互作用为主；最优加固可抵消54%–67%的预计经济损失。该研究将灾害风险评估由被动恢复转向主动基础设施韧性规划，为沿海能源转型提供可扩展模板。
关键技术方法（≤250字）：研究人员构建CRISES框架，耦合TC灾害投影、电力系统优化与损失评估/适应模块。灾害模块以ERA5为历史基线，采用10个CMIP6全球气候模式（GCMs）和delta偏差校正，经物理降尺度生成合成TC，并用解析结构模型计算风场；以IBTrACS 1980–2020年西北太平洋观测及中国11个沿海气象站1980–2020年风速校准。优化模块用中国综合可持续电力系统优化（CISPO）模型在0.25°×0.25°分辨率规划VRE布局，以2025、2040、2060年容量布局对应历史、近未来、远未来。损失模块结合中断、脆弱性与恢复时长估计直接和间接经济损失，通过成本效益分析确定最优设计风速增量。
研究结果如下。3.1 未来TC引起的VRE基础设施损失：通过将TC风场与沿海VRE容量布局、停机与脆弱性模型结合，研究得出沿海VRE扩张显著增加TC暴露。到2060年，沿海风电和光伏容量大幅扩张（风电约410–800 GW、光伏约1,740 GW）。在SSP5-8.5（共享社会经济路径5-8.5）2061–2100情景下，海上风电停机率（downtime ratio，因TC影响无法运行的时间比例）由历史1%升至6%，分布式光伏（DPV）和公用事业规模光伏（UPV）停机率均低于1%。机制分析显示，风电和DPV停机由结构损伤主导，风电超过99%、DPV为78%；UPV是例外，辐照衰减造成其84%的停机。增强TC还提高不可修复损伤比例，延长停机。等效容量损失（equivalent capacity loss，指整个运行寿命内零出力对应的容量规模）在近未来约为历史基线2.5 GW的5倍，远未来增至8–14倍；海上风电损失率远未来较历史增加17–35倍，是总容量损失增加的主要贡献者。分解分析表明，太阳能损失增加主要受安装暴露效应驱动，海上风电损失增加主要受协同效应驱动，即未来容量扩张与增强TC灾害重叠区域产生额外风险。3.2 经济损失与最优改造策略：通过将容量损失、容量因子、停机收入损失和电价等结合，研究得出总发电损失由基线6.0 TWh yr
?1增至60.0–113.8 TWh yr
?1，增加10–19倍；总经济损失由0.37 billion USD yr
?1增至10–20倍。海上风电在总经济损失中的占比由历史44%升至未来72%–81%，损失集中于广东、福建和浙江，合计占66%–68%。通过成本效益分析确定最优设计风速增量：广东海上风电2021–2060年需相对IEC 61400-1 Class I提高10 m s
?1，2061–2100年提高11–14 m s
?1。实施最优结构加固可获得净经济收益（net economic benefit），抵消54%–67%的总经济损失；SSP5-8.5远未来最大净收益达4.8 billion USD yr
?1，其中76%来自广东、福建和浙江海上基础设施加固。研究结论指出，基于历史数据的静态设计标准已不足以应对未来更暖气候，政策制定者需持续更新基础设施设计规范以匹配局地未来TC预测。
讨论部分总结：VRE扩张对碳中和不可或缺，但全球变暖下TC灾害增强使其风险上升。该跨尺度框架量化了TC风险随时间和空间及未来VRE部署的演变，发现海上风电是主要风险源；其靠近负荷中心、容量因子较高且不受土地利用约束，但传统资源导向选址可能使高资源区转为高风险区，未来电力规划需平衡资源潜力与极端气候损害。研究识别了经济最优设计风速增量，为气候韧性规划提供政策依据。局限包括：研究关注数十年累计发电损失而非暂态电网动态；仅采用2.5 MW和5.0 MW风机脆弱性曲线；海上风电脆弱性未含风暴潮载荷；仅聚焦TC，未纳入沙尘暴、冰雹、热浪及其复合效应。研究结论翻译：尽管存在一些局限，本研究的更广泛贡献在于首次沿碳中和路径综合量化TC对中国VRE的风险。通过区分灾害、暴露及其协同作用，结果强调将前瞻性气候风险纳入选址决策和设计标准是实现中国碳中和目标的前提。除国家尺度规划外，CRISES的可扩展设计也为更细尺度应用提供基础；在具有局地气象和电力系统高分辨率数据的条件下，CRISES可扩展到特定风电场的TC风险评估和选址。TC灾害模块和电力系统优化模块均已扩展至全球尺度，表明该模型具有更广泛应用潜力。将CRISES推广到墨西哥湾、孟加拉湾等其他TC脆弱区，需要区域特定的可再生能源部署、资本支出、电价和改造费用数据，以及TC灾害模块的区域验证和校准；这些数据资源和方法先例表明推广在技术上可行，为未来区域电力系统气候韧性评估提供基础。
