中國儲能網(wǎng)訊：2015年3月20日，正午，整個北半球迎來了難得一見的日全食，這對天文愛好者來說是一次奇觀，但對于德國電力網(wǎng)絡(luò)來說卻無疑為一次危機。這是因為德國目前是全球第一大光伏之國，其裝機容量約為3776萬千瓦，雖然光伏發(fā)電在德國總發(fā)電量占比還不到6%，但其承擔了波峰期將近一半的功率負荷（約2千萬千瓦），其在2014年6月9日（圣靈降臨節(jié)）當天甚至一度超過了50%。這次的日食盡管只有短短數(shù)小時，但太陽的這一遮一露，相當于幾十臺核電機組驟然關(guān)停隨后又旋即啟動，其對電網(wǎng)的瞬時沖擊可想而知。上一次日食發(fā)生在1999年，彼時的德國還沒有那么多“看天吃飯”的太陽能發(fā)電，此次可以說是新能源首次遭受“天”的挑戰(zhàn)。
那一天太陽沖你眨了眨眼
德國將近四成的光伏發(fā)電還是分布式的，分散在每家每戶，并不像核電或火電站可以統(tǒng)一控制和調(diào)度，而德國的可再生能源法又規(guī)定新能源必須百分之百接入，即使在突發(fā)事件下強制切斷也是違法的，這無疑增加了日食事件處理的難度，也給大數(shù)據(jù)提供了一次顯示身手的機會。
歐洲最大氣象公司Meteo Group在數(shù)月前就通過大數(shù)據(jù)分析對日食發(fā)生的準確時刻、食分的大小和見食的地區(qū)進行了較為精準的預(yù)報，并預(yù)測到發(fā)電量將在20日上午10時40分暴跌70%，奧登堡大學的能源氣象研究所（Virtual Institute of Energy Meteorology，vIEM）受電網(wǎng)運營商委托也開展了相關(guān)大數(shù)據(jù)分析，其認為在日食開始的德國時間上午9:30左右，光伏發(fā)電出力可能瞬間減少1200萬千瓦，而在兩個半小時之后的正午太陽從月亮后面鉆出來，屆時將有1900萬千瓦的負荷功率進入電網(wǎng)。這些分析都為歐洲電網(wǎng)公司預(yù)演和應(yīng)對此次“黑暗”危機贏得了時間，最終德國電網(wǎng)承受住了此次短時沖擊。
應(yīng)用于能源領(lǐng)域的氣候大數(shù)據(jù)從2004年就已經(jīng)陸續(xù)開展，這些研究無疑為德國電網(wǎng)最終度過日食危機提供了幫助。這些問題對于中國也越來越重要，2014年我國并網(wǎng)風電裝機容量9581萬千瓦，已經(jīng)是世界第一；并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機容量2652萬千瓦，2015年計劃新增建設(shè)規(guī)模1780萬千瓦，很快將超過德國位列世界第一。按照目前中國政府提出的2030年非化石能源比重達到20%左右的目標，未來每年新增的光伏電站將以千計、風機將以萬計，裝機規(guī)模則以億千瓦計，對電網(wǎng)的沖擊越來越不可小視。間歇性、分布式的并網(wǎng)電力管理除納入“互聯(lián)網(wǎng)+”和智能化的功能外，氣候大數(shù)據(jù)也將發(fā)揮不可忽視的作用。
氣候是一門很大的生意
事實上，日食的預(yù)報不難，難在預(yù)報到細節(jié)，而普通天氣預(yù)報要做到長期和精準同樣不容易，地球的氣候系統(tǒng)異常復雜，一個微小的擾動就有可能改變一時一地的天氣，而美國的一家Earth Risk公司就想完成這件不可能的任務(wù)，其預(yù)報最長已經(jīng)可以提前至40天。這家公司的旗艦產(chǎn)品是Temp Risk，是基于加州大學斯克利普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography，SIO)的預(yù)測模型開發(fā)而來的。影響長時氣候和短時天氣的變量數(shù)不勝數(shù)，而且每時每刻都在發(fā)生變化，模型是對現(xiàn)實世界的簡化，只能做到描述少數(shù)主要變量的關(guān)系，而不可能將所有因素都考慮在內(nèi)，因此往往預(yù)測能力極為有限且容易出錯，目前的精準的天氣預(yù)報一般僅能提前一周。
而Earth Risk則是采用統(tǒng)計學意義上的相關(guān)關(guān)系來預(yù)測結(jié)果，這種技術(shù)不會受到上述限制。該模型通過近百年的氣象歷史數(shù)據(jù)和千億次計算來識別氣候模式，然后將這些模式與當前的氣候條件進行比較，再運用預(yù)測性分析方法計算天氣概率，其預(yù)測時間更長、預(yù)測準度更高。該模型擁有一個龐大的氣象觀測數(shù)據(jù)庫，來源主要包括地面觀測、氣象衛(wèi)星遙感、天氣雷達等，并可以每日實時更新。Temp Risk是這項技術(shù)首次進行商業(yè)應(yīng)用，這對于受全球氣候變化的影響很大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源管理、風電、光伏等可再生能源行業(yè)來說，預(yù)報時長和準度的提高將大大改善政府和企業(yè)的決策過程。
目前提供類似的天氣預(yù)報技術(shù)服務(wù)的知名公司包括Weather Co、Accu Weather、Weather Trends International、Custom Weather等，這些技術(shù)產(chǎn)品幫助過Merck公司和Walmart增加花粉類過敏藥物Claritin的銷售、改善Sears連鎖在暴風雪季節(jié)的貨品供應(yīng)和庫存管理、為眾多智能手機天氣APP提供信息并搭載相應(yīng)產(chǎn)品銷售，保險公司更是通過分析極端氣候事件發(fā)生的歷史記錄，更精確地設(shè)計災(zāi)害險種以及避免不必要的或者欺詐索賠。當前電子商務(wù)帶動物流業(yè)高速發(fā)展，已經(jīng)有DHL等較多的快遞公司預(yù)訂這種天氣預(yù)報信息服務(wù)，確保航空航運的順利到達。谷歌還將天氣分析系統(tǒng)加入其自動駕駛汽車的研發(fā)中，根據(jù)天氣狀況預(yù)先規(guī)劃行駛路線。目前氣候大數(shù)據(jù)已經(jīng)應(yīng)用到日用品銷售的分析中，其服務(wù)可以幫助客戶找到某種產(chǎn)品的銷量與幾百種天氣變量之間的關(guān)系。
大數(shù)之道求法自然
根據(jù)最新發(fā)布的政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告，基于多個數(shù)據(jù)集的全球平均陸地和海洋表面溫度的計算結(jié)果表明，在1880年至2012年期間溫度已經(jīng)升高了0.85[0.65至1.06]攝氏度，過去三個十年的地表已連續(xù)偏暖于1850年以來的任何一個十年，其中1901年至2010年期間全球平均海平面上升了0.19[0.17至0.21]米。隨著氣候變化的加劇，減排和適應(yīng)領(lǐng)域都將大規(guī)模的利用大數(shù)據(jù)。未來氣候大數(shù)據(jù)的應(yīng)用與目前的傳統(tǒng)氣象服務(wù)有所不同，將不僅僅是氣象業(yè)務(wù)、天氣預(yù)報、氣候預(yù)測等，而是氣象數(shù)據(jù)的深度挖掘和增值應(yīng)用，涉及到氣候敏感脆弱的生產(chǎn)和消費部門，大數(shù)據(jù)技術(shù)還能幫助研究人員模擬、分析和預(yù)測特定地域的氣候變化影響。
Surging Seas是由非盈利組織Climate Central開發(fā)的一款互動式氣候工具，詳細描繪了海平面上升和極端氣候事件給美國大陸沿海三千多個城鎮(zhèn)造成的威脅，其細節(jié)可以與當前的互聯(lián)網(wǎng)地圖工具相媲美，這種數(shù)據(jù)處理方式在幾年前還是不可能實現(xiàn)的。器測數(shù)據(jù)是從上個世紀以來才相對比較可靠，一般數(shù)據(jù)量往往都在PB級以上且非常復雜，比如美國國家航空航天局（NASA）對各大城市的熱成像繪圖，此外還包括冰芯、花粉、樹木年輪、洋流鹽度、地表植被等觀測資料。Google Earth Engine正在將全球衛(wèi)星圖像進行匯總，其中還包括40年來數(shù)以萬億計的觀測數(shù)據(jù)。Science雜志就在該引擎的幫助下，發(fā)布了首張2000至2012年的高分辨率全球森林變化圖，利用了70萬張美國陸地資源衛(wèi)星的圖像，加起來大約有20萬億個像素點，總共需要超過100萬小時的計算時間。2014年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）、世界資源研究所（WRI）等在此基礎(chǔ)上推出Global Forest Watch，對全球森林進行在線監(jiān)測和預(yù)警，該技術(shù)已經(jīng)在亞馬遜流域的減少毀林行動中發(fā)揮了實際作用。Microsoft也在致力于開發(fā)一款被稱為Madingley Model的地球生命模擬系統(tǒng)。
氣候大數(shù)據(jù)很大方面的工作在于統(tǒng)計自然資源，是向自然學習的系統(tǒng)。通過遙感衛(wèi)星和地面?zhèn)鞲衅鳎虻臏囟?、降水、露點、氣壓、風速、光照強度、碳循環(huán)等信息以及許多關(guān)聯(lián)變量都在補充這個越來越龐大的數(shù)據(jù)庫，包括大氣中二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）、六氟化硫（SF6）和三氟化氮（NF3）等溫室氣體的濃度變化，以及與人類的化石能源燃燒、工業(yè)生產(chǎn)過程、農(nóng)業(yè)活動、林業(yè)和土地利用變化、廢棄物處理等行為的相關(guān)性。氣候數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和多樣性將以指數(shù)形式持續(xù)增加，對基礎(chǔ)設(shè)施、管理和存儲提出了新需求，也為公共和私營機構(gòu)專業(yè)化服務(wù)提供了新機遇。氣候大數(shù)據(jù)、生態(tài)大數(shù)據(jù)、地球大數(shù)據(jù)等新的技術(shù)和產(chǎn)品將會在不遠的將來逐步走入我們的日常生活，人與自然的關(guān)系將會隨之發(fā)生更為深刻的改變。
（作者為國家發(fā)展和改革委氣候戰(zhàn)略中心戰(zhàn)略規(guī)劃部副主任、清華大學現(xiàn)代管理中心兼職研究員）
柴麒敏，國家應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略中心戰(zhàn)略規(guī)劃部副主任、清華大學現(xiàn)代管理研究中心兼職研究員、貴州理工學院兼職教授、美國斯坦福大學青年訪問學者，曾任六盤水市鐘山區(qū)副區(qū)長兼六盤水市發(fā)展和改革委副主任，作為政府代表團成員參與聯(lián)合國氣候變化談判，關(guān)注政府綠色新政改革方向、碳要素市場和金融創(chuàng)新、氣候公平和西部發(fā)展，倡導生態(tài)文明大眾化進程。
