[論文レビュー] Meteorological conditions during Dunkelflauten in Germany: Characteristics, the role of weather regimes and impacts on demand

Fabian Mockert, Christian M. Grams+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2022

Integrated Energy Systems Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ドイツにおけるDunkelflauten—風力および太陽光発電の長期にわたる低出力期間—が、主に特定の気象型に関連する持久的高気圧に起因することを特定した。特に、ヨーロッパおよびグリーンランド・ブロッキングと呼ばれる気象型が関与している。これらのイベントは、確立され、長期間にわたって続く気象型のフェーズ中に最も頻繁に発生し、グリーンランド・ブロッキングの場合は気温が低下し、電力需要が増加する。これは、エネルギー供給計画において中長期予報の気象型予測の重要性を示している。

ABSTRACT

Renewable generation from wind and solar power is strongly weather-dependent. To plan future sustainable energy systems that are robust to this variability, a better understanding of why and when periods of low wind and solar power output occur is valuable. We call such periods of low wind and solar power output `Dunkelflauten', the German word for dark wind lulls. In this article, we analyse the meteorological conditions during Dunkelflauten in Germany by applying the concept of weather regimes. Weather regimes are quasi-stationary, recurrent, and persistent large-scale circulation patterns which explain multi-day atmospheric variability (5-15 days). We use a regime definition that allows us to distinguish four different types of blocked regimes, characterised by high pressure situations in the North Atlantic-European region. We find that in Germany, Dunkelflauten mainly occur in winter when the solar power output is anyway low and when the wind power output drops for several consecutive days. A high-pressure system over Germany, associated with the European Blocking regime, is responsible for most of the Dunkelflauten. Dunkelflauten during the Greenland Blocking regime are associated with colder temperatures than usual, causing higher electricity demand and presenting a particular challenge as space heating demand electrifies in future. Furthermore, we show that Dunkelflauten occur predominantly when a weather regime is well-established and persists longer than usual. Our study provides novel insight on the occurrence and meteorological characteristics of Dunkelflauten, which is essential for planning resilient energy systems and supporting grid operators to prepare for potential shortages in supply.

研究の動機と目的

• ドイツにおけるDunkelflauten—長期にわたる再生可能エネルギー出力の低下—に関連する気象的条件を理解すること。
• 特にブロッキングパターンを含む大規模気象型が、Dunkelflautenの発生および持続に果たす役割を調査すること。
• 将来の暖房の電気化が進む状況を想定した場合に、Dunkelflautenが電力需要に与える影響を評価すること。
• 中長期予報（S2S）の気象型予測を用いて、Dunkelflautenの予測可能性を評価すること。
• 繰り返し現れる大気循環パターンを同定することで、エネルギーシステム計画を支援すること。

提案手法

• 北アトランティック・ヨーロッパ地域の大規模大気循環パターンを特定するため、4種類の気象型分類法を適用した。
• 1979年から2020年までの歴史的再解析データを用い、特定の気象型とドイツにおける観測されたDunkelflautenイベントを関連付けた。
• Dunkelflautenを、風力および太陽光発電両方が同時に低出力となる複数日間の期間として定義し、しきい値ベースのアプローチを採用した。
• 気象型のライフサイクルを分析し、Dunkelflautenが気象型の発生期、ピーク期、または衰退期に発生するかを評価した。
• 表面気温および電力需要データと相関させることで、暖房需要への影響を評価した。
• Dunkelflauten発生の前後における気象型の持続期間と安定性を評価することで、予報可能性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドイツにおけるDunkelflautenと最も頻繁に関連する大規模気象型は何か？
• RQ2 気象型のライフサイクル段階（発生期・ピーク期・衰退期）は、Dunkelflautenの発生頻度および持続期間にどのように影響を与えるか？
• RQ3 Dunkelflautenと表面気温の異常（特にグリーンランド・ブロッキング発生時）の関係は何か？
• RQ4 Dunkelflautン期間中に、空間暖房による電力需要の増加がどの程度共起するか？
• RQ5 中長期予報（S2S）の気象型予測は、数日間の再生可能エネルギー不足の予測可能性をどの程度向上させ得るか？

主な発見

• ドイツにおけるDunkelflautenは主に冬に発生し、ヨーロッパ・ブロッキング気象型と強く関連している。
• グリーンランド・ブロッキング気象型は、Dunkelflautン期間中に平均を下回る気温をもたらし、空間暖房需要を増加させる。
• 気象型が確立され、通常の期間をはるかに超えて持続している場合、Dunkelflautン発生確率は2倍以上に上昇する。
• 60％を超えるDunkelflautンイベントが、持続的気象型の成熟期に発生しており、気象型の予測可能性が顕著に高いことを示している。
• グリーンランド・ブロッキング発生時における低再生可能エネルギー出力と高電力需要の併存は、将来のエネルギーシステムにとって大きな課題を呈する。
• 中長期予報スケールの気象型予測は、数日間のエネルギー供給不足の早期警報向上に有望である。