[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究识别出德国的Dunkelflauten——即风能和太阳能发电量长期低迷的时期——主要由与特定天气型态相关的持久高压系统引发，尤其是欧洲阻塞和格陵兰阻塞。研究显示，这些事件最常发生在已确立的、长期存在的天气型态阶段，其中格陵兰阻塞事件导致气温更低、电力需求更高，凸显了在能源系统规划中开展次季节尺度天气型态预测的重要性。

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.

研究动机与目标

• 理解与德国Dunkelflauten——即风能和太阳能发电量长期低迷——相关的气象条件。
• 研究大尺度天气型态、尤其是阻塞型态，在触发和维持Dunkelflauten中的作用。
• 评估Dunkelflauten对电力需求的影响，特别是在供暖系统电气化的未来情景下。
• 评估利用次季节至季节（S2S）天气型态预测来预测Dunkelflauten的可行性。
• 通过识别与多日可再生能源供应不足相关的重复性大气环流模式，支持能源系统规划。

提出的方法

• 应用四类天气型态分类法，识别北大西洋-欧洲区域内的持久大尺度环流型态。
• 利用历史再分析数据，将特定天气型态与1979至2020年德国观测到的Dunkelflauten事件关联。
• 采用基于阈值的方法，将Dunkelflauten定义为风能和太阳能发电量同时偏低的多日持续期。
• 分析天气型态的生命史，评估Dunkelflauten是否发生在型态的形成期、峰值期或衰减期。
• 通过将Dunkelflauten与地表温度及电力需求数据相关联，评估其对供暖需求的影响。
• 通过评估Dunkelflauten事件发生前天气型态的持续时间和持久性，评估其预测潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些大尺度天气型态与德国的Dunkelflauten最常相关？
• RQ2 天气型态的生命史阶段如何影响Dunkelflauten的发生频率和持续时间？
• RQ3 Dunkelflauten与地表温度异常之间存在何种关系，特别是在格陵兰阻塞事件期间？
• RQ4 Dunkelflauten在多大程度上与因空间供暖导致的电力需求上升重合？
• RQ5 次季节尺度天气型态预测在多大程度上可提高对多日可再生能源供应不足的预测能力？

主要发现

• 德国的Dunkelflauten主要出现在冬季，且与欧洲阻塞天气型态关联最为紧密。
• 格陵兰阻塞型态与Dunkelflauten期间气温偏低相关，从而增加空间供暖需求。
• 当天气型态已确立并持续超过其典型持续时间时，Dunkelflauten的发生概率超过两倍。
• 超过60%的Dunkelflauten事件发生在持久天气型态的成熟阶段，表明其具有较强的型态可预测性潜力。
• 格陵兰阻塞事件期间，可再生能源输出低与电力需求高同时出现，对未来的能源系统构成重大挑战。
• 次季节至季节尺度的天气型态预测显示出改善多日能源供应短缺早期预警的潜力。