多阈值时间序列分析使得欧洲可变可再生能源旱情得以表征

为何宁静无光的时期对清洁能源至关重要

随着欧洲加速用风能和太阳能替代化石燃料，一个简单但关键的问题浮现：在那些阴郁的冬季周——风几乎不动、阳光微弱时，会发生什么？本研究深入考察了欧洲的这些所谓可再生能源“旱情”，探问它们出现的频率、持续时间与严重程度——以及这对在几乎完全依赖可变可再生能源的未来保持供电意味着什么。

大陆范围内的静风与暗日

作者分析了34个欧洲国家38年的基于气象的逐小时陆上风力、近海风力和太阳能数据。他们将可再生能源旱情定义为平均出力低于长期常态某一选定比例的时间段——可以是一日、一周，甚至数月。研究并未采用单一任意阈值，而是扫描多个不同水平，以便同时捕捉极端但短暂的下滑与长期中度偏弱的时期。这种多阈值方法揭示了丰富的模式：太阳能旱情多集中在冬季的黑暗月份，而风能旱情可在任何季节发生，但往往在夏季达到高峰。有些事件短促而剧烈；另一些则是对供应的长期温和拖累。

数字说明：技术与国别混合的力量

研究最清晰的信息之一是多样性有益。当单独考虑风能或太阳能时，任一技术都可能经历长期且严重的旱情。但当作者将它们在每个国家内合并为单一组合时，最长和平均旱情的时长都会显著缩短。总体而言，将太阳能与陆上与近海风力混合，可将最大旱情长度相比单一技术减少约一半或更多。太阳在夜间与季节性缺口常由风能填补，而夜间微风与多风的冬季又可缓冲低太阳出力。将这一思路跨越国界应用，效果更显著：如果欧洲像一个完美、无限制的电网那样互联，合并后的最长旱情相比各国独立行动可缩短约三分之二。

决定储能需求的极端事件

即便在这样理想化、完全互联的欧洲，长期严峻的时期仍然存在。为找出对储能规划最关键的事件，作者引入了一个新度量称为“旱情质量”。它不依赖单一阈值，而是在多个阈值间累积信息，既捕捉旱期持续时间，也反映出力低于常态的程度。用这一量尺，研究识别出1996/97冬季的“超级旱情”：欧洲层面上异常低的风光合并出力持续了55天。个别国家情况更甚——例如德国在1990年代中期出现过109天的事件。重要的是，这些时期出力并未降至零：在欧洲最严重的事件中，可再生能源仍约提供其长期平均的47%，但这一持续的赤字足以大量消耗长期储能。

为何简单阈值与单一年份会误导

研究还强调结论对建模选择的敏感性。改变定义旱情的截点，所谓的“最差年份”或“最差事件”可能发生倒置。较低的截点强调罕见且几乎无风或无日照的阶段；较高的截点则揭示更平缓但持续更久的仅低于平均的时期，这些时期对储能规划同样重要。同样，不同年份表现出截然不同的旱情特征。有的冬季相对温和，而有的则将低可再生出力与高供暖需求叠加在一起。由于许多规划研究和政策情景仅依赖一到几个气象年份，作者警告这可能严重低估那些罕见但能定义系统风险的旱情。

为有韧性的可再生未来进行规划

对于非专业读者，结论很直观：可再生能源主导的欧洲是可行的，但必须建造得能应对长时间的微风与弱日照期。国内将风与光结合、并通过输电更紧密地连接各国，能大幅降低问题时期的严重性与长度，但不能完全消除这些风险。作者认为，在确定长期储能与其他后备选项规模时，规划者需要明确考虑像1996/97那样的多周旱情。他们还建议使用多年气象数据、跨年更长的规划时域，以及像旱情质量这样的多阈值方法。将这些措施结合，可帮助确保更清洁的电力系统在面对欧洲最暗最静的日子时仍然稳健可靠。

引用: Kittel, M., Schill, WP. Multi-threshold time series analysis enables characterization of variable renewable energy droughts in Europe. Commun Earth Environ 7, 242 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03251-2

关键词: 可再生能源旱情, 风能与太阳能的可变性, 能源储存, 欧洲电力系统, 电网互联