前沿研究 | PNAS 气候变化与电网负荷：欧洲的例子
图片来源：Wenz et al. (2017) PNAS
本期导读：
本期推送的文章与上期【前沿研究】紧密相连。文章实证估计了欧洲地区温度变化与电力需求间的非线性关系，并指出变暖对南北方电力需求的影响不同。文章的实证结论对欧洲电网未来的设计与建设具有指导意义。
专题分类：
资源与环境 | 气候变化与能源消费
”North-South Polarization of European Electricity Consumption under Future Warming. Proceedings of National Academy of Sciences, 2017, E7910-7918.
Leonie Wenz, Anders Levermann, and Maximilian Auffhammer
欧洲拥有当今世界上规模最大的同步电网（synchronous electrical grid）——欧洲互联电网（European Network of Transmission System Operator for Electricity, ENTSO-E）。当前，ENTSO-E 总装机容量达10.54亿千瓦，已覆盖35个国家，7亿人口。本文的主旨是估算气候变化将如何影响电网覆盖区域未来的用电需求，以期为电网扩容、电力传输与储存等方面的设计提供指导意见。
本文所使用的电力消费数据来自ENTSO-E 所覆盖的全部35个国家。该数据在国家尺度上记录了每小时电力负载值，时间跨度为2006至2012年。作者同时考虑了每日的电力消费总量和峰值。分析所使用的历史温度数据来自于WFDEI 气象数据，而关于未来气候条件的预测数据来自于普林斯顿大学开发的GFDL-ESM2M 模型。
就历史数据的实证估计而言，本文所使用的估计模型与上期【前沿研究】文章所介绍的方法十分相似，即对每个单独的时间序列进行非参数估计以刻画因变量与自变量之间的非线性关系。由于本文的基本观测单位为国家，作者使用人口分布对基于空间信息的气象数据进行了加权。除了使用日度均温，作者在另一组回归分析中使用了日度最高温作为温度变量。
估计结果与预期一致，电力消费与温度表现出U型非线性关系，即二者在低温区负相关，而在高温区正相关。值得一提的是，由于区域间整体温度水平的差异，不同国家实质上处于U型曲线的不同区间。举例而言，对挪威、瑞典等气温较低的北欧国家而言，其电力-温度反馈关系仅表现出U型曲线中单调下降的部分。
预测未来气候条件下的电力消费需要对基于历史数据的估计关系进行外推（extrapolation）。然而，国家水平上的简单外推会带来很大的问题。举例而言，作者估计出北欧国家的电力-温度关系是单调下降的。简单外推意味着温度持续升高会导致电力消费持续下降，这不符合常理，也与实证发现中普遍存在的U 型关系相悖。
为了解决这一问题，本文采用了一种新的外推方法。对每一个国家，作者首先基于估计系数剔除了气温以外的变量对电力负荷的影响，并将剩余的变异
命名为“残余负荷”（residual load），即仅由气温变化引起的电力负荷变化。其次，基于每个国家历史数据实际覆盖的温度区间，作者对各个国家的“残余负荷”进行了标准化（normalize），使之在各国之间直接可比。最后，作者利用所有国家标准化的“残余负载”统一估计出这些国家共同的电力-气温反馈关系，并以之作为外推的基础。
本文的结果显示，在气候变化的影响下，欧洲的电力消费总量和峰值都将呈现出区域极化（polarization）的特征。具体而言，电力消费在欧洲南部会显著增加，而在欧洲北部会显著减少，这主要是由于变暖使得冬季取暖需求减少而夏季制冷需求增加。此外，对35个国家中的19个国家而言，用电高峰期会由冬季变为夏季。
关键词：气候变化，电力消费，非线性关系，区域极化，外推法
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