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全球第一大光伏之國(guó)德國(guó) 受到了日食挑戰(zhàn)

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2015年3月20日，正午，整個(gè)北半球迎來(lái)了難得一見的日全食，這對(duì)天文愛好者來(lái)說(shuō)是一次奇觀，但對(duì)于德國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)卻無(wú)疑為一次危機(jī)。這是因?yàn)榈聡?guó)目前是全球第一大光伏之國(guó)，其裝機(jī)容量約為3776萬(wàn)千瓦，雖然光伏發(fā)電在德國(guó)總發(fā)電量占比還不到6%，但其承擔(dān)了波峰期將近一半的功率負(fù)荷(約2千萬(wàn)千瓦)，其在2014年6月9日(圣靈降臨節(jié))當(dāng)天甚至一度超過(guò)了50%。這次的日食盡管只有短短數(shù)小時(shí)，但太陽(yáng)的這一遮一露，相當(dāng)于幾十臺(tái)核電機(jī)組驟然關(guān)停隨后又旋即啟動(dòng)，其對(duì)電網(wǎng)的瞬時(shí)沖擊可想而知。上一次日食發(fā)生在1999年，彼時(shí)的德國(guó)還沒有那么多“看天吃飯”的太陽(yáng)能發(fā)電，此次可以說(shuō)是新能源首次遭受“天”的挑戰(zhàn)。

那一天太陽(yáng)沖你眨了眨眼

德國(guó)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(guó)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(qiáng)制切斷也是違法的，這無(wú)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(jī)會(huì)。

歐洲最大氣象公司Meteo Group在數(shù)月前就通過(guò)大數(shù)據(jù)分析對(duì)日食發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)刻、食分的大小和見食的地區(qū)進(jìn)行了較為精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)，并預(yù)測(cè)到發(fā)電量將在20日上午10時(shí)40分暴跌70%，奧登堡大學(xué)的能源氣象研究所(Virtual Institute of Energy Meteorology，vIEM)受電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商委托也開展了相關(guān)大數(shù)據(jù)分析，其認(rèn)為在日食開始的德國(guó)時(shí)間上午9:30左右，光伏發(fā)電出力可能瞬間減少1200萬(wàn)千瓦，而在兩個(gè)半小時(shí)之后的正午太陽(yáng)從月亮后面鉆出來(lái)，屆時(shí)將有1900萬(wàn)千瓦的負(fù)荷功率進(jìn)入電網(wǎng)。這些分析都為歐洲電網(wǎng)公司預(yù)演和應(yīng)對(duì)此次“黑暗”危機(jī)贏得了時(shí)間，最終德國(guó)電網(wǎng)承受住了此次短時(shí)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(wú)疑為德國(guó)電網(wǎng)最終度過(guò)日食危機(jī)提供了幫助。這些問(wèn)題對(duì)于中國(guó)也越來(lái)越重要，2014年我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量9581萬(wàn)千瓦，已經(jīng)是世界第一;并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量2652萬(wàn)千瓦，2015年計(jì)劃新增建設(shè)規(guī)模1780萬(wàn)千瓦，很快將超過(guò)德國(guó)位列世界第一。按照目前中國(guó)政府提出的2030年非化石能源比重達(dá)到20%左右的目標(biāo)，未來(lái)每年新增的光伏電站將以千計(jì)、風(fēng)機(jī)將以萬(wàn)計(jì)，裝機(jī)規(guī)模則以億千瓦計(jì)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊越來(lái)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(shí)上，日食的預(yù)報(bào)不難，難在預(yù)報(bào)到細(xì)節(jié)，而普通天氣預(yù)報(bào)要做到長(zhǎng)期和精準(zhǔn)同樣不容易，地球的氣候系統(tǒng)異常復(fù)雜，一個(gè)微小的擾動(dòng)就有可能改變一時(shí)一地的天氣，而美國(guó)的一家Earth Risk公司就想完成這件不可能的任務(wù)，其預(yù)報(bào)最長(zhǎng)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(xué)斯克利普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography，SIO)的預(yù)測(cè)模型開發(fā)而來(lái)的。影響長(zhǎng)時(shí)氣候和短時(shí)天氣的變量數(shù)不勝數(shù)，而且每時(shí)每刻都在發(fā)生變化，模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的簡(jiǎn)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(cè)能力極為有限且容易出錯(cuò)，目前的精準(zhǔn)的天氣預(yù)報(bào)一般僅能提前一周。

而Earth Risk則是采用統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的相關(guān)關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)果，這種技術(shù)不會(huì)受到上述限制。該模型通過(guò)近百年的氣象歷史數(shù)據(jù)和千億次計(jì)算來(lái)識(shí)別氣候模式，然后將這些模式與當(dāng)前的氣候條件進(jìn)行比較，再運(yùn)用預(yù)測(cè)性分析方法計(jì)算天氣概率，其預(yù)測(cè)時(shí)間更長(zhǎng)、預(yù)測(cè)準(zhǔn)度更高。該模型擁有一個(gè)龐大的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)源主要包括地面觀測(cè)、氣象衛(wèi)星遙感、天氣雷達(dá)等，并可以每日實(shí)時(shí)更新。Temp Risk是這項(xiàng)技術(shù)首次進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用，這對(duì)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(fēng)電、光伏等可再生能源行業(yè)來(lái)說(shuō)，預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)和準(zhǔn)度的提高將大大改善政府和企業(yè)的決策過(guò)程。

目前提供類似的天氣預(yù)報(bào)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(guò)Merck公司和Walmart增加花粉類過(guò)敏藥物Claritin的銷售、改善Sears連鎖在暴風(fēng)雪季節(jié)的貨品供應(yīng)和庫(kù)存管理、為眾多智能手機(jī)天氣APP提供信息并搭載相應(yīng)產(chǎn)品銷售，保險(xiǎn)公司更是通過(guò)分析極端氣候事件發(fā)生的歷史記錄，更精確地設(shè)計(jì)災(zāi)害險(xiǎn)種以及避免不必要的或者欺詐索賠。當(dāng)前電子商務(wù)帶動(dòng)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(bào)信息服務(wù)，確保航空航運(yùn)的順利到達(dá)。谷歌還將天氣分析系統(tǒng)加入其自動(dòng)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(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告，基于多個(gè)數(shù)據(jù)集的全球平均陸地和海洋表面溫度的計(jì)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(guò)去三個(gè)十年的地表已連續(xù)偏暖于1850年以來(lái)的任何一個(gè)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(lái)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(bào)、氣候預(yù)測(cè)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(fèi)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(cè)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(dòng)式氣候工具，詳細(xì)描繪了海平面上升和極端氣候事件給美國(guó)大陸沿海三千多個(gè)城鎮(zhèn)造成的威脅，其細(xì)節(jié)可以與當(dāng)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(shí)現(xiàn)的。器測(cè)數(shù)據(jù)是從上個(gè)世紀(jì)以來(lái)才相對(duì)比較可靠，一般數(shù)據(jù)量往往都在PB級(jí)以上且非常復(fù)雜，比如美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)對(duì)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(cè)資料。Google Earth Engine正在將全球衛(wèi)星圖像進(jìn)行匯總，其中還包括40年來(lái)數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的觀測(cè)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(wàn)張美國(guó)陸地資源衛(wèi)星的圖像，加起來(lái)大約有20萬(wàn)億個(gè)像素點(diǎn)，總共需要超過(guò)100萬(wàn)小時(shí)的計(jì)算時(shí)間。2014年聯(lián)合國(guó)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(duì)全球森林進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警，該技術(shù)已經(jīng)在亞馬遜流域的減少毀林行動(dòng)中發(fā)揮了實(shí)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(jì)自然資源，是向自然學(xué)習(xí)的系統(tǒng)。通過(guò)遙感衛(wèi)星和地面?zhèn)鞲衅?，全球的溫度、降水、露點(diǎn)、氣壓、風(fēng)速、光照強(qiáng)度、碳循環(huán)等信息以及許多關(guān)聯(lián)變量都在補(bǔ)充這個(gè)越來(lái)越龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，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(guò)程、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、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(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、管理和存儲(chǔ)提出了新需求，也為公共和私營(yíng)機(jī)構(gòu)專業(yè)化服務(wù)提供了新機(jī)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(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)逐步走入我們的日常生活，人與自然的關(guān)系將會(huì)隨之發(fā)生更為深刻的改變。