全球气候变暖导致了越来越频繁的极端天气，气候变化问题成为各国政府和社会关注的焦点之一。在全球变暖的过程中，微气象恶化是一个突出的问题。
1概述
微气象是指一个小范围内（一般指若干千米的空间尺度）不同于周边区域的气候。微气象现象有三个主要成因，包括下垫面、废热排放与废气排放。大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为下垫面，它包括地形、地质、土壤和植被等。下垫面的某些构造特征有时会引起小范围内的气候不平均，但不会使大尺度过程(如平流、锋面)所决定的气候特征产生较大变化。局部的废热和废气排放也可能引起局部气象发生明显变化，但对大空间范围的气象影响几乎可以忽略。
由于存在微气象现象，一个城市宏观的气象情况描述无法真实反映电力设备和电力用户实际所处的环境。微气象引起我国电力科研工作者的关注始于2008年初发生在我国南方的严重冰灾。在冰灾中，山区一些特定地形地貌、通风条件等，促成了特定的微气象，导致部分输配电设备覆冰特别严重。笔者研究团队自2008年起研究城市微气象与电力空调负荷的交互影响规律。
2城市微气象与电力空调负荷的交互影响规律及其应用
城市微气象对电力空调负荷的影响，与城市热岛效应、温湿效应和累积效应等三个效应密切相关。
热岛效应是微气象中的一个重要现象，即城市中不同区域的气温不同，市中心区域的气温明显高于郊区。随着城市规模越来越大，城市下垫面结构越来越复杂，工业负荷和电力空调负荷的废热排放强度增加，汽车尾气等温室气体排放强度增加，城市中不同区域的温度有较大的差别，若用等温线（类似于山区或者海岛中的等高线）连接气温相同的点，将形成如下图所示的多个“热岛”，这就是城市热岛效应。
图1城市热岛效应示意图（图片来自百度百科）
城市热岛效应的程度可用“热岛强度”来表征，即市区最高气温与郊区参照气温之间的差。目前我国部分大城市夏季的城市热岛强度可达5-8摄氏度左右。
“温湿效应”是国外专家在电力短期负荷预测研究中发现的现象，即在夏季高温或者冬季低温情况下，湿度将和温度共同影响电力空调负荷。比如，夏季高温时，若同时湿度较大，俗称“桑拿天”，空调负荷将很高。我国夏季温度较高、湿度较大的一些沿江城市被称为“火炉城市”。
“累积效应”是申请本项目的研究团队在电力系统短期负荷预测研究中发现的现象，其含义是持续高温将导致电力空调负荷快速攀升。实证分析表明，这是一种普遍存在的现象。累积效应不是城市微气象中的现象，但与城市微气象结合，对电力空调负荷的影响很大。
下表是我国北方某市2008年7月的日最高气温和日平均负荷的部分数据。
表1我国北方某市2008年7月部分数据
从上表可以看到，7月3日到7月4日，最高气温从37摄氏度下降到34摄氏度，虽然气温有明显下降，但34摄氏度仍然属于高温天气；由于前一日的高温，以及当天的高温，在累积效应的作用下，4日的气温虽然有所下降，但负荷反而有明显上升（上表数据经仔细分析，已经排除了其他因素造成重大影响的可能性，负荷变化主要是电力空调负荷受气温的影响而变化，限于篇幅，不详细展开）。同样的现象也发生在7月6日和7月7日。
已有文献研究了城市热岛效应对城市建筑能耗的影响，实质是分析建筑物空调受热岛效应影响的程度；然而，城市热岛效应并不是孤立地影响电力空调负荷，在温湿效应和累积效应的推动下，城市热岛效应导致的空调负荷可能是已有文献测算的数倍，举例说明如下：某日某市郊区30摄氏度，市区33摄氏度；次日郊区29摄氏度，市区32摄氏度；第三日郊区29摄氏度，市区32摄氏度，虽然郊区气温并不高，但市区在城市热岛效应作用下表现为连续高温的状态，累积效应将对电力空调负荷有重大影响，由此实际导致的电力空调负荷将很高。
城市微气象与电力空调负荷的交互影响规律可用具有饱和与时滞效应的正反馈过程描述，如下图所示。
图2城市微气象与电力空调负荷的交互影响规律示意图
如上图所示，城市热岛效应、温湿效应和累积效应等综合作用决定空调负荷。同时，电力空调是形成、加强城市热岛效应的重要原因：空调消耗的电能，最终转换为热能，排放到空气中；更重要的是，空调是一种热泵，将室内的热量泵至室外。市区人口密集，商业设施众多，容积率高，将大量的热量泵至室外，电力空调负荷向室外泵热量大致相当于空调能耗的2-5倍，加剧了热岛效应。
城市微气象与空调负荷的交互影响，将进一步影响到整个电力系统。可用下图描述：
图3城市微气象与电力系统的交互影响
由于自2006年起，电力数据大部分成为保密数据。我们以北京2005年的数据为例测算，北京2005年：三种效应综合作用导致的电力空调用电量占总电力空调用电量的46.78%；日最高比例为85.42%；三种效应导致的能耗占总电耗的15%。如果城市热岛效应的强度可以减弱1摄氏度，那么空调能耗可以下降12.8%。
应用上述交互影响规律，可以显著提升短期负荷预测准确率；也可以通过改善城市微气象，特别是通过缓解城市热岛效应来降低城市中的空调能耗。仍然以北京数据为例测算，电动汽车相同行驶里程，平均热排放量只有燃油汽车的19.8%，若北京汽车全部被电动汽车替代，减少的热排放为建筑物中空调热排放的1.69倍，可降低热岛效应强度0.94摄氏度。根据前述研究，降低0.94摄氏度热岛强度，可以减少建筑物中夏季空调能耗的12.03%，这个能耗相当于电动汽车行驶所需要消耗的电能的1/3，夏季每天可以减少1400万度电消耗，每天间接减少的二氧化碳排放超过1万吨。
3结语
微气象与电力系统的交互影响规律，除了应用于负荷预测、城市降低空调能耗、电力系统防灾减灾，还可以在电力设备的全寿命周期管理中发挥重要作用。电力设备的健康程度和寿命，在较大程度上受微气象的影响，目前这方面的研究空白点还非常多，尚未形成系统的理论体系。
作者介绍
黎灿兵，湖南大学教授，博导，IEEE高级会员，教育部新世纪优秀人才。2006年获清华大学电气工程专业博士学位，曾在意大利、德国、香港、美国多所大学和研究机构接受培训或从事访问研究。主要从事电网规划、调度、节能技术和微电网研究。
曹一家，湖南大学副校长，教授，博导。曾获得国家杰出青年基金、国家973计划、国家自然科学基金创新群体项目、教育部重大科技项目、国家电网公司重大创新科技计划等重大重点项目资助。多次获国家级、省部级奖励。主要研究电力系统安全与控制，大电网智能优化调度，分布式智能系统理论、电力信息集成与网络化控制。
原标题：【知识汇】湖南大学 黎灿兵 曹一家：微气象与电力系统的交互影响规律及其应用
