2023年4月24日，南师大陈旻、闾国年团队在《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表题为“Carbon mitigation potential afforded by rooftop photovoltaic in China”的研究论文。本研究基于多源异构地理空间数据和机器学习回归方法进行建模，解决了现有评估中普遍面临的关键数据和计算限制，首次模拟量化了中国354座城市2020年的屋顶光伏碳减排潜力。此外，进一步考虑城市用地扩张和电力结构转型的不同情景，以明确到2030碳达峰年屋顶光伏碳减排潜力的未来变化。本研究的结果为中国更有针对性地开发屋顶光伏提供了关键支持，对应对可持续发展和气候变化的双重挑战具有重要意义。

本研究以团队在之前工作中创建的大规模矢量建筑屋顶面积数据集（https://doi.org/10.1038/s41597-022-01168-x）为基础，选取道路长度、建成区面积、人口规模、夜间光照强度4个与城市建设密切相关的指标作为解释变量，构建随机森林回归模型量化全国屋顶面积。所选解释变量与屋顶面积具有良好相关性，所建立回归模型表现出良好泛化能力，可以为大规模屋顶光伏评估提供精细化数据支持。对于每10 km2地面单元，平均绝对误差（MAE）仅为0.06 km2。

根据各地屋顶面积、太阳辐射、电网排放情况，354座城市首先被聚类为四组。各组城市呈现出地理集聚现象，表明相邻城市在开发屋顶光伏方面往往具有相似的区位条件。东西向聚集呈现出屋顶面积和辐射强度的差异，南北向聚集呈现出电网排放强度的差异，这对于明确各地开发屋顶光伏潜力的关键因素至关重要。例如拥有较高人口红利的东部城市，有望通过部署屋顶光伏成为电力设施脱碳的先行者；而碳依赖度较高的部分北部工业化城市，加快建设新能源电力系统则更为必要。

考虑35%的屋顶可用性，理想情况下2020年中国354座城市的屋顶光伏碳减排总潜力为40亿吨，约等于电热行业碳排放量的近70%。各城市总碳减排潜力的平均值为1100万吨，东南地区第1-3组中的城市贡献了89%的潜力，而西部地区第4组中的城市由于缺乏屋顶面积而平均潜力最低（600万吨）。特别的，第一组中的部分城市，包括潍坊（5200万吨）、重庆（4700万吨）和临沂（4600万吨），其屋顶光伏碳减排潜力约为三峡大坝2020年减排量的一半。

在不同城市用地扩张情景下，与2020年相比，2030年中国屋顶面积预计将增长5937-9235 km2，这表明十年间潜在装机容量将增加416-646 GW。在宣布承诺（APS）能源结构转型情景下，电网排放水平大幅下降，即使考虑装机容量的潜在增长，屋顶光伏碳减排潜力也将减少超20%。但在既定政策（STEPS）情景下，电网排放仍维持在较高水平，最终预估潜力与2020年基本持平。这也意味着对于中国而言，屋顶光伏减排潜力将随着可再生能源的普及而逐渐降低，但在未来十年内仍然相当可观。

通过对比现有装机情况，大多数城市对理论潜力的开发还处于较低程度，本研究所提供数据基础有望更好地支持未来实践。以碳减排总量和强度为指标，分别基于四分位数对城市开发屋顶光伏的潜力进行排序。碳减排总量指标遵循自上而下的视角，例如政府通常更关心当地的总潜力是否可以支持实现既定目标。碳减排强度指标遵循自下而上的视角，例如企业和个人通常更关心单位潜力是否可以提供高收益。综合考虑碳减排的总量和强度也很重要，例如潜总量和强度都较低的城市可能在推广屋顶光伏时面临更大的压力。

研究生张智欣为第一作者，南京师范大学陈旻、闾国年及香港理工大学严晋跃为通讯作者。该研究工作得到可持续发展目标大数据国际研究中心（CBAS2022GSP08）、国家自然科学基金重点项目（批准号：41930648）、中国国家重点研发计划（批准号：2020YFA0608601）、瑞典知识基金会（KKS）Flexibility等项目的支持。

论文信息：Zhang, Z., Chen, M., Zhong, T. et al. Carbon mitigation potential afforded by rooftop photovoltaic in China. Nat Commun 14, 2347 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38079-3

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-38079-3

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