【Nature旗下|开源代码】拒绝“致命”停电!健康感知脱碳框架助力超级城市群抵御极端热浪风险
- 2026-01-31 19:09:49
关注公众号（小红书同名），查看往期更多资讯
联系小编：Fightingforall23（注明来意）
详细内容，请点击本帖底部 阅读原文
往期群聊：【群聊邀请|一网打尽】25年公众号最全群聊邀请，海量帮助+科研探讨+同行交流，等你来！广告勿入！
公众号从未参与任何广告中介、文章代写、付费代码、文章走后门代发等活动，一切打着公众号名义的金钱和利益交易均为诈骗，请谨慎！
【更多请点击左下角阅读原文】
引文信息
Yang, Z., Zhang, H., Li, H. et al. Toward a sustainable megalopolis by reconciling power system decarbonization and urban health resilience. Commun Earth Environ (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03198-4全文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-026-03198-4#citeas
PPT链接：
https://www.fst.um.edu.mo/personal/wp-content/uploads/2026/01/PESIM-2026-Toward-a-sustainable-megalopolis-by-reconciling-power-system-decarbonization-and-urban-health-resilience-Hongcai-Zhang-20-Minutes.pdf
开源代码链接：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30750044
（论文中使用的粤港澳城市群 500 kV 电网年度潮流仿真代码已开源。为方便复现，代码运行所需的数据集已与程序一并整合；在完成 Gurobi 安装并配置后，即可在 MATLAB 环境中直接运行代码，复现主要结果。）
引言
澳门大学与加州大学伯克利分校研究团队在 Nature 旗下期刊Communications Earth & Environment发表论文《Toward a sustainable megalopolis by reconciling power system decarbonization and urban health resilience》。论文由澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室宋永华教授与张洪财副教授担任通讯作者，博士生杨志学为第一作者。该研究基于粤港澳大湾区城市群的真实电网与人口等数据，系统揭示了电力系统脱碳转型在极端热浪情景下可能增加的停电与公共健康风险，并进一步提出“健康感知”的电力系统脱碳路径，将健康损失显式纳入规划决策，以降低热浪期间潜在的超额死亡、提升城市群的能源与健康韧性。
01
研究背景
气候变化正持续推高极端热浪的频率与强度。热浪来袭时，制冷负荷激增、输电线路热降额、机组效率下降与局部拥塞叠加，使城市电网更易出现供需失衡并触发停电（图1）。尽管整体可靠性在技术与经济发展下有所提升，但中国2019–2021年县域停电数据表明：相较同地区非热浪日，热浪日停电频次约增加4%，停电持续时间约增加8%。
图1 热浪—电力—健康耦合机制：极端高温诱发停电与健康风险
更严峻的是，停电会中断制冷服务，使脆弱人群暴露于危险室温，诱发热衰竭、热射病等急性疾病，并加重心血管和呼吸系统等基础疾病，从而抬升超额死亡风险。跨中国、美国与欧洲的统计分析显示：夏季平均气温每升高1°C，热相关死亡约上升35%，发病率上升18%，超额死亡上升60%。2022年创纪录热浪在欧洲造成约6.2万人死亡，在中国造成约5.09万人死亡；其中65岁以上人群约占70%，有基础疾病者约占90%。
02
研究亮点
高比例可再生能源的深度整合在推动脱碳的同时，也可能压缩系统灵活性并加剧电网拥塞，使城市电网在极端天气下更易出现供需失衡，从而带来更频繁的停电风险，并进一步放大公共健康风险与超额死亡。为系统评估这一问题，我们以粤港澳城市群为例，构建了2030—2050年面向碳中和的城市电网能源转型路径，并建立“极端热浪—电力失衡—热暴露—超额死亡”的耦合框架，量化脱碳转型背景下停电对热浪健康损失的影响（图2）。
图2：（a）粤港澳城市群 500 kV 主网架及人口分布；
（b）健康感知脱碳框架：耦合城市电网年度逐小时运行仿真，并通过“温度—电力失衡”与“热暴露—死亡率”两类模型刻画热浪对电力基础设施与城市健康的综合影响；
（c）脱敏处理后的珠海部分电网结构：包含 110 kV、220 kV 与 500 kV 多电压等级网络
03
结果分析
核心结果1：碳中和目标可能加剧热浪停电风险，且愈往后愈严重。
在粤港澳城市群，极端热浪会同时推高负荷（约 10%–25%）并降低输电能力（约 5%–15%），导致电力难以从外围可再生能源基地与省间外送通道输送至核心负荷区，从而形成尖锐的供需缺口与停电风险。随着脱碳推进，煤电/燃气等灵活电源占比下降，系统在正常与热浪情景下的电力缺口均扩大；尤其在热浪情景下，停电将从夜间延伸至白天。到2050年，年负荷损失率预计由2030年的0.52%升至2.48% (图3 a)。
图3: 电力系统脱碳对粤港澳城市群超额死亡的影响
（a）2030—2050年夏季在常态与热浪情景下的典型日发电曲线；
（b）在区间平均健康风险情景下，2030-2050年热浪相关超额死亡占全年总死亡的比例
核心结果2：更频繁、更持久的停电会显著放大热暴露，推高城市健康风险与超额死亡。
停电导致制冷中断，使脆弱人群在热浪期间暴露于危险室温，健康风险呈现明显的空间集聚与时间扩展：空间上，死亡更集中在远离主要可再生能源与外来电力供给、但人口密集且用电高的湾区核心城市；时间上，碳中和背景下电力短缺持续时间和影响范围扩大，从而加剧健康损失。基于区间平均健康风险情景，热浪相关死亡占全年死亡的平均份额将从2030年的0.47%升至2050年的2.78%；23个城市中，超额死亡占全年死亡超过3%的城市数量将从2030年的1个增至2050年的9个(图3 b)。
粤港澳大湾区的核心城市（如珠海）在电力系统脱碳背景下，面临更高的热浪健康风险。由于电网拥塞会显著改变停电的时空分布并放大健康损失，我们选取具备多电压等级、高分辨率网络的珠海电网作为案例，研究“定制化脱碳规划”如何缓解热浪健康风险。基于区间平均健康风险模型，我们设计三种韧性水平不同的2030扩展规划情景：R_Low不考虑极端热浪影响；R_Med仅考虑热浪对电力系统的冲击；R_High（本文方法）：在R_Med基础上进一步把健康风险显式纳入规划目标，形成健康感知的脱碳策略 (图4)。
图4: 不同情景下2030年珠海电网的规划结果
（a）R_High 情景下新增发电资源的空间布局及装机规模；
（b）不同情景下总装机容量对比；（c）不同情景下的超额死亡人数对比
核心结论3：合理的电源投资显著降低热浪超额死亡。
在R_High情景下，新建电源（可再生+燃气机组）优先布局在高负荷密度区域以减少限电，同时在可再生能源附近配置电解槽以提升就地消纳。对比结果显示：相较R_Low，R_Med为应对热浪将发电容量提高约7.6%，使超额死亡下降约25%；在此基础上，R_High进一步增加约9.6%装机，将超额死亡从775降至283（下降63%）(图4)。
核心结论4：除扩容外，运行策略（停电时段优化+氢储能）是降低健康风险的关键杠杆。
热浪会把停电从常态的18:00–23:00显著延长到10:00–23:00，受影响人口占比从2.04%升至8.74%（R_Low）。随着韧性水平从R_Low提升到R_High，热浪导致的电力缺口持续缩小：代表周内的峰值/平均日负荷损失率由26.63%/8.74%降至19.19%/3.42% (图5)。
图5: 不同情景下2030年珠海电网在常态与热浪工况下的运行结果。
(a）R_Low、R_Med 与 R_High 三种情景在常态与热浪期间的代表周功率（出力/供需）曲线；（b）代表周第4天三种情景的切负荷（限电/停电）剖面，色条深浅表示热浪强度；（c）代表周第4天的氢储能运行剖面，色条深浅反映停电严重程度。
停电时段优化：通过提升光伏占比把停电“挪到夜间”，大幅降低热暴露重叠。R_High相对R_Low将光伏容量与占比提高35.26%与14.43%，使白天负荷损失减少超过90%，停电主要发生在夜间，从而显著降低超额死亡；敏感性分析表明光伏渗透率每提升1%，超额死亡可降低约1%–3%。
氢储能：弥补夜间光伏缺口并消化拥塞弃电，提升供电韧性。 氢储能通过“电-氢-电”在夜间大规模发电补足缺口，并将拥塞导致的弃电转化为可用储备。引入氢储能后，可再生能源消纳提高10.06%，热浪期间日负荷损失率降低40.93%；进一步敏感性分析显示，在不同电源结构下，若氢储能投资约占总投资的15%，负荷损失可稳定降低32.8%–41.2%。
随着气候变化加剧，珠海等亚热带城市未来将面临更频繁、更高强度的热浪风险（SSP2-4.5下高强度热浪概率由2020–2040年的14.89%升至2050–2070年近40%），由此带来的超额死亡与经济损失将持续上升。为此，我们将热浪频率增长与电源成本下降同时纳入2030–2050扩展规划，评估健康感知脱碳策略的可行性。结果表明，相比不考虑健康的方案，健康感知方案（R_High）通过提升韧性水平（总装机增加10%以上、光伏增加20%以上）可在2030–2050期间将预期超额死亡降低约50%，且随着技术进步与热浪增多带来的更高利用率，其经济优势随时间增强：年总成本相对基准方案的降幅从2030年的8.71%扩大到2050年的13.63% (图6)。这些发现说明，将健康风险显式纳入电力脱碳规划不仅能显著改善公共健康，也具备长期的经济合理性。
图6： SSP2-4.5 气候路径下，2030—2050 年珠海电网在不同情景下的规划结果及其对应表现。（a）不同情景下的发电结构（电源组合）；（b）各情景的预期超额死亡人数；（c）不同情景下的预期年总成本
作者团队
宋永华（通讯作者），澳门大学校长，智慧城市物联网全国重点实验室主任，英国皇家工程学院院士，欧洲科学院外籍院士。担任中国电工技术学会第八届及第九届理事会副理事长，中国电机工程学会第九届及第十届理事会副理事长，2019年澳门特别行政区中华教育会副会长，2022年中国高等教育学会第八届理事会副会长。作为第一完成人获国家科技进步二等奖、教育部自然科学一等奖、中国电力科学技术进步一等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、光华工程科技奖、全国创新争先奖等。2002年至今一直被委任为澳门特别行政区政府科技委员会顾问，2023年获澳门特别行政区政府颁授教育功绩勋章，以表彰其在教育事业方面的杰出贡献。
张洪财（通讯作者），现担任澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室副教授、博士生导师。于2013年、2018年分别获得清华大学电气工程学士、博士学位。曾任美国加州大学伯克利分校博士后、美国劳伦斯伯克利国家实验室访问研究员。致力于开展低碳综合能源系统（聚焦新能源电力系统、电气化交通系统、供冷/热系统）的建模、运行、控制等交叉学科领域研究。主持国家自然科学基金、澳门科学技术发展基金等国家或省部级项目或课题7项。以第一作者身份发表英文学术专著1部，以第一或通信作者发表或录用JCR Q1期刊论文60余篇（其中包括Nature子刊Nature Energy 1篇、IEEE Transactions系列汇刊38篇），发表ESI高被引论文6篇，以第一作者身份受邀发表Nature子刊Nature Reviews Electrical Engineering封面论文 1篇。谷歌学术引用8500余次，H指数45。获得2022年澳门自然科学二等奖，连续五年入选“全球前2%顶尖科学家”（年度影响力），获得2025年Informs自然资源领域最佳论文奖，以及EVS34-2021、ISPECE-2021、EI2-2022、iTEC Asia-Pacific 2024等多个国际会议最佳论文奖等。现担任《IEEE Transactions on Power Systems》、《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》、《iEnergy》等国际期刊编委，《电力自动化设备》、《中国电力》等国内期刊青年编委，以及国际大电网组织CIGRE中国国家技术委员会委员、中国电工技术学会青年工作委员会委员、IEEE PES(中国)电动汽车与能源交通系统融合技术分委会秘书长、IEEE PES澳门分会秘书长等。
杨志学（第一作者），澳门大学智慧城市物联网全国重点实验室博士研究生，以学生第一作者发表SCI/EI论文10篇，其中包含千分之一热点论文一篇，Nature旗下期刊论文一篇。主要研究方向为电包括人工智能，电氢耦合，电力能源系统脱碳，气候韧性等。
李辉，大连理工大学副教授，博士生导师。在重庆大学获得博士学位，曾于澳门大学智慧城市物联网全国重点实验室从事博士后研究工作。研究方向为低惯量能源系统优化分析与建模、人工智能在能源系统中的应用。已发表SCI/EI论文40篇，含ESI高被引论文3篇，主持智能电网重大专项子课题、省自然科学基金等项目4项。担任《Applied Energy》等国际期刊客座编辑，并获评多项国际期刊杰出审稿人、国际会议优秀论文奖。
Scott Moura，加州大学伯克利分校土木与环境工程系教授、能源、控制与应用实验室（eCAL）主任，以及伯克利信息技术服务中心（Berkeley ITS）代理主任。他曾任PATH项目主任和工程科学系主任。他于2006年、2008年和2011年分别获得加州大学伯克利分校机械工程学士学位、密歇根大学安娜堡分校机械工程硕士和博士学位。2011年至2013年，他曾在加州大学圣地亚哥分校Cymer控制系统与动力学中心担任博士后研究员，并于2013年在法国巴黎高等矿业学院自动化与系统中心担任访问学者。他的研究方向包括电池、电动汽车和分布式能源的控制、优化和人工智能。
扫码关注！
一个电气领域前沿动态与科研资源平台
论文分享 | 期刊投稿
科研汇报 | 学术招聘
点亮在看，你最好看！
1.【团队介绍|芬兰MESPO】芬兰阿尔托大学李正茂教授“AI/优化+综合能源系统（冷热电氢水等）规划和运行”团队介绍+互助群聊邀请
2. 【群聊邀请|一网打尽】25年公众号最全群聊邀请，海量帮助+科研探讨+同行交流，等你来！广告勿入！
3. 【微信团队|小编登场】公众号小编Team最全介绍！快来看看谁在背后默默耕耘吧（2024年度）！+互助群聊邀请
4. 【六刊联合|智能电网】26年7月31！MDPI六大期刊联合征稿，课题“智能灵活低碳电网(第二弹)”+专刊群聊邀请
5. 【Nature旗下|微电网】26 年 4 月 17 ！Nature SR专刊 “微电网设计与优化”专刊征稿+专刊群聊邀请
