由宾夕法尼亚州立大学领导的一组研究人员开发了一个水-电-经济耦合模型，以捕捉气候相关的水压力和温度变化的影响如何通过能源系统级联。信用:最大像素在世界各地，能源系统正日益受到气候变化的影响。能源系统，尤其是电力系统，容易受到自然压力的影响，如野火、严重风暴、极端温度和水文循环的长期中断。能源工程教授莫特·韦伯斯特说:“正如我们近年来所经历的那样，我们的系统受到越来越多的自然压力，比如去年德克萨斯州的寒流和西部的野火和干旱。“这些压力越来越多地导致重大的地区电力中断，有充分的理由认为，随着未来气候变化的加剧，这些压力可能会增加。”
与气候相关的水压力和温度变化的影响可以通过能源系统级联，尽管模型尚未捕捉到这种复合效应。由宾夕法尼亚州立大学领导的一组研究人员开发了一个水-电-经济耦合模型，以在一项关于发电水温阈值超标的研究中捕捉这些重要的相互作用。
“模型通常是相互独立运行的，”环境和资源经济学及公共政策教授、可持续农业、食品和环境科学研究所(SAFES)所长、美国能源部支持的资助这项工作的项目“人地耦合系统计划”(PCHES)的首席研究员卡伦·费舍尔-范登(Karen Fisher-Vanden)说。“在不断变化的天气模式和极端情况下，对人类和自然系统的影响可能各不相同，系统之间的相互作用可能至关重要。这项研究整合了多个现有模型，以捕捉互动和反馈。”
该团队基于西部电力协调委员会可靠性系统对美国西部进行了一项案例研究，该系统对应于落基山脉以西的美国12个州以及不列颠哥伦比亚省、阿尔伯塔省和墨西哥北部的部分地区，以探索该系统有多脆弱以及何时何地脆弱。他们的发现发表在《自然能源》杂志上。
该研究的主要作者韦伯斯特说:“我们的团队开发了一个框架，研究我们需要做些什么来让我们的系统为未来50到100年的冲击做好准备，以及如何让它们更具弹性。“例如，美国西部长期缺水现象有增无减，干旱和热浪的频率和严重程度增加，可能会导致热发电机冷却水不足，限制电力供应。”
多部门动力系统，如本研究中的水-电-经济耦合系统，由重叠和交叉的网络组成。本研究的交叉框架着眼于流域和盆地的区域网络、电力网和区域经济。
韦伯斯特说:“我们的研究首次详细研究了水压力是如何通过电力系统波及经济损失的。“我们的耦合模型框架捕捉了水、电力和经济系统之间的相互作用，同时保留了空间、时间和部门细节。”
该团队对一系列气候强迫模式对水-电-经济耦合系统的影响的分析表明，较高的水温会导致一系列因果关系，从发电机因冷却水进水温度限制而离线，到较高的电力成本和未满足的电力需求，再到用电部门的经济调整和生产率下降。
研究小组发现，许多因水温升高而导致发电机停机的气候模式不会造成任何重大影响。对于任何给定的外部冲击，水-电-经济系统中的互联网络通过提供冗余和空间转移影响来减轻影响。
韦伯斯特说:“这一结果的一个重要含义是，某一天可用发电能力的降低不一定意味着任何重大成本。“我们的系统非常有弹性，因为我们在其中构建了大量冗余。它需要一个巨大的冲击来真正扰乱事物，这样能量就不会到达消费者手中。”
根据研究人员的说法，大部分经济影响来自于在特定时间和地点无法满足的电力需求。
韦伯斯特说:“我们发现，在一天、一周和一年中的关键时刻，电力供应的间歇性中断是造成经济影响的主要原因。“在更广泛的地区经济中，每年的净消费损失可能高达0.3%，平均电力成本最多增加3%，地区制造业的生产损失超过1%。”
他们还发现，撞击可能发生在不同于最初水压的位置。
韦伯斯特说:“随着相互依赖的系统因同时发生的许多压力源而变得更加紧张，只需要再推一把就能制造出一个问题，而这个问题可能会出现在其他地方，因为这个系统是一个单一的互联网络。“因此，随着更多的野火、干旱、洪水和寒流给系统带来压力，我们可能会看到更频繁的影响。尽管在过去的50年里，我们没有经历过太多的灾难性停机，但我们确实需要为即将到来的情况做好准备，并在系统中构建比现在更多的冗余。”
这些结果强调了解释重叠和相互作用的系统网络之间反馈的重要性。重要的是，这种类型的耦合模型方法允许研究者保留这些单独模型中每一个所代表的空间、时间和部门的丰富性，这在一个综合模型中是无法实现的，在该模型中，细节通常被牺牲以获得计算上的可处理性。
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