浙江夏季高溫特征及空調(diào)能耗分析

對(duì)浙江高溫特征的分析近年來(lái)，浙江省能源嚴(yán)重不足。特別是在夏季，高溫進(jìn)一步加劇了電力供應(yīng)的緊張局勢(shì)，供電負(fù)荷不足，各部門都無(wú)法承擔(dān)起帶蓋負(fù)荷。他們紛紛采取拉門禁能措施，給各行各業(yè)帶來(lái)不可預(yù)測(cè)的損失。政府有關(guān)部門認(rèn)為造成“電荒”的主要原因是季節(jié)、氣候變化和國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)過(guò)快。因此有必要對(duì)浙江的高溫特征及其對(duì)用電負(fù)荷的影響進(jìn)行分析,為各決策層提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。在全球氣候變暖的背景下,許多學(xué)者對(duì)我國(guó)的氣溫變化特點(diǎn)進(jìn)行了研究,認(rèn)為我國(guó)的氣溫變化存在地域性、季節(jié)性的差異,夏季氣溫不象冬季氣溫一樣全國(guó)各地之間具有較強(qiáng)的一致性變化特點(diǎn)。同樣,省內(nèi)外氣象專家也對(duì)浙江夏季氣溫及變化特征進(jìn)行了許多有意義的研究,施能、雷媛對(duì)浙江夏季平均氣溫變化進(jìn)行了探討,項(xiàng)素清、高天赤則分別對(duì)舟山市、杭州市的高溫天氣氣候特征進(jìn)行了揭示。本文則從高溫日數(shù)、最高氣溫、高溫積溫等方面對(duì)浙江的高溫特點(diǎn)進(jìn)行了研究,羅列了近50年來(lái)浙江發(fā)生的酷暑、涼夏事件,還對(duì)浙江的高溫進(jìn)行了分區(qū),對(duì)浙江高溫的區(qū)域性變化特征進(jìn)行了對(duì)比分析。在對(duì)浙江高溫特征進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上,本文進(jìn)而對(duì)浙江夏季住宅降溫耗電進(jìn)行了初步的探討。1以溫度分區(qū)分析的模型本文所用資料主要為浙江省59個(gè)氣象觀測(cè)站建站至2003年的氣溫資料。其中分析浙江高溫變化特征時(shí),鑒于氣溫變化的空間一致性,選取有較長(zhǎng)年代資料的杭州、寧波、金華、麗水、溫州5站作為浙江省的代表站,它們分布在浙江的北部、東部、西部、中部、東南部,有1951年或1953年開始至2003年的完整的50年以上氣溫資料,能較好地代表浙江50年的氣溫情況;進(jìn)行高溫分區(qū)分析時(shí),使用36個(gè)觀測(cè)站1961～2003年的氣溫資料。用電負(fù)荷資料為浙江省2000～2002年的逐日電力資料。若沒有具體說(shuō)明,本文用杭州、寧波、金華、麗水、溫州5站的氣象資料平均值作為浙江省的氣象要素資料序列。2浙江的高溫和變化特征2.1高溫資物量的年際變化浙江年平均35℃以上高溫日數(shù)的空間分布呈東少西多、中部最多的特征,海島、沿海在10d以下,金衢盆地、麗水市達(dá)30～40d,是高溫日數(shù)最多的區(qū)域,其他地區(qū)為10～30d。高溫日數(shù)以7月出現(xiàn)最頻繁,占年平均高溫日數(shù)的51.4%,其他依次為8月占32.9%,6月占8.8%,9月占5.3%。年平均37℃以上高溫日數(shù)東部在5d以下,金衢盆地、麗水市15～18d,其他地區(qū)5～15d。40℃以上高溫日數(shù)中部、西部地區(qū)有0.1～1.2d,其他地方極少出現(xiàn)。分析1953～2003年浙江高溫日數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列(圖略),其年際變化有較明顯的偏多、偏少期,20世紀(jì)50、60年代偏多、偏少交替出現(xiàn),70年代初至80年代后期明顯偏少,80年代后期至今以偏多為主,其中世紀(jì)交接時(shí)期略有回落。50年中,浙江高溫日數(shù)呈微弱的上升趨勢(shì)。2.2高溫天氣概況2003年之前,浙江的西部和中部地區(qū)的極端最高氣溫為40～43℃,海島一般為33～37℃,其他地區(qū)為37～40℃。2003年浙江出現(xiàn)了歷史罕見的高溫天氣,全省除海島外大部分地區(qū)極端最高氣溫都高達(dá)40℃以上,其中近40%的站點(diǎn)比2003年前的歷史極值高出1℃以上,溫州、椒江等地高出2℃以上,慶元高2.4℃。極端最高氣溫年際變化與高溫日數(shù)相一致,70年代初至80年代后期明顯偏低,80年代后期開始以偏高為主,僅1993、1996、1997、1999年為偏低年份。50年來(lái),極端最高氣溫略呈上升趨勢(shì)。相反,浙江7、8月份平均最高氣溫卻略呈下降趨勢(shì)。2.3高溫、涼夏年周期夏季的炎熱與涼爽在高溫日數(shù)、最高氣溫等氣象要素上均有所體現(xiàn),本文引入高溫積溫這個(gè)概念來(lái)表示夏季的炎熱程度。定義高溫積溫(Tat)為夏季35℃以上的日最高氣溫與34.9℃的差值的和,即:Tat=∑i=1n∑i=1n(Tmax-34.9)(Tmax為日最高氣溫)對(duì)1953～2003年的高溫積溫序列進(jìn)行分析(圖1a),其年際變化與極端最高氣溫、高溫日數(shù)基本一致,70年代初至80年代后期明顯偏低,70年代初以前與80年代后期以后以偏高為主,50年來(lái),趨勢(shì)變化不明顯。世界氣象組織把異常氣候的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為其距平達(dá)到2倍標(biāo)準(zhǔn)差(2σ);王紹武等將距平大于1.3σ約10年一遇定為嚴(yán)重氣候?yàn)?zāi)害。本文定義高溫積溫距平1.3倍標(biāo)準(zhǔn)差以上為高溫年,2.0倍以上為酷暑年,-1.0倍以下為涼夏年,則浙江的酷暑年有2003、1971年,2003年達(dá)3.7倍標(biāo)準(zhǔn)差;高溫年為1953、1967、1988、1998年;涼夏年為1972、1973、1975、1982、1997、1999年。1996年前浙江發(fā)生的高溫、涼夏年有一定的時(shí)間集中性,50年代、60年代發(fā)生2次高溫年,沒有出現(xiàn)涼夏年;70年代初出現(xiàn)1次酷熱年,后連續(xù)3次涼夏年;80年代初出現(xiàn)1次涼夏年,后期出現(xiàn)1次高溫年;1996年以后高溫、涼夏年交替出現(xiàn),1997涼夏年,1998高溫年,1999又為涼夏年,2003則是酷熱年。進(jìn)一步對(duì)高溫積溫序列做小波分析(圖1b),發(fā)現(xiàn)18～20年的高溫年周期較明顯,60年代中期開始有7～8年的涼夏年周期。1972～1988年之間高溫積溫變化相對(duì)穩(wěn)定,處于比較低的時(shí)期,1967～1973年之間的變化結(jié)構(gòu)和1996年以后時(shí)段的變化結(jié)構(gòu)相似,變化均比較劇烈。綜合分析可知,未來(lái)3～5年浙江省高溫積溫處于18～20年周期后期比較高的時(shí)期,但震蕩較劇烈。3浙江高溫氣候的區(qū)域特征3.1高溫地理分布分區(qū)浙江地域遼闊,南北之間、內(nèi)陸與沿海之間高溫特征有一定差異。本文用36個(gè)觀測(cè)站1961～2003年高溫積溫資料,用方差最大旋轉(zhuǎn)主因子分析方法將浙江高溫地理分布進(jìn)行分區(qū)。計(jì)算表明,3個(gè)主因子的累計(jì)方差已達(dá)90.2%。將浙江的高溫分為3個(gè)區(qū)(圖2),浙江西南區(qū)(簡(jiǎn)稱浙西南區(qū))、浙江東南沿海區(qū)(簡(jiǎn)稱浙東南區(qū))、浙江北部區(qū)(簡(jiǎn)稱浙北區(qū))。3.2溫度-高溫時(shí)間動(dòng)態(tài)變化各區(qū)高溫積溫的變化趨勢(shì)差異較大,浙北區(qū)與浙西南區(qū)呈下降趨勢(shì),浙東南區(qū)則呈明顯上升趨勢(shì)(圖略)。為了進(jìn)一步揭示各區(qū)高溫變化的差異,根據(jù)區(qū)域內(nèi)荷載大小結(jié)合考慮資料年代,選出各區(qū)的代表站分別為:杭州(浙北區(qū))、溫州(浙東南區(qū))、金華(浙西南區(qū))。分析浙江省高溫分區(qū)代表站盛夏(7～8月)的平均氣溫、最高氣溫、高溫日數(shù)等氣候特征值(表略),可以看出,這種分布特征與地形有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,浙西南區(qū)主要為內(nèi)陸盆地和山區(qū),是浙江夏季最熱的地方;浙北區(qū)主要為水網(wǎng)平原,夏季氣溫相對(duì)內(nèi)陸山區(qū)略低;浙東南區(qū)地處沿海,夏季氣溫相對(duì)較低。由杭州、金華、溫州1953～2003年盛夏平均最高氣溫(圖3)可知,各區(qū)7～8月平均最高氣溫年際變化有較好的一致性,但升降幅度有所差異,50～70年代各地下降幅度較一致,年代平均最高氣溫一般浙西南區(qū)可比浙北區(qū)高1.5℃左右,浙北區(qū)又比浙東南區(qū)高1.0℃左右;80年代開始各地最高氣溫開始不同程度的上升,以浙東南區(qū)上升最為明顯,至80年代末浙東南區(qū)已逐漸逼近浙北區(qū),90年代浙西南區(qū)比浙北區(qū)高0.7℃左右,浙北區(qū)比浙東南區(qū)高0.5℃左右,各地的最高氣溫差異明顯縮小。50年來(lái)各區(qū)平均最高氣溫的趨勢(shì)變化略有不同,浙東南區(qū)呈明顯的上升趨勢(shì),浙北區(qū)與浙西南區(qū)呈下降趨勢(shì)。高溫日數(shù)各區(qū)年際變化基本相似于平均最高氣溫的變化,50年來(lái),浙西南區(qū)呈下降趨勢(shì),浙北區(qū)變化不明顯,浙東南區(qū)呈上升趨勢(shì),80年代末后各區(qū)高溫日數(shù)的差異明顯比1950～1970年代減小。通過(guò)上述章節(jié)分析可知,在全球增暖背景下,各地區(qū)、各季的氣候變化極其復(fù)雜,與全國(guó)夏季平均氣溫、夏季極端最高氣溫、7月氣溫有下降趨勢(shì)相比,近50年來(lái),浙江夏季高溫積溫總體趨勢(shì)變化不明顯,但區(qū)域變化特征有所差異,浙東南區(qū)呈明顯的上升趨勢(shì),浙北區(qū)與浙西南區(qū)則有所下降。4降溫度周期概念據(jù)《浙江省統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示,浙江省每百戶空調(diào)擁有量1992年為1.79臺(tái),2003年則增至105.23臺(tái)。降溫耗電的增加不僅與氣溫有關(guān),還體現(xiàn)了人民生活水平的快速提高。因此直接利用不同年份的用電量(電力負(fù)荷等)與溫度因子進(jìn)行相關(guān)分析,由于所取得的電力資料有限,一般不能把溫度因子與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)因子很好的剝離開來(lái),因此分析結(jié)果局限性比較大。本文引入降溫度日數(shù)的概念,利用2000～2002年3年的逐日資料,逐年分析其與用電負(fù)荷的相關(guān)關(guān)系,基本可忽略經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)因子。再利用國(guó)家相關(guān)的住宅降溫耗能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)度日數(shù)計(jì)算降溫耗電,旨在揭示浙江住宅降溫耗電的潛力及酷暑、涼夏年降溫耗電的差異。4.1u3000浙江逐年用負(fù)荷與合作項(xiàng)目的關(guān)系降溫度日數(shù)是指日平均氣溫高于某一基礎(chǔ)溫度的累積度數(shù)。如果日平均氣溫低于該基礎(chǔ)溫度,那么這一天無(wú)降溫度日數(shù)。這一概念常出現(xiàn)在采暖和降溫的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中。降溫度日數(shù)越大,表示溫度越高。降溫度日數(shù)可由下式表示:Tcdd=T-T0式中:Tcdd為降溫度日數(shù),T為逐日平均氣溫,T0為基礎(chǔ)溫度,單位為℃。眾所周知,當(dāng)氣溫在18～26℃之間時(shí),人體感覺是最舒適的,因此本文定義降溫基礎(chǔ)溫度為26℃。利用2000～2002年7～8月浙江逐日平均用電負(fù)荷與浙江代表站(杭州、金華、溫州)的逐日平均度日數(shù)作相關(guān)分析,結(jié)果表明,二者間存在顯著的正相關(guān),3年的相關(guān)系數(shù)分別為0.764、0.843、0.777,均通過(guò)0.001信度檢驗(yàn)。由此,不僅可認(rèn)為通過(guò)降溫度日數(shù)計(jì)算住宅降溫耗電是可行的,還可建立日平均用電負(fù)荷與日平均度日數(shù)關(guān)系式。4.2住宅降溫能耗年際差異降溫能耗計(jì)算方法有許多種,應(yīng)用較多的是度日計(jì)算法和逐時(shí)計(jì)算法。上節(jié)已分析浙江平均度日數(shù)與用電負(fù)荷的相關(guān)系數(shù)很高,因此本文使用該方法估算浙江夏季住宅平均降溫耗電是合理的。根據(jù)浙江省1971～2000年氣候資料,計(jì)算了全省的平均降溫度日數(shù),據(jù)文獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn),可以計(jì)算出全省各地夏季每平方米住宅建筑的降溫耗電,其分布基本相似于高溫日數(shù)的分布(圖略),呈東低西高、中部最高的特征。全省夏季每平方米住宅建筑平均降溫耗電約26kW·h/m2,其中浙北區(qū)平均降溫耗電約25kW·h/m2,浙東南區(qū)約22kW·h/m2,浙西南區(qū)約29kW·h/m2(表1)。為了進(jìn)一步說(shuō)明由于氣溫差異引起的住宅降溫耗電年際差異,分別計(jì)算2003年和1999年夏季全省各地每平方米建筑的住宅降溫耗電(表1),結(jié)果表明,酷暑年與涼夏年相比,全省住宅空調(diào)耗電平均多7成左右。這一結(jié)論應(yīng)在有關(guān)部門的電力調(diào)度等工作中引起充分注意。據(jù)浙江省統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì),浙江總戶數(shù)1466.19萬(wàn)戶(2002年底數(shù)據(jù)),2002年浙江盛夏(7～8月)的全社會(huì)耗電為143×108kW·h,目前居住建筑能耗一般占全社會(huì)能耗的10%左右,如此推算則2002年平均每戶居民夏季降溫耗電達(dá)到人體舒適標(biāo)準(zhǔn)的建筑面積不足5m2。這一推算從一個(gè)側(cè)面反映隨著人民生活水平的提高,浙江存在的夏季住宅降溫耗電潛力不容小覷,特別是在目前浙江嚴(yán)重缺電的形勢(shì)下,其發(fā)展趨勢(shì)值得注意。5住宅降溫能耗(1)浙江的高溫天氣主要出現(xiàn)在7、8月份,高溫日數(shù)的空間分布呈東少西多、中部最多的特征,極端最高氣溫由于2003年的罕見酷熱而提升了1℃以上。用旋轉(zhuǎn)主因子方法可以將浙江的高溫分為浙北區(qū)、浙東南區(qū)和浙西南區(qū)。近50年來(lái),浙江夏季高溫積溫總體趨勢(shì)變化不明顯,但區(qū)域變化特征有所差異,浙東南區(qū)呈明顯的上升趨勢(shì),浙北區(qū)與浙西南區(qū)則有所下降。80年代后,各區(qū)7～8月平均最高氣溫、高溫日數(shù)的差異明顯減小。(2)50多年來(lái),浙江的酷暑年有2003、1971年,