氣候變化背景下華北平均氣溫變化特征

氣候變化與能源需求在世界經(jīng)濟(jì)不斷變化的背景下，氣候和能源利用的研究越來越受到重視。研究表明,氣候變化將導(dǎo)致能源需求的改變。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,生活能源消耗呈現(xiàn)增長趨勢,居民生活用電比重上升。這種變化主要是由于冬季取暖和夏季制冷設(shè)備的廣泛使用,空調(diào)性負(fù)荷高峰加劇了氣候變化對電力供需平衡的影響。生活能源需求對氣候變化敏感性不斷加大,使得城市取暖和降溫耗能與氣溫關(guān)系日益密切。常規(guī)的溫度表征形式往往不能滿足各行各業(yè)的需求,各種與溫度有關(guān)的參數(shù)應(yīng)運(yùn)而生。國際上有關(guān)氣候變化對能源供需影響的研究成果中,所采用的氣候變量主要是溫度及其導(dǎo)出變量度日。度日(degreedays)是一個基本的設(shè)計參數(shù),最初是用來反映農(nóng)作物生長中所需熱量水平的物理單位,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在居民生活、能源規(guī)劃、電力、軍事、保險業(yè)等領(lǐng)域。許多學(xué)者將度日發(fā)展為一個能夠反映取暖和降溫所需能源的時間溫度指數(shù),把度日分析法作為研究氣溫和能源關(guān)系的基本方法,廣泛運(yùn)用在氣候變化與能源需求的研究領(lǐng)域。本文結(jié)合華中區(qū)域供暖降溫的實(shí)際情況和氣候變化的事實(shí),分析了華中區(qū)域取暖度日和降溫度日的歷史演變及空間分布特征,為取暖和降溫節(jié)能的決策提供參考。1hdd和cdd度日有取暖度日(HDD)和降溫度日(CDD)之分。HDD是某時段平均氣溫低于基礎(chǔ)氣溫的值,CDD即某時段平均氣溫高于基礎(chǔ)氣溫的值。根據(jù)我國建設(shè)部2004年4月1日實(shí)施的《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GB50019—2003)》的規(guī)定,基礎(chǔ)溫度采用冬季日平均氣溫5℃(一般民用建筑和工業(yè)建筑)、8℃(養(yǎng)老院、幼兒園、賓館等特別場所),夏季日平均氣溫26℃標(biāo)準(zhǔn)。年HDD一般定義每年冷季(9月至次年4月)逐日HDD之和。本文考慮其他行業(yè)與HDD的關(guān)系密切及我國和華中區(qū)域的特點(diǎn),年末將對來年的能源、電力等進(jìn)行預(yù)估,這種跨年度的因子不適合其他部門和行業(yè)使用。故本文將年HDD定義為年內(nèi)1—4月和10—12月逐日HDD之和。HDD是對冷季寒冷程度的估計,也是采暖季節(jié)內(nèi)采暖能量消耗的一個定量指標(biāo)。年CDD則定義為年內(nèi)5—9月逐日CDD之和。即CDD是對暖季高溫程度的一種描述,是暖季用于空調(diào)制冷能源消耗的一個定量估算。2采暖粒度的計算利用華中區(qū)域中通過均一化檢驗(yàn)(1)的53個氣象站點(diǎn)1961—2007年逐日平均氣溫資料,計算區(qū)域度日的逐年變化及空間分布特征。本研究計算取暖度日時采用公式:(1)式中Hi為第i天的取暖度日值,Ti為第i天的日平均氣溫。與此類似,如果日平均溫度高于基礎(chǔ)溫度,人們根據(jù)降溫的需要,用下式計算降溫度日:(2)式中Ci為第i天的降溫度日值,Ti為第i天的日平均氣溫。日平均氣溫Ti冷季高于或暖季低于基礎(chǔ)溫度的,不計算當(dāng)日的Hi或Ci。把冷季(暖季)取暖(降溫)期內(nèi)的取暖(降溫)度日值累加起來就得到當(dāng)?shù)乩浼?暖季)取暖(降溫)度日總值,即:3結(jié)果分析3.1日記的持續(xù)時間發(fā)生了變化3.1.1區(qū)域hdd的年際變化圖1(a)給出了1961—2007年華中區(qū)域HDD的逐年變化曲線。HDD總體呈下降的趨勢,下降速率為17.5℃·d/10a,通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。從圖1(a)中可發(fā)現(xiàn),1969年HDD最大,達(dá)346℃·d;次大值出現(xiàn)在1984年,達(dá)300℃·d。最小值出現(xiàn)在2007年,HDD僅為77℃·d,次小值出現(xiàn)在1999年,為84℃·d。HDD在20世紀(jì)60年代中期為上升趨勢,進(jìn)入80年代后轉(zhuǎn)為下降趨勢,1961—2007年區(qū)域HDD多年平均為174℃·d。HDD值大表明取暖季節(jié)氣溫低,消耗的能源多;反之,HDD值小表明取暖季節(jié)氣溫高,消耗的能源就少。3.1.2cdd的年際變化圖1(b)給出了1961—2007年華中區(qū)域CDD的逐年變化曲線。從圖1(b)中可以發(fā)現(xiàn),華中區(qū)域1961年的CDD最大,達(dá)到220℃·d;次大值出現(xiàn)在1967年(205℃·d)。CDD最小值出現(xiàn)在1993年,僅為89℃·d;次小值出現(xiàn)在1980年,為90℃·d。1961—2007年華中區(qū)域CDD的多年平均值為147℃·d。CDD值大表明降溫季節(jié)氣溫高,空調(diào)制冷需要消耗的能源就多;反之,CDD值小,空調(diào)制冷需要消耗的能源就少。20世紀(jì)60年代以來,區(qū)域CDD呈現(xiàn)波動變化,其中70年代中期、80年代前期、90年代中期為相對的低值期,60年代為相對高值期;進(jìn)入21世紀(jì)后,CDD呈逐步上升的趨勢。1961—2007年華中區(qū)域的CDD微弱下降(下降速率為1.9℃·d/10a),變化趨勢不顯著,這一變化特征與區(qū)域暖季增溫速率僅為0.07℃/10a關(guān)系密切。3.2日常空間分布3.2.1u3000全國大部地區(qū)hdd的年、月圖2(a)給出了1961—2007年華中區(qū)域多年平均HDD空間分布。從圖2(a)中可以看出,HDD空間分布特征基本上呈現(xiàn)由河南向湖南遞減趨勢;河南、湖北HDD緯向分布明顯,湖南分布比較均勻,受地形的影響明顯,湖南東部的等值線較西部密集。河南HDD基本在250~400℃·d,其中河南西部出現(xiàn)高值區(qū),年均達(dá)450℃·d;河南HDD減小趨勢最顯著,變化速率在-22.7~-35.9℃·d/10a。湖北HDD基本在100~200℃·d,其中西南部出現(xiàn)相對高值區(qū),年均HDD在150~250℃·d,該區(qū)域的減小速率高出周圍地區(qū)15.0℃·d/10a。湖南的HDD相對最小,大部地區(qū)年均HDD在50~100℃·d,但東部較大,年均值達(dá)到120~200℃·d,這與該區(qū)域海拔較高有關(guān);同時湖南HDD減少趨勢最小,變化速率在-9.9~-17.0℃·d/10a。3.2.2cdd的空間分布特征圖2(b)給出了1961—2007年華中區(qū)域多年平均CDD空間分布。從圖2(b)中可以看出,區(qū)域CDD基本上與HDD呈相反的變化特征,即由河南向湖南呈遞增趨勢,區(qū)域內(nèi)CDD東部高于中西部地區(qū);緯向分布的特征不顯著,受地形的影響明顯,各省局部出現(xiàn)低值。河南北部多年平均CDD在100~120℃·d,呈現(xiàn)減少趨勢,變化速率在6.3~19.5℃·d/10a;而河南中部以及湖北西部CDD呈增加趨勢,變化速率在3.9~22.8℃·d/10a。湖北和湖南兩省的中、東部地區(qū)CDD較大,在170~220℃·d,但這一區(qū)域的CDD呈減少趨勢,減小幅度在2.3~13.9℃·d/10a;湖南東南部出現(xiàn)一個大值區(qū),CDD達(dá)到250℃·d,與該區(qū)域海拔較低有關(guān),該區(qū)域CDD呈增加趨勢,變化幅度在2.0~10.1℃·d/10a。3.3hdd和cdd的平均溫度之比3.3.1dd與暖季平均氣溫的相關(guān)性考慮到氣候變暖背景下,華中區(qū)域冬季和夏季氣溫變化的非對稱性,分析了HDD同冷季平均氣溫、CDD同暖季平均氣溫的變化特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)HDD與冷季平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.81,CDD與暖季平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.74,相關(guān)性均很顯著,通過了0.001水平的顯著性檢驗(yàn)。相關(guān)分析表明,HDD與冷季平均氣溫具有明顯的反位相變化,而CDD與暖季平均氣溫具有明顯的同位相變化,這與謝莊等的研究結(jié)論一致。同時還發(fā)現(xiàn),年HDD最大值出現(xiàn)在1969年(346℃·d),正好對應(yīng)華中區(qū)域冷季的最冷年,該年平均氣溫僅為7.2℃;CDD最小值出現(xiàn)在1993年(89℃·d),正好對應(yīng)華中區(qū)域暖季的最冷年,該年平均氣溫僅為22.8℃。3.3.2hdd、cdd與平均氣溫年代際變化從圖3可以看出,20世紀(jì)80年代以后華中區(qū)域的平均氣溫明顯升高,冷季的平均氣溫從8.2℃升高到9.4℃,暖季的平均氣溫從23.0℃升高到23.6℃,增暖趨勢均顯著。HDD呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,從187.6℃·d下降到138.9℃·d,而CDD從135.2℃·d上升到163.1℃·d。因此,HDD與冷季平均氣溫年代際變化呈反位相,而CDD與暖季平均氣溫呈同位相年代際變化。這表明HDD、CDD與平均氣溫年代際變化同HDD、CDD與平均氣溫逐年變化特征一致。綜上所述,華中區(qū)域年際、年代際的HDD與對應(yīng)時段的平均氣溫呈反位相變化,隨著氣候變暖,尤其是冬季,華中區(qū)域HDD將變小,即冷季用于供暖的能源將減少;年際、年代際的CDD與對應(yīng)時段的平均氣溫具有同位相變化,暖季空調(diào)制冷等所需的能源消耗將不斷增加。4cdd的空間變化特征(1)1961—2007年華中區(qū)域的HDD總體呈顯著下降的趨勢;而CDD呈微弱的下降,這與暖季較小增溫速率有關(guān)。年代際變化具有不同的特點(diǎn),HDD在20世紀(jì)60年代中期為上升趨勢,80年代后轉(zhuǎn)為下降。CDD在20世紀(jì)70年代中期、80年代前期、90年代中期為相對的低值期,60年代為相對高值期;進(jìn)入21世紀(jì)后,CDD呈逐步上升的趨勢。(2)從空間分布特征看,HDD由河南向湖南基本上呈現(xiàn)遞減的趨勢;CDD與HDD呈相反的變化趨勢,為由河南向湖南遞增的變化特征。河南、湖北HDD緯