新疆采暖制冷时间序列的时空变化特征分析

新疆采暖制冷时间序列的时空变化特征分析

根据ipcc第三次评估报告，自上个世纪以来，地球气候经历了以变变为主要特征的重大变化。在过去的20世纪，世界平均气温上升到0.6.0.2c，全球平均气温还达到1.4.5.8c。与全球变暖相同步,位于中纬度干旱区的新疆,其气候也存在变暖的趋势,尤其是近50a以来升温趋势更加明显,升温率达0.2℃/10a。相关预测结果表明,未来新疆气候还将继续变暖,2050年温度将比20世纪90年代上升1.9～2.3℃。由于人类经济活动与气温存在明显的相关性,气温的升高无疑会对农业、建筑、交通、水资源和物候等许多方面产生显著影响,尤其在城市采暖与制冷的能源消耗上,气温升高的影响将会非常巨大,因而有必要开展气候变化对能源需求的影响与预测方面的研究工作。有关方面的研究国内外已广泛开展[5,6,7,8,9,10,11,12],但新疆还未见相关研究报道。新疆位于中纬度内陆干旱区,境内很多地区属于酷热、或边远严寒地区,不仅有很高的冬季采暖需要,而且有夏季制冷降温的需求。区域内的建筑热工能耗(包括采暖和制冷能耗)占建筑总能耗的比例较高。研究表明,建筑物的能耗与气温或采暖/制冷度日数之间呈近似的线性关系。据此关系模式,可以认为在气温持续升高的背景下,本区域的冬季采暖度日数、进而采暖耗能可能会降低,夏季制冷度日数、进而制冷耗能可能会增加。但这是基于一般经验性模式的推断,具体情况还缺乏定量的分析。因此,本文依据日最高和最低温度观测值计算出的本区域16个主要城市的采暖和制冷度日数时间序列,利用Mann-Kendall检验法和简单线性回归法检测这些时间序列的长期单调趋势,并分析其变化特征,为本区域未来建筑能源需求的预测与规划奠定基础。1数据和方法1.1适当插补,插补资料资料来源于中国气象局国家气象中心资料室整编的全疆54个测站的逐日最高、最低气温记录。为了保证资料的均一性和质量,首先剔出了缺测比较严重以及时间覆盖不够的测站,然后对资料不连续的台站进行适当插补,插补方法为:对单日缺测,用本站前后各1天的值取平均做为该缺测值;对于两日以上连续缺测值,采用缺测站与相邻站(二者距离小于100km)进行线性回归的方法来插补。这样,全疆有16个主要城市台站资料连续性与质量较好。台站信息、缺测情况与缺测值的处理方式参见本工作第一部分中的介绍。1.2非参数检验法以往研究中常用的趋势检验方法为参数统计方法,如滑动平均法、线性回归法等。这些方法的共同特点是对所分析的数据有正态性的要求;相比,非参数Mann-Kendall(MK)检验法对研究数据分布的正态性没有要求,它是一种基于排序的方法,适合于检测非线性趋势。近年来,非参数检验法在气候和水文时间序列趋势分析与研究中得到广泛应用。本文使用的趋势检验法为非参数MK检验和简单线性回归法两种方法。用MK趋势分析16个站点的基准温度18℃下年和季采暖度日数和基准温度24℃下的年和季制冷度日数时间序列的正或负趋势;同时利用简单线性回归法分析上述采暖与制冷度日数时间序列每十年的变化速率(线性倾向率)。值得指出的是,之所以采用18℃作为暖度日数的截段温度界限,主要有以下考虑:一是18℃为国际上通用的界限温度,已使用了几十年,至今依然在广泛应用。本文采用之便于区域间的对比;其二是从人体舒适性感觉上,当外界温度低于18℃时,人就有保暖或采暖的需求,虽然与实际采暖季的起讫温界(新疆地区大致为0℃)有差异,但从分析趋势变化的角度还是合适的。至于选用24℃作为制冷度日数的截段温界,理由也大致如前。1.2.1计量2标准检验标准的方法MK检验的原假设H0为数据样本{Xi,i=1,2,…,n}是独立的且同一分布的;假设H1为在X中存在单调趋势。统计量S定义如下:式中n为数据集的长度,并且sgn(xj−xk)=⎧⎩⎨⎪⎪+1,(xj−xk)>00,(xj−xk)=0−1,(xj−xk)<0‚(2)sgn(xj-xk)={+1,(xj-xk)>00,(xj-xk)=0-1,(xj-xk)<0‚(2)已经证明,当n≥8时,统计量S近似服从均值为0方差为下式的正态分布:式中t为每个相持组中,相持值的数目;∑为针对所有的相持组求和。标准化检验统计量Z由下式计算:标准化的MK统计量Z遵循均值为0、方差为1的标准正态分布。正S值指示向上趋势,负S值指示向下趋势。1.2.2t-检验估计简单线性回归或最小平方线性趋势的统计显著性通过参数t-检验估计。t-检验统计量,具有自由度n=2的学生分布,定义为:t=r(1-r2)-1/2(n-2)1/2,(5)式中r为样本相关系数。1.2.3预处理后的序列相关性分析由于序列相关性对趋势检验和解释会产生影响,因而在进行MK检验之前,对所计算出的年与季采暖与制冷度日数时间序列做了迟滞1a的序列相关性分析。为消除序列相关性的影响,对原序列值做预白化处理,处理后的序列变为:(x2-r1x1,x3-r1x2,…,xn-r1xn-1),其中xi为原年与季采暖与制冷度日数值,r1为原序列与其迟滞1a值的相关系数。之后,对这些预白化的序列做MK趋势检验,而对其它不存在序列相关性的时间序列直接进行MK趋势检验。2结果与讨论2.1预白化前后年和季采暖与制冷日数时间序列的相关性表1列出了具有5%显著水平下迟滞1年显著序列相关的序列数及其占总序列数的比。由表1可见,在所分析的年和季序列中,具有5%显著水平下迟滞1年显著序列相关的序列数比较多,尤其是制冷度日数序列,其夏季和年序列中各有11个序列呈现出了显著的序列相关性,各占其总序列数(16个)的68.8%;秋季序列中也有5个序列呈现出了显著的序列相关性,占秋季总序列数(16个)的31.3%。就采暖度日数而言,具有显著序列相关性的年和季序列数虽然没有制冷度日数序列的多,但其冬季和年序列中具有显著序列相关性的序列达到6个和5个,分别占总序列数(16个)37.5%和31.3%。研究结果表明,预白化可以有效地移去序列的迟滞一个时间步长的自相关成分。然而,假如趋势存在,对正的迟滞一个时间步长的自相关进行预白化将移去趋势的一部分;因此,预白化后趋势的斜率就比预白化前趋势的斜率要小,这就导致了对显著趋势的低估。对预白化前后年和季采暖与制冷度日数时间序列分别进行MK检验与线性趋势检验的结果显示,预白化减少了原具有显著趋势的序列数,其中减少的MK趋势数为14个,其中以制冷度日数序列为多;减少的线性趋势序列数也为14个,都为制冷度日数(表1)。2.2新疆16个城市采暖互通日数的趋势检验结果表2列出了新疆16个主要城市基准温度18℃下的年与季采暖度日数MK与线性趋势检验的统计结果。由该表可知,对于年采暖度日数,15个城市具有显著(0.05水平下)的MK减少趋势和至少0.05显著水平下的线性减少趋势,占总城市数(16个站)的93.8%。可见采暖度日数年序列减少趋势非常明显。秋、冬季的采暖度日数减少趋势也比较明显,分别有9个城市呈现出了显著的MK减少趋势,分别占总城市数(16个站)的56.3%;而具有显著线性减少趋势的城市数分别为秋季10个、冬季14个,分别占总城市数(16个站)的62.5%和87.5%。图1中示出了新疆16个主要城市基准温度18℃下的年和季采暖度日数的MK趋势检验结果。从该图中所示的年采暖度日数的趋势检验结果来看,所有16个城市都呈现减少的趋势,其中除库车呈弱减少趋势外,其它城市在0.05水平下呈显著减少趋势。从季节采暖度日数的MK趋势来看,春季16个城市中只有乌鲁木齐和库车2城市呈现弱增加趋势,其余14个城市都表现出减少趋势,其中塔城的减少趋势达到了0.05显著水平。夏季12个城市呈现减少趋势,其中伊宁、塔城、喀什、阿克苏和民丰5城市减少趋势达到了0.05显著水平,而乌鲁木齐和库车呈弱增加趋势,另有吐鲁番和哈密2城市无趋势。秋季仅有库车呈弱增加趋势,其余15个城市呈减少趋势,其中有9个城市的减少趋势达到0.05的显著水平。冬季所有16个城市都呈现减少的趋势,其中吐鲁番、石河子、库尔勒、喀什、哈密、奇台和库车7个城市减少趋势未达到0.05的显著水平(图1)。利用简单线性回归法对各站近45年来的年和季采暖度日数的变化趋势进行了拟合,所得最小平方拟合直线的斜率作为变化趋势率或倾向率,结果示于图2中。由图2可见,所有16个城市都呈现减少的趋势,其中除库车呈弱减少趋势外,其它城市分别在0.05、0.01和0.001水平下呈显著减少趋势。这一结果与利用MK检验法获得的结果相一致。近45年来,新疆16个主要城市的年采暖度日数时间序列的线性倾向率分布在-25.1～-154.0℃/10a的范围内(图2),平均值为-77.9℃/10a。对于季节采暖度日数的线性趋势来说,春季只有乌鲁木齐和库车2城市呈弱增加趋势,其余14个城市都表现出减少趋势,其中阿克苏和民丰在0.05显著水平下显著减少,吐鲁番在0.01显著水平下显著减少。夏季仅有乌鲁木齐呈现弱增加趋势;克拉玛依、吐鲁番、哈密和库车4城市无夏季趋势;其它11个城市呈减少趋势,其中伊宁和塔城2城市减少趋势达到了0.05显著水平。秋季仅有库车呈弱增加趋势,其余15个城市呈减少趋势,其中有10个城市的减少趋势达到0.05以上的显著水平。冬季所有16个城市都呈现减少的趋势,其中仅有石河子和奇台2个城市减少趋势未达到0.05的显著水平(图2)。2.3各城市制冷粒度的日变化表2中还列出了新疆16个主要城市基准温度24℃以上年与季制冷度日数MK与线性趋势检验的统计结果。由该表可见,对于年制冷度日数,7个城市具有显著(0.05水平下)的MK增加趋势,占总城市数(16个站)的48.3%;6个城市呈现出显著的线性增加趋势、2个城市呈现至少0.05显著水平下的显著线性减少趋势,分别占总城市数(16个站)的37.5%和12.5%。可见制冷度日数年序列减少趋势比较明显。春、夏季制冷度日数增加趋势也比较明显,分别有3个和7个城市呈现出了显著的MK增加趋势,分别占总城市数(16个站)的18.83%和43.8%;而具有显著线性增加趋势的城市数分别为春季5个、夏季6个,分别占总城市数(16个站)的31.3%和37.5%。图3列出了基准温度24℃以上新疆16个主要城市年和春、夏与秋季制冷度日数的MK趋势检验结果。从图3可以发现,新疆16个主要城市中绝大部分年制冷度日数存在显著的增多趋势。除乌鲁木齐、库车、奇台和阿勒泰4个城市的年制冷度日数存在减少趋势外,其它城市存在增多趋势。在增多的12个城市中,除吐鲁番、克拉玛依、喀什、哈密和乌苏5个城市增多趋势不显著外,其它7个城市在0.05水平下增多显著。从季节制冷度日数的MK趋势来看,基准温度24℃以上仅有乌鲁木齐和库车2城市的春季制冷度日数呈弱减少趋势,其余14城市存在增加的趋势,其中石河子、喀什、和田和阿克苏4城市在0.05显著水平下呈显著增多。伊宁、阿勒泰、塔城和奇台4城市无基准温度24℃以上的春季制冷度日数的变化趋势。夏季是制冷的主要季节,除乌鲁木齐、哈密、阿勒泰、奇台和库车5个城市夏季制冷度日数呈现减少趋势(其中库车达到0.05显著水平)外,其它城市呈现增多趋势,其中吐鲁番、克拉玛依、喀什和乌苏4城市增多趋势不显著。秋季有9个城市的制冷度日数呈现增多趋势,其中吐鲁番和阿克苏2个城市达到显著增多的水平;乌鲁木齐和库车呈弱减少趋势。还有5个城市(伊宁、塔城、哈密、阿勒泰和奇台)无夏季制冷度日数变化趋势(图3)。利用简单线性回归法对各站近45年来的年和季制冷度日数的变化趋势进行了拟合,所得最小平方直线的斜率作为变化趋势率或倾向率,结果示于图4中。由图4可见,16个城市中有4个城市——阿勒泰、奇台、乌鲁木齐和库车的年制冷度日数呈减少趋势,其中奇台和库车呈0.05显著水平下的减少趋势;其它12个呈增加趋势的城市中,伊宁和民丰在0.05显著水平、塔城和阿克苏在0.01显著水平、库尔勒和和田在0.001水平下呈显著增加趋势。这种结果与利用MK检验法获得的结果大致一致。近45年来,新疆16个主要城市的年制冷度日数时间序列的线性倾向率分布在-11.9～17.1℃/10a之间(图4),平均为4.3℃/10a。从季节制冷度日数的线性趋势来看,基准温度24℃以上仅有乌鲁木齐和库车2城市春季制冷度日数呈弱减少趋势,阿勒泰、塔城、奇台和伊宁4城市无趋势,其余10城市存在增加的趋势,其中石河子、吐鲁番和阿克苏3城市在0.01显著水平下显著增加,喀什和民丰在0.05显著水平下显著增加。夏季是制冷的主要季节,除阿勒泰、乌鲁木齐、奇台和库车4个城市夏季制冷度日数呈现减少趋势(其中奇台和库车达到0.05显著水平)外,其它城市呈现增多趋势(其中伊宁与民丰达0.05显著水平;塔城、阿克苏与和田达0.01显著水平;库尔勒达0.001显著水平)。秋季有6个城市(阿勒泰、塔城、石河子、奇台、伊宁和喀什)无制冷度日数趋势;有5个城市的制冷度日数呈现增多趋势,其中吐鲁番和阿克苏2个城市分别在0.05和0.01显著水平下显著增多;其余5个城市呈弱减少趋势(图4)。由以上分析可知,两种检验方法所获得的结果都一致表明,近40多年来,新疆主要城市呈现出了比较明显的采暖度日数减少、制冷度日数增多的趋势。这意味着新疆大多城市存在热季制冷能源需求增多、冷季采暖能源需求减少的趋势。上述趋势的存在显然与全球/区域变暖有很大的关系。值得预期的是,据气候模式预计,21世纪末全球平均气温还将上升1.4～5.8℃。与此相应,新疆的气温尤其是冬季气温将继续升高。在这种升温背景下,未来新疆绝大部分城市热季制冷能源需求可能