气候变化背景下华北平均气温变化特征

气候变化背景下华北平均气温变化特征

气候变化与能源需求在世界经济不断变化的背景下，气候和能源利用的研究越来越受到重视。研究表明,气候变化将导致能源需求的改变。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,生活能源消耗呈现增长趋势,居民生活用电比重上升。这种变化主要是由于冬季取暖和夏季制冷设备的广泛使用,空调性负荷高峰加剧了气候变化对电力供需平衡的影响。生活能源需求对气候变化敏感性不断加大,使得城市取暖和降温耗能与气温关系日益密切。常规的温度表征形式往往不能满足各行各业的需求,各种与温度有关的参数应运而生。国际上有关气候变化对能源供需影响的研究成果中,所采用的气候变量主要是温度及其导出变量度日。度日(degreedays)是一个基本的设计参数,最初是用来反映农作物生长中所需热量水平的物理单位,现已广泛应用在居民生活、能源规划、电力、军事、保险业等领域。许多学者将度日发展为一个能够反映取暖和降温所需能源的时间温度指数,把度日分析法作为研究气温和能源关系的基本方法,广泛运用在气候变化与能源需求的研究领域。本文结合华中区域供暖降温的实际情况和气候变化的事实,分析了华中区域取暖度日和降温度日的历史演变及空间分布特征,为取暖和降温节能的决策提供参考。1hdd和cdd度日有取暖度日(HDD)和降温度日(CDD)之分。HDD是某时段平均气温低于基础气温的值,CDD即某时段平均气温高于基础气温的值。根据我国建设部2004年4月1日实施的《采暖通风与空气调节设计规范(GB50019—2003)》的规定,基础温度采用冬季日平均气温5℃(一般民用建筑和工业建筑)、8℃(养老院、幼儿园、宾馆等特别场所),夏季日平均气温26℃标准。年HDD一般定义每年冷季(9月至次年4月)逐日HDD之和。本文考虑其他行业与HDD的关系密切及我国和华中区域的特点,年末将对来年的能源、电力等进行预估,这种跨年度的因子不适合其他部门和行业使用。故本文将年HDD定义为年内1—4月和10—12月逐日HDD之和。HDD是对冷季寒冷程度的估计,也是采暖季节内采暖能量消耗的一个定量指标。年CDD则定义为年内5—9月逐日CDD之和。即CDD是对暖季高温程度的一种描述,是暖季用于空调制冷能源消耗的一个定量估算。2采暖粒度的计算利用华中区域中通过均一化检验(1)的53个气象站点1961—2007年逐日平均气温资料,计算区域度日的逐年变化及空间分布特征。本研究计算取暖度日时采用公式:(1)式中Hi为第i天的取暖度日值,Ti为第i天的日平均气温。与此类似,如果日平均温度高于基础温度,人们根据降温的需要,用下式计算降温度日:(2)式中Ci为第i天的降温度日值,Ti为第i天的日平均气温。日平均气温Ti冷季高于或暖季低于基础温度的,不计算当日的Hi或Ci。把冷季(暖季)取暖(降温)期内的取暖(降温)度日值累加起来就得到当地冷季(暖季)取暖(降温)度日总值,即:3结果分析3.1日记的持续时间发生了变化3.1.1区域hdd的年际变化图1(a)给出了1961—2007年华中区域HDD的逐年变化曲线。HDD总体呈下降的趋势,下降速率为17.5℃·d/10a,通过了0.01水平的显著性检验。从图1(a)中可发现,1969年HDD最大,达346℃·d;次大值出现在1984年,达300℃·d。最小值出现在2007年,HDD仅为77℃·d,次小值出现在1999年,为84℃·d。HDD在20世纪60年代中期为上升趋势,进入80年代后转为下降趋势,1961—2007年区域HDD多年平均为174℃·d。HDD值大表明取暖季节气温低,消耗的能源多;反之,HDD值小表明取暖季节气温高,消耗的能源就少。3.1.2cdd的年际变化图1(b)给出了1961—2007年华中区域CDD的逐年变化曲线。从图1(b)中可以发现,华中区域1961年的CDD最大,达到220℃·d;次大值出现在1967年(205℃·d)。CDD最小值出现在1993年,仅为89℃·d;次小值出现在1980年,为90℃·d。1961—2007年华中区域CDD的多年平均值为147℃·d。CDD值大表明降温季节气温高,空调制冷需要消耗的能源就多;反之,CDD值小,空调制冷需要消耗的能源就少。20世纪60年代以来,区域CDD呈现波动变化,其中70年代中期、80年代前期、90年代中期为相对的低值期,60年代为相对高值期;进入21世纪后,CDD呈逐步上升的趋势。1961—2007年华中区域的CDD微弱下降(下降速率为1.9℃·d/10a),变化趋势不显著,这一变化特征与区域暖季增温速率仅为0.07℃/10a关系密切。3.2日常空间分布3.2.1u3000全国大部地区hdd的年、月图2(a)给出了1961—2007年华中区域多年平均HDD空间分布。从图2(a)中可以看出,HDD空间分布特征基本上呈现由河南向湖南递减趋势;河南、湖北HDD纬向分布明显,湖南分布比较均匀,受地形的影响明显,湖南东部的等值线较西部密集。河南HDD基本在250~400℃·d,其中河南西部出现高值区,年均达450℃·d;河南HDD减小趋势最显著,变化速率在-22.7~-35.9℃·d/10a。湖北HDD基本在100~200℃·d,其中西南部出现相对高值区,年均HDD在150~250℃·d,该区域的减小速率高出周围地区15.0℃·d/10a。湖南的HDD相对最小,大部地区年均HDD在50~100℃·d,但东部较大,年均值达到120~200℃·d,这与该区域海拔较高有关;同时湖南HDD减少趋势最小,变化速率在-9.9~-17.0℃·d/10a。3.2.2cdd的空间分布特征图2(b)给出了1961—2007年华中区域多年平均CDD空间分布。从图2(b)中可以看出,区域CDD基本上与HDD呈相反的变化特征,即由河南向湖南呈递增趋势,区域内CDD东部高于中西部地区;纬向分布的特征不显著,受地形的影响明显,各省局部出现低值。河南北部多年平均CDD在100~120℃·d,呈现减少趋势,变化速率在6.3~19.5℃·d/10a;而河南中部以及湖北西部CDD呈增加趋势,变化速率在3.9~22.8℃·d/10a。湖北和湖南两省的中、东部地区CDD较大,在170~220℃·d,但这一区域的CDD呈减少趋势,减小幅度在2.3~13.9℃·d/10a;湖南东南部出现一个大值区,CDD达到250℃·d,与该区域海拔较低有关,该区域CDD呈增加趋势,变化幅度在2.0~10.1℃·d/10a。3.3hdd和cdd的平均温度之比3.3.1dd与暖季平均气温的相关性考虑到气候变暖背景下,华中区域冬季和夏季气温变化的非对称性,分析了HDD同冷季平均气温、CDD同暖季平均气温的变化特点,发现HDD与冷季平均气温的相关系数为-0.81,CDD与暖季平均气温的相关系数为0.74,相关性均很显著,通过了0.001水平的显著性检验。相关分析表明,HDD与冷季平均气温具有明显的反位相变化,而CDD与暖季平均气温具有明显的同位相变化,这与谢庄等的研究结论一致。同时还发现,年HDD最大值出现在1969年(346℃·d),正好对应华中区域冷季的最冷年,该年平均气温仅为7.2℃;CDD最小值出现在1993年(89℃·d),正好对应华中区域暖季的最冷年,该年平均气温仅为22.8℃。3.3.2hdd、cdd与平均气温年代际变化从图3可以看出,20世纪80年代以后华中区域的平均气温明显升高,冷季的平均气温从8.2℃升高到9.4℃,暖季的平均气温从23.0℃升高到23.6℃,增暖趋势均显著。HDD呈现明显的下降趋势,从187.6℃·d下降到138.9℃·d,而CDD从135.2℃·d上升到163.1℃·d。因此,HDD与冷季平均气温年代际变化呈反位相,而CDD与暖季平均气温呈同位相年代际变化。这表明HDD、CDD与平均气温年代际变化同HDD、CDD与平均气温逐年变化特征一致。综上所述,华中区域年际、年代际的HDD与对应时段的平均气温呈反位相变化,随着气候变暖,尤其是冬季,华中区域HDD将变小,即冷季用于供暖的能源将减少;年际、年代际的CDD与对应时段的平均气温具有同位相变化,暖季空调制冷等所需的能源消耗将不断增加。4cdd的空间变化特征(1)1961—2007年华中区域的HDD总体呈显著下降的趋势;而CDD呈微弱的下降,这与暖季较小增温速率有关。年代际变化具有不同的特点,HDD在20世纪60年代中期为上升趋势,80年代后转为下降。CDD在20世纪70年代中期、80年代前期、90年代中期为相对的低值期,60年代为相对高值期;进入21世纪后,CDD呈逐步上升的趋势。(2)从空间分布特征看,HDD由河南向湖南基本上呈现递减的趋势;CDD与HDD呈相反的变化趋势,为由河南向湖南递增的变化特征。河南、湖北HDD纬