基于气候趋势系数的采暖期气温变化特征分析

基于气候趋势系数的采暖期气温变化特征分析

冬季采暖期及采暖影响因素如何在保证供暖质量的前提下有效节约能耗，减少污染是一个必须解决的问题。张家诚等研究了我国温度变化对冬季采暖期长度与强度的影响。周自江分析了我国冬季气温变化和采暖日数及采暖期度日的关系。张雪梅等分析了哈尔滨采暖期气温变化特征并利用均生函数模型进行采暖期预测。庞文保等对西安市冬季采暖气象条件和预报方法进行了研究。本文着重分析太原市50多年温度变化特征,并结合热力公司的供暖指标,进行节能效应的分析,为研究供暖节能温度预报方法奠定基础。1个月气温观测本文所用资料为山西省观象台1951~2003年地面观测记录的逐日气温。采暖初、终日及采暖期是依据国家采暖通风设计规范中关于采暖气候条件,即平均气温稳定小于等于5℃的标准计算求得。2采暖期平均气温变化特征2.1采暖期气温变化趋势应用气候趋势系数和气候倾向率来研究要素在气候变化中的长期趋势与升降定量程度。气候趋势系数rxy定义为n个年气候要素序列{x}与自然数列1,2,3,…,n之间相关系数(公式略)。根据太原市1951~2003年采暖期(11月至次年3月)平均气温资料,得出气候趋势系数:rxy=0.686,通过α=0.01的信度检验,气候倾向率为每10年0.48℃。表明太原市冬季采暖期的气温有明显升高趋势,平均气温每10年约上升0.48℃。统计太原53年采暖期平均气温并作图(图1)。可以发现,采暖期平均气温的变化具有明显的阶段性。偏冷阶段出现在20世纪50年代前中期和60年代中期到70年代初;相对偏暖的时段在70年代到80年代初,而从80年代后期至今持续偏暖。1988年之前,气温沿平均值线上下波动,自80年代末以来,平均气温持续升高,变幅也在加大。2.2立地条件分析用Mann-Kendall法对采暖期平均气温进行突变检测(图2)。由图可见,太原市的气温自20世纪50年代开始就呈现出有升有降的多个小幅波动,但并不明显。从50年代中期到70年代初期太原市的气温出现了明显的先升后降过程。70年代开始了持续的增温过程,到80年代末期这种增温趋势就已经达到95%的信度,升高趋势非常明显,并且到了21世纪初期仍表现为持续上升的态势。根据UF和UB曲线交叉及交叉点位置,可以确定平均气温存在突变,突变的具体时间在1988年。3供暖的初始、日常和日常形态的变化3.1采暖日期的确定国家采暖与通风设计规范规定,采暖气候条件为日平均气温稳定低于5℃。依据地面气候资料统计方法,结合太原市的实际情况,用5日滑动平均法统计,将日平均气温稳定通过5℃的终日作为采暖初日(小于等于5℃的初日),即日平均气温稳定通过5℃的初日作为采暖终日(小于等于5℃的终日)。按照以上方法统计,太原市1951~2003年期间,采暖初日平均为11月2日,终日平均为3月26日,初日最早出现在10月20日,最晚11月17日,相差28天;采暖终日最早出现于3月9日,最晚则到了4月13日,前后相差35天。太原市政府规定采暖初日是11月1日,采暖终日为3月31日。3.2采暖时间的变化从表1中可以看到,从50年代到80年代末,采暖初日是在逐年推后,由10月31日推至11月5日,平均推后了5天,90年代又出现提前。采暖终日的年际变化振荡较大,50~60年代及80年代推迟,70年代提前,到90年代明显提前。采暖天数总变化趋势是逐步缩短,每年都有振荡,从最长173天(1952年)到最短120天(2001年),相差达53天。3.3冬季采暖程度采暖能耗除与采暖期长短有关外,还与采暖强度有关。采暖强度一般采用日平均温度小于等于5℃的负积温即采暖期度日表示,采暖期度日可以较好地反映冬季的冷暖程度。统计结果表明,太原市1951~2003年期间,采暖度日存在明显的减少趋势,50年代平均值为1095℃,到90年代减少至843℃,相差252℃,减少了近1/4,80年代中期以来减少幅度尤其显著(见表1)。其中,采暖度日最大值为1330℃,出现在1967年,最小值为656℃,出现在1998年。采暖度日的变化趋势与全球气候变暖的结论是一致的。4节能效果分析供暖期间,供热系统的热负荷很大程度上取决于外界环境温度,可以充分利用外界环境温度变化规律,进行节能降耗与减排研究。4.1节约热量的计算太原热力公司目前设计使用的热指标为7.68kJ/(m2·h),即气温每相差1℃,单位面积供热量相差7.68kJ/(m2·h)。当平均温度升高1℃,减少供热量为Q,Q=7.68×供热时间×供热面积。目前太原市集中供热面积约为3000×104m2,固定采暖期为151天,每天按24h计算,则整个采暖季可节约热量值(单位GJ):Q=7.68×24×151×3000×104=834970GJ。按每吨低硫优质煤可产生23.7GJ热量计算,加上20%损耗,则一个采暖季可少烧煤42277t。按每吨优质煤含硫3kg,其中80%可转化为4.8kg的SO2计算,可减少排放SO2487t。按每吨煤产生5%的粉尘计算,能够减少粉尘2114t。4.2节约燃煤400t的计算计算正常供暖一天消耗的能量,即采暖期缩短一日效应,面积仍按照集中供暖面积3000×104m2计算,供热量Q:Q=7.68×24×3000×104=5529.6GJ。按照4.1节,的计算方法,减少供暖一天,可以节约燃煤280t,减少SO2排放3.2t,减少粉尘14t。需要说明的是,以上数据中采暖面积仅为热力公司集中供热面积,事实上,除集中供暖外,太原市还存在许多零散的小区供热,加上这些无法准确计算的供暖面积,数字会更加惊人。4.3日平均气温1010的日变化采暖能源消耗除与采暖期长短有关外,还与采暖期内温度高低有关,即采暖期间的能耗与这一期间的日平均气温小于等于5℃的负积温(度日)在相同技术条件下是成正比的。从上面的分析得知,采暖度日从50年代到90年代减少了近1/4,也就是说,用于采暖的能耗减少近1/4,同样污染物排放量也减少近1/4,这是非常惊人的数字。5采暖制度的发展(1)太原市50多年采暖期平均气温有升高趋势,每10年约上升0.48℃,并存在跃变现象,跃变时间为20世纪80年代末。(2)采暖初日在逐年推后,采暖终的年际变化振荡较大,90年代以来有明显提前趋势。采暖终日与采暖期平均气温存在负相关,采暖期在逐年缩短。(3)城市在冬季采暖节能方面具有很大潜力,节能