黑龍江省50 a來度日的時空分布特征

孫 爽，王春華，裴宇航

（1.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省大氣探測技術(shù)保障中心，黑龍江 哈爾濱150030）

黑龍江省50 a來度日的時空分布特征

孫 爽1，王春華1，裴宇航2

（1.黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030；2.黑龍江省大氣探測技術(shù)保障中心，黑龍江 哈爾濱150030）

選用黑龍江省經(jīng)過均一性檢驗的59個臺站1961-2010年逐日最高、最低氣溫計算全省逐年熱度日（HDD）、冷度日（CDD），分析其趨勢及年代際和空間分布特征。結(jié)果表明：50 a來HDD總體呈顯著的下降趨勢，CDD整體表現(xiàn)為顯著上升趨勢。HDD基本上呈現(xiàn)由北向南遞減趨勢，CDD與HDD呈相反的變化特征，二者緯向分布明顯。HDD與CDD均與對應時段平均氣溫具有較高的相關(guān)性，HDD與冷季平均氣溫呈反位相變化，CDD同暖季平均氣溫呈同位相變化。隨著氣候變暖，冷季用于供暖的能源將減少，暖季制冷所需的能源消耗將不斷增加。

熱度日；冷度日；基礎(chǔ)溫度

1 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，采暖、空調(diào)的能耗占總能耗的比例呈上升趨勢，目前，中國采暖、空調(diào)耗能已占全國能源消耗總量的27.6%[1]。城市的取暖耗能和降溫耗能與氣溫關(guān)系密切。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，常規(guī)的氣溫表征形式往往不能滿足需求，從而各種與氣溫有關(guān)的參數(shù)應運而生。其中度日（degree-day）是一個基本的設(shè)計參數(shù)，在很多應用領(lǐng)域如發(fā)電和耗電業(yè)、環(huán)境能源計劃、軍事、保險業(yè)等均要求使用該參數(shù)[2]，人民生活中也廣泛應用該參數(shù)。國外開展度日研究較早，如Thom于20世紀50年代初首次用度日法探討了美國能源消費和氣溫的關(guān)系[3]。目前美國氣象部門在一些網(wǎng)站上公布逐日的度日值[4]，人們可根據(jù)發(fā)布的各地度日值，統(tǒng)計某一期間10 d、1個月或1 a的度日總和及相應消耗的總能源來預計未來能源的消耗情況，比較不同城市能源消耗情況。在國內(nèi)，上海市氣候中心首先采用度日作為衡量上海市夏季降溫和冬季取暖的指標，中國許多學者[5-13]也進行了相關(guān)研究。但總體而言，已有的研究比較零散，目前國內(nèi)尚未系統(tǒng)地開展這項研究。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，對能源需求的日益增加，能源及有關(guān)規(guī)劃決策部門即將使用度日資料，以比較國內(nèi)外用于供暖和空調(diào)制冷的能源需求狀況和未來發(fā)展趨勢。

2 資料和方法

本文選取通過均一化檢驗[14]的黑龍江省59個臺站1961-2010年逐日最高和最低氣溫作為基礎(chǔ)資料，分析黑龍江度日的時、空變化特征。

本文應用的是度日分析法。度日可分為兩種類型：熱度日(heating degree— day，HDD)和冷度日 (cooling degree— day，CDD)。熱度日即一段時間內(nèi)日平均氣溫低于基礎(chǔ)氣溫的累積度數(shù)，熱度日值越大，表示氣溫越低 ，如果日平均氣溫高于該基礎(chǔ)氣溫，那么這一天的熱度日為零。冷度日與熱度日相反，指日平均氣溫高于基礎(chǔ)氣溫的累積度數(shù)，冷度日值越大，表示氣溫越高，若日平均氣溫低于基礎(chǔ)氣溫，則無冷度日。

某一年的度日數(shù)計算如下：

目前人們一般認為18℃是人體的最舒適氣溫，并且根據(jù)黑龍江省2009年10月發(fā)布的《黑龍江省城市供熱條例》，“在供熱期限內(nèi)，供熱單位應當保證居民居室內(nèi)氣溫不低于18℃”，所以本文選取18℃作為黑龍江省的基礎(chǔ)氣溫。

HDD是冷季取暖耗能的一個定量指標。年HDD一般定義每年冷季(10月一次年4月)各月HDD之和。考慮其他行業(yè)與HDD的關(guān)系密切加之黑龍江省特點，將年HDD定義為1—4月與10—l2月HDD之和。年CDD則定義為5—9月CDD之和，即CDD是暖季高溫程度的一種描述，也是夏季降溫耗能的一個定量估計。綜上所述，HDD和CDD實際上是一種客觀反映能源需求狀態(tài)的熱量單位。

因為氣象部門往往只發(fā)布日最高和日最低氣溫，所以根據(jù)Zalom[15]等提供的算法，用日最高氣溫與日最低氣溫的平均值來代替日平均氣溫，將其與基礎(chǔ)氣溫代入前面公式計算就可以得到該日的HDD或CDD。

3 度日分析

3.1 時間變化

從圖1可看出，1961-2010年黑龍江省HDD總體呈下降的趨勢，與黑龍江省氣溫上升趨勢相反，下降速率為125.4℃·d/10 a,通過了0.01的顯著性檢驗。近年來，黑龍江省氣候變暖顯著，尤其是冬季的增溫超過其他季節(jié)，所以HDD的下降趨勢也十分明顯。同時可以看出，1969年的HDD值最大（6 113℃·d），次大值出現(xiàn)在 1965年（5 991℃·d），2007年的 HDD 最小 （4 886 ℃·d），次小值出現(xiàn)在1990年（4 921℃·d）。HDD值大表明供暖季節(jié)氣溫低，消耗的能源多；相反HDD值越小表明供暖期氣溫高，消耗的能源少。HDD多年平均值為5 435℃·d，與全國其他地區(qū)相比明顯偏大，這與黑龍江省所處的地理位置有關(guān)系。

從圖2可看出，CDD整體表現(xiàn)為上升趨勢，與近年來黑龍江省氣溫上升趨勢相同，上升速率為28.5℃·d/10 a，通過了0.01的顯著性檢驗。CDD的多年平均值為275℃·d。2010年的CDD值最大(449℃·d)，次大值出現(xiàn)在2000年 （429℃·d）。CDD最小值出現(xiàn)在1971年 （165℃·d），1976年的CDD為次小值（1976℃·d）。CDD值大表明夏季氣溫高，空調(diào)或者風扇制冷需要消耗的能源多。

圖1 黑龍江省1961-2010年HDD逐年變化

圖2 黑龍江省1961-2010年CDD逐年變化

3.2 空間變化

從圖3a中可看出，HDD的空間分布基本上呈現(xiàn)由北向南遞減趨勢，緯向分布比較明顯。大興安嶺北部地區(qū)的HDD最大，平均為6 400～7 220℃·d；黑河大部以及伊春北部地區(qū)的HDD次之，平均為6 000～6 400℃·d；松嫩平原大部、三江平原東部和西北部地區(qū)的HDD偏小，平均為5 200～6 000℃·d；牡丹江大部以及三江平原西南部地區(qū)的HDD最小，平均為4 400～5 200℃·d。

從圖3b可看出,黑龍江省幾乎全部地區(qū)的多年平均HDD均呈減小趨勢，且均通過了0.05的顯著性檢驗，各地區(qū)減小非常明顯。其中伊春最北部地區(qū)的HDD減小最明顯，趨勢系數(shù)<-0.62，速率為124～177℃·d/10 a；大興安嶺東北部、黑河東南部、伊春北部、齊齊哈爾南部和大慶交界處、綏化東部以及牡丹江南部地區(qū)的減小也較明顯，趨勢系數(shù)<-0.54，減小速率為98～150℃·d/10 a；三江平原西北部的HDD減小最弱，近50 a平均減小61℃·d/10 a。

圖3 黑龍江省1961-2010年CDD空間分布和空間趨勢變化圖

從圖4a中可看出，CDD的空間分布基本上呈現(xiàn)由北向南遞增趨勢，緯向分布比較明顯。齊齊哈爾西南部、大慶南部和哈爾濱西部地區(qū)的CDD最大，平均為360～460℃·d；松嫩平原大部、黑龍江省南部以及東部地區(qū)的CDD次之，平均為220～360℃·d；大興安嶺北部和黑河的孫吳地區(qū)的CDD最小，平均為80～150℃·d。

從圖4b中可看出，黑龍江省幾乎全部地區(qū)的多年平均CDD均呈增加趨勢，且?guī)缀跞客ㄟ^了0.05的顯著性檢驗，各地區(qū)增加非常明顯。其中黑河中部、齊齊哈爾西部以及伊春北部地區(qū)的CDD增加最明顯，趨勢系數(shù)超過0.66，速率為28～40℃·d/10 a；大興安嶺北部、伊春南部、大慶東部、綏化西部、哈爾濱西北部、牡丹江部分地區(qū)以及三江平原大部的CDD減小最弱，趨勢系數(shù)為0.26～0.46，近50 a平均增加19℃·d/10 a；其他地區(qū)的增加速率平均為 19℃·d/10 a。

3.3 年HDD、CDD與平均氣溫的關(guān)系

圖4 黑龍江省1961-2010年CDD空間分布和空間趨勢變化圖

3.3.1 年際HDD、CDD與平均氣溫的關(guān)系

從表1可看出，HDD與對應冷季的平均氣溫、平均最低氣溫和年平均氣溫相關(guān)性尤其好，均超過了0.001的顯著性檢驗，其中與冷季平均氣溫具有最明顯的反位相關(guān)系，HDD 最大值出現(xiàn)在 1969年（6 113℃·d），而 1969年對應冷季的平均氣溫也為歷史最低值(-10.4℃)。CDD則與對應暖季的平均氣溫、平均最低氣溫和平均最高氣溫相關(guān)性明顯，也均超過了0.001的顯著性檢驗，CDD與暖季的平均氣溫具有最明顯的同位相關(guān)系，CDD的最小值出現(xiàn)在1971年（165℃·d），對應暖季的平均氣溫為歷史第三低值(16.8℃)。表1說明HDD、CDD均與對應時間段的平均氣溫有最為明顯的關(guān)聯(lián)，對應時段平均氣溫的變化在很大程度上決定了HDD、CDD的變化。

表1 HDD、CDD與不同平均氣溫之間的相關(guān)系數(shù)

3.3.2 年代際HDD、CDD與對應時段平均氣溫的關(guān)系

從圖5可看出，冷季從20世紀70年代開始平均氣溫明顯升高，從-8.5℃上升到-7.0℃；暖季從80年代開始平均氣溫顯著升高，從17.5℃升高到18.4℃，增暖趨勢均顯著。HDD呈明顯的下降趨勢，從5 733℃·d下降到5 241℃·d，而CDD從226℃·d上升到327℃·d。 因此HDD與冷季平均氣溫年代際變化呈反位相變化，CDD與暖季平均氣溫年代際變化呈同位相變化，這與HDD、CDD同對應時段平均氣溫的年際變化特征一致。

圖5 1961-2010年平均HDD、CDD及對應時段平均氣溫年代際變化

綜上所述，黑龍江省年際、年代際的HDD與對應時段的平均氣溫呈反位相關(guān)系，隨著氣候變暖，尤其是冬季，HDD將繼續(xù)變小，即冷季用于供暖的能源將減少；年際、年代際的CDD與對應時段的平均氣溫具有同位相變化，暖季空調(diào)、風扇等制冷所需的能源消耗將不斷增加。

4 結(jié)論

（1）1961-2010年黑龍江省HDD總體呈顯著的下降趨勢，與黑龍江省氣溫上升趨勢相反；CDD整體表現(xiàn)為顯著上升趨勢，與近年來黑龍江省氣溫上升趨勢相同。HDD的年代際變化在20世紀60年代有微弱的上升趨勢，70-90年代轉(zhuǎn)為明顯的上升趨勢，2000年代則波動較小、變化不明顯。CDD在20世紀60-70年代有微弱的上升趨勢，80年代以后上升顯著。

（2）從空間分布來看，HDD和CDD均緯向分布明顯，且二者呈相反的變化趨勢，HDD的分布基本上呈由北向南遞減趨勢，CDD的分布則基本上呈由北向南遞增趨勢。

（3）HDD同冷季平均氣溫、CDD同暖季平均氣溫的相關(guān)性最顯著，HDD與冷季平均氣溫呈反位相變化，CDD同暖季平均氣溫呈同位相變化；年HDD最大值對應冷季平均氣溫最低值，年CDD最小值出現(xiàn)在暖季第三冷年。

（4）隨著氣候變暖，冷季用于供暖的能源將減少，暖季空調(diào)、風扇等制冷所需的能源消耗將不斷增加。

[1]李永安，常靜，戎衛(wèi)國，等.山東省采暖空調(diào)度日數(shù)及其分布特征[J].可再生能源，2006，2：13-15.

[2]Kadioglu M,Zekai A.Degerr-day formulations and application in Turkey[J].Appl Meteor,1999,38(6):837-846.

[3]Thom H C S.Seasonal degerr-day statistics for the Unite States[J].Mon.Wea.Rev,1952,80(9):143-147.

[4]Williams J.Heating Degree Days.http://ww.usatoday.com/weather/resous/ask jack/wask days.htm.

[5]吳息，繆啟龍，顧顯躍，等.氣候變化對長江三角洲地區(qū)工業(yè)及能源的影響分析[J].南京氣象學院學報，1999,22(增刊):541-546.

[6]陳峪，黃朝迎.氣候變化對能源需求的影響[J].地理學報,2000,55(增刊):11-19.

[7]付光軒.河南采暖氣候條件的變化及其節(jié)能環(huán)保效應［J］ .鄭州紡織工學院學報，2001,12(4):65-78.

[8]袁順全，千懷遂.氣候?qū)δ茉聪M影響的測度指標及計算方法[J].資源科學,2004,26(6)：125-130.

[9]龐文保，劉宇，張海東.氣候變暖與西安市冬季取暖的能源消耗分析[J].氣候變化研究進展,2007,3(1)：220-223.

[10]謝莊,蘇德斌,虞海燕,等.北京地區(qū)熱度日和冷度日的變化特征[J].應用氣象學報,2007,18(2):232-236.

[11]任用建,劉敏,陳正洪,等.華中區(qū)域取暖降溫度日的年代際及空間變化特征[J].氣候變化研究進展，2010,6（6）424-428.

[12]郝全成,孫周軍.近57 a廣東地區(qū)度日分布及變化特征分析[J].熱帶氣象學報,2010,26(2):223-226.

[13]張海東，張昕璇 ，孫照渤,等.中國近5 0 a來度日變化的研究[J].大氣科學學報，2010,33（5）：593-599.

[14]Alexandersson H.A Homogeneity test applied to precip itation data[J].J.Climatol.,1986,6（6）:661-675.

[15]Zalom F G,Goodell P B,Wlison L T.Degree-days:The Calculation and Use of heat Units in Pest Management[M].Division of Agriculture and Natural Resources,University of California,1972:1-11.

Temporal and spatial variation characteristics of Degree-Days in Heilongjiang province in the past 50 years

SUN Shuang1,WANG Chun-hua1，PEI Yu-hang2
(1.Climate Center of Heilongjiang Province,Heilongjiang Harbin 150030；2.Heilongjiang Meteorological Observation and Technical Support Center,Heilongjiang Harbin 150030)

The data of daily maximum and minimum temperature which was from 59 stations and passed the homogeneity test was selected.Based on the data from 1961-2010,the Degree-Days were calculated to analyze their temporal and spatial distribution.The results showed that the HDD was reduced significantly and the CDD was increased significantly in the past 50 years.Spatially,the HDD appeared a decrease trend from north to south in Heilongjiang,while the CDD showed an opposite variation characteristics.They both had significant latitudinal distribution.The HDD and CDD were highly correlated with the corresponding period average temperature,the HDD changed in an opposite phase with the mean temperature of the cold season,while the CDD changed in a same phase with the mean temperature of the warm season.With the climate warming in Heilongjiang province,the energy consumption in cold season decrease,while,the energy consumption in warm season increase.

Heating degree days;Cooling degree days;Threshold temperature

P423.3

A

1002-252X(2012)02-0001-04

2012-2-1

孫爽（1984-），女，黑龍江省哈爾濱市人，哈爾濱師范大學，本科生，助理工程師.