陽泉地區(qū)熱度日和冷度日變化

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(山西省陽泉市氣象局，山西 陽泉 045000)

1 引言

近百年來全球氣候變暖已成事實(shí)，氣候變化對采暖和降溫耗能的影響引起了越來越多的關(guān)注。由于氣溫的空間分布及時(shí)間變化的差異，不同地區(qū)不同時(shí)期采暖和降溫需求也大不相同。相關(guān)專家研究了北京、河南、新疆、山東等地區(qū)度日數(shù)的變化特征［1－4］，為當(dāng)?shù)啬茉凑叩闹贫ǖ确矫嫣峁┝丝茖W(xué)依據(jù)。山西省陽泉市處于太行山脈，轄區(qū)有三區(qū)兩縣，是能源重工業(yè)城市，從2000年開始陽泉市政府為了打造宜居城市，治理了桃河，關(guān)閉了污染企業(yè)，環(huán)境有了明顯提升，氣候變暖也有所緩解。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，對能源的需求亦日益增加。在全球氣候變暖背景下，利用陽泉市1955—2011年逐日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫以及平定縣、盂縣1972—2011年逐日平均氣溫等資料，分析計(jì)算采暖度日和降溫度日與年平均氣溫關(guān)系的變化特征，為山西省陽泉市由資源消耗型城市轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)能型城市發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，在滿足舒適標(biāo)準(zhǔn)的前提下，合理節(jié)約采暖、空調(diào)能耗，為政府和相關(guān)部門應(yīng)對氣候變化，以達(dá)到節(jié)能降耗等決策提供主要依據(jù)。

2 度日的定義

許多學(xué)者將度日分析法作為研究溫度和能源關(guān)系的基本方法，該方法廣泛運(yùn)用于氣候變化和能源需求研究應(yīng)用領(lǐng)域［5］。度日是指某一時(shí)期內(nèi)大于或者小于某一個(gè)界限溫度的平均溫度的總和。度日又分為兩種類型，即采暖供熱度日(簡稱熱度日HDD)和制冷降溫度日(簡稱冷度日CDD)。HDD 是冬季對寒冷程度的估計(jì)，也是采暖能量消耗的一個(gè)定量指標(biāo)，HDD 增大，說明冬季氣溫降低，則采暖能耗增加。反之，CDD 是夏季高溫程度的一種描述，也是夏季用于空調(diào)制冷的能源消耗的一個(gè)定量估計(jì)。CDD 增大，夏季氣溫升高，則空調(diào)能耗增加。實(shí)際上度日就是指日平均溫度與規(guī)定的閾值溫度的實(shí)際離差［5］。

閾值溫度是為了統(tǒng)計(jì)需要而人為規(guī)定的一個(gè)參考溫度，根據(jù)能源供應(yīng)、人體生理需求、經(jīng)濟(jì)水平和溫度變化特點(diǎn)選取適合的參考溫度。一般認(rèn)為18 ℃是人體的最舒適溫度，山西省陽泉市有關(guān)部門規(guī)定:在供暖季節(jié)陽泉市室內(nèi)溫度應(yīng)保持在18 ℃，不得低于16 ℃。所以取18℃作為陽泉的閥值溫度。由熱度日和冷度日的定義可以看出，熱度日可以定量估計(jì)冬季供暖的能耗，HDD 增大，冬季氣溫降低，則采暖能耗增加;而冷度日則是空調(diào)制冷能源消耗的一個(gè)定量估計(jì)，CDD 增大，夏季氣溫升高，則空調(diào)能耗增加。

3 資料和方法

3.1 資料的選取

根據(jù)陽泉市1955—2011年共57 a 各月平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的平均值的特征變化［6］(表1)的對比分析，確定選用日最高氣溫和日最低氣溫的平均值進(jìn)行后面的研究分析。由于平定縣建站于1972年，為使資料統(tǒng)一，在下面研究陽泉地區(qū)度日數(shù)的空間分布時(shí)，將3 站的資料選取統(tǒng)一為1972年1月1日—2011年的12月31日。根據(jù)陽泉地區(qū)3個(gè)氣象觀測站1972—2011年共40 a月平均變化特征(表2)，定義陽泉市、平定縣HDD 的取值為10月—次年4月，CDD 為5—9月;盂縣HDD 的取值為9月—次年5月，CDD 的取值為6—8月，由于5月、9月均處于HDD 和CDD 邊緣，為了更能說明問題，3個(gè)站點(diǎn)5月、9月都進(jìn)行HDD 和CDD 分析。

表1 陽泉市1955—2011年月平均氣溫分布 (單位:℃)

表2 陽泉市、平定縣、孟縣1972—2011年逐月平均溫度分布 (單位:℃)

3.2 度日的計(jì)算方法

利用陽泉市1955—2011年逐日最高、最低氣溫的平均值做為當(dāng)日的平均溫度，將閥值(18℃)減去平均值，計(jì)算出當(dāng)日平均溫度，取絕對值得到逐日的HDD，即日HDD 是當(dāng)日溫度提高到18℃所需加熱升高的溫度。同樣，CDD 則是將當(dāng)日的平均溫度減去閥值(18℃)，得到當(dāng)日的CDD，即日CDD 是當(dāng)日溫度降低到18℃所需空調(diào)制冷的溫度。

4 結(jié)果分析

4.1 陽泉市HDD、CDD月變化特征

由圖1a 看出，陽泉市1月HDD 最大，達(dá)646.2度日;其次是12月，為583.0 度日;以4月最小，為138.9 度日;10月次小，為166.1 度日。由此可見，陽泉市冬季1月和12月份供暖的能耗為最大。由圖1b 看出，陽泉市CDD 以7月最大，為206.8 度日;7月次之，為157.1 度日;以9月最小，為11.1 度日。由此可知，陽泉市夏季空調(diào)制冷能源消耗以7月和8月為最多。

4.2 陽泉市HDD、CDD 的年變化特征

4.2.1 HDD 變化特征 由圖2a 看出，HDD年際變化較大，有明顯的下降趨勢，下降速率為7.87 度日/a。年HDD 平均值為2 810.5 度日;最大值為3 243.1度日，出現(xiàn)在1956年;次大值為3 229.3 度日，出現(xiàn)在1969年;最小值出現(xiàn)在1999年，為2 424.3度日;次小值是1998年，為2 427.3 度日。最大值與最小值相差818.8 度日。從5 a 滑動(dòng)平均采暖度日可以看出，采暖度日20世紀(jì)在50—70年代初期是個(gè)緩慢上升趨勢，70年代初期—中期經(jīng)過一個(gè)快速下降的過程后，70年代中期—80年代中期緩慢下降，其變化趨勢不太明顯，但在80年代中期至今，其下降趨勢非常顯著(α=0.01);由此可知，1987—2011年陽泉市的平均采暖度日呈現(xiàn)顯著下降趨勢。

圖1 陽泉市1955—2011年的月HDD(a)和月CDD(b)的逐月變化趨勢

圖2 陽泉市1955—2011年HDD年變化趨勢(a)和累積距平(b )曲線

由圖2b 看出，采暖度日相對于多年平均值2 810.5度日而言，57 a 來，HDD 變化明顯分為2個(gè)階段:1958—1986年為累積距平增大階段，屬于偏多期，階段平均值比多年平均值偏多113.5 度日，其中75%的年份為正距平;1987—2011年為累積距平減小階段，屬偏少期，階段平均值比多年平均值偏少155.4 度日，有88%的年份為負(fù)距平。由此可見，近20a 陽泉市冬季供暖消耗的能源呈減少趨勢。

4.2.2 CDD 變化特征 由圖3a 看出，降溫度日年際變化亦較大，但不如年HDD 那么顯著，上升數(shù)率2.52 度日/a。年CDD 平均值為569.3 度日，以1998年的758.8 度日為最大，次大是1999年的739.3 度日，以1976年的385.4 度日為最小值，1979年的409.9 度日為次小。最大值與最小值之間相差373.4 度日。從5 a 滑動(dòng)平均降溫度日看出，降溫度日呈現(xiàn)波動(dòng)上升的變化特點(diǎn)，在20世紀(jì)50年代中期—90年代中期緩慢上升，變化不顯著，但在70年中期—80年代初期有短暫下降趨勢后又迅速恢復(fù)上升趨勢，突變期出現(xiàn)在90年代中期;90年中期—2011年上升趨勢十分顯著。由此可見，1996—2011年陽泉市的平均降溫度日呈現(xiàn)顯著上升趨勢。

由圖3b 看出，降溫度日相對于多年平均值569.3 度日而言，57a 來，CDD 變化明顯分為2個(gè)階段:1955—1996年為年CDD 累積距平減小階段，屬偏少期，階段平均值比多年平均值偏少39.9 度日，其中71.4%的年份為負(fù)距平;1997—2011年為累積距平增大階段，屬偏多期，階段平均值比多年平均值偏多86.3 度日，其中66.7%的年份為正距平。由此可知，1997年后空調(diào)制冷需要消耗的能源明顯增大。

圖3 陽泉市1955—2011年CDD年變化趨勢(a)和累積距平(b )曲線

4.2.2 HDD 與CDD 比較 由表3 看出，HDD 度日的極小值和CDD 度日的極大值均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年后期，HDD 度日和CDD 度日多年變化符合山西省陽泉市氣溫增溫速率特點(diǎn)，這與陽泉市年平均氣溫呈上升趨、且90年代后期升溫明顯的事實(shí)基本一致;HDD 下降、CDD 增大均反映出氣候變暖的特點(diǎn)。

表3 陽泉市HDD 度日和CDD 度日的年際變化極值情況

圖4 陽泉市1955-2011年HDD（a）和CDD（b）年代際變化趨勢

由圖4 看出，陽泉市從20世紀(jì)70年代初期至2011年平均氣溫呈顯著升高趨勢，即從11.2℃上升到12.5℃，上升幅度為10.4%，近10 a 氣溫呈現(xiàn)出緩慢升溫趨勢。由圖4a 看出，HDD年際變化從20世紀(jì)70年代初期一直呈下降趨勢，即從2 972 度日下降到2 628 度日，下降幅度為13.1%，其氣候傾向率為－74.87度日/10 a;近20 a 來，HDD 下降幅度達(dá)到94.4 度日/10 a，HDD年際變化與平均氣溫年際變化呈反位相，表明陽泉市近20 a 冬季氣候變暖趨勢明顯。由圖4b 看出，年際CDD 從20世紀(jì)70年代初期—20世紀(jì)末期呈升高趨勢，其值從552 度日上升637 度日，上升幅度為13.3%，其氣候傾向率為20.87度日/10 a，其變化趨勢與年代際平均氣溫基本一致;CDD年際變化趨勢與平均氣溫年際變化呈同位相。4.2.3 陽泉市HDD 和CDD 與氣溫的關(guān)系 由表4可以看出，陽泉市57 a 的平均HDD 與年平均氣溫的線性相關(guān)最好，其相關(guān)系數(shù)為－0.94，通過α=0.01 顯著水平檢驗(yàn);其次是與年平均最低氣溫的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)為－0.88，通過α=0.01 顯著水平檢驗(yàn)，表明年平均HDD 與氣溫具有明顯的反位相變化趨勢。年平均CDD 與年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的相關(guān)系數(shù)均低于相應(yīng)的HDD的相關(guān)系數(shù)絕對值，但CDD 相關(guān)性均通過α=0.01顯著水平檢驗(yàn)，表明年平均CDD 與氣溫具有明顯的同位相變化趨勢。

表4 陽泉市1955—2011年平均HDD 和CDD 與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)

5 陽泉各市、縣HDD 和CDD 分析

5.1 平均月HDD 和CDD 比較

為了分析陽泉市、縣HDD 和CDD 的城市與郊區(qū)的差異，分別取陽泉市、平定縣、盂縣氣象站(1972—2011年)的逐日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算得出3站各月HDD 和各月CDD，以及HDD 和CDD 的極值及出現(xiàn)年份(表5、表6)。HDD 度日的極小值和CDD 度日的極大值均出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代末。

表5 陽泉地區(qū)3個(gè)站點(diǎn)HDD 度日極值及其出現(xiàn)年份

表6 陽泉地區(qū)3個(gè)站點(diǎn)CDD 度日極值及其出現(xiàn)年份

由于城市熱島效應(yīng)的作用，離市區(qū)較遠(yuǎn)的盂縣與市區(qū)的HDD 和CDD 差別較大，而與離市區(qū)較近的平定縣則與市區(qū)的差別較小。市區(qū)與盂縣的HDD 極小值相差509.1 度日，市區(qū)與平定縣相差383.4 度日;市區(qū)與盂縣的CDD 極大值相差315.0度日，市區(qū)與平定縣相差64.0 度日。

5.2 陽泉各市、縣HDD、CDD 空間分布特征

由圖5a 看出，陽泉各市、縣HDD 度日多年平均值在392.4～466.0 之間，平定縣和盂縣大，市區(qū)小，表明市區(qū)溫度高，采暖需求小，需要消耗的能源少。由圖5b 看出，CDD 度日多年平均值在56.6～107.0之間，市區(qū)大，平定縣和盂縣小，表明市區(qū)溫度高，降溫需求大，空調(diào)制冷需要消耗的能源多。由圖5還可以看出，5月、9月的HDD 只有盂縣為正值，市區(qū)和平定縣的HDD 均為0;但CDD 則相反，市區(qū)、平定縣為正，盂縣為0。由此可知，市區(qū)與郊區(qū)在同一季節(jié)所耗費(fèi)的能源不同。

圖5 1972-2011年陽泉各市、縣平均月HDD（a）、CDD（b）逐月變化趨勢

5.3 陽泉各市、縣HDD、CDD年代際變化特征

由圖6a 看出，陽泉各市、縣HDD年代際變化總體呈下降趨勢，但近10 a，平定縣、盂縣HDD 呈略有上升趨勢。由圖6b 看出，陽泉各市、縣CDD年代際變化總體呈上升趨勢，但10 a，各市、縣CDD 呈略有下降趨勢，尤為平定縣CDD 下降明顯。這與近10 a年陽泉市政府加大環(huán)境治理，關(guān)停小煤礦有關(guān)。由圖6 還可以看出，平定縣與市區(qū)的HDD 和CDD 變化趨勢基本一致，而盂縣由于地理環(huán)境等多因素，HDD 和CDD年代際變化趨勢與市區(qū)、平定縣大致相同，但數(shù)值相差較大。

圖6 1972—2011年陽泉各市、縣HDD(a)和CDD(b)年代際變化趨勢

6 結(jié)論

①陽泉市HDD、CDD月變化顯著，1月HDD 最大，4月最小;CDD 是7月最大，9月最小。

②陽泉市56 a 來，HDD 呈下降趨勢，表明陽泉冬季供暖消耗的能源有減少的趨勢;尤其是二十世紀(jì)80年代后期HDD 下降趨勢明顯加快，表明其冬季溫度呈上升趨勢。CDD 變化趨勢則相反，二十世紀(jì)80年代上升趨勢明顯，表明陽泉夏季溫度呈升高趨勢，夏季空調(diào)制冷能耗呈增多趨勢。

③陽泉市HDD 和CDD年際變化均存在突變現(xiàn)象，HDD 的突變點(diǎn)發(fā)生在1986年，而CDD 突變點(diǎn)發(fā)生在1996年，與陽泉?dú)鉁赝蛔凕c(diǎn)接近。HDD 和CDD 與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)均較高(α=0.01)，HDD年代際與氣溫具有明顯的反位相變化趨勢，但CDD年代際與氣溫具有明顯的同位相變化趨勢。

④HDD 度日以市區(qū)小、平定縣和盂縣大，表明市區(qū)溫度高，冬季采暖需求小，需要消耗的能源少;CDD 度日以市區(qū)大、平定縣和盂縣小，表明市區(qū)夏季降溫需求大，空調(diào)制冷需要消耗的能源多。

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