需求側氣象敏感用電量特征分析

陳 健，金 楊，葉延君，簡 單

（蘭溪市氣象局，浙江 蘭溪 321100）

0 引言

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提髙，浙江省用電需求也逐漸增大，供用電矛盾更加緊張，已成為浙江省經濟發展首位制約因素[1]。 近年來眾多學者研究結果表明各地氣象條件的變化與用電需求的關系越來越明顯[2-11]，其中盧珊等[7]指出電力負荷在季節和日尺度上與氣溫的關系十分顯著；陳海燕等[9]通過開展浙江盛夏降溫用電負荷評估模型研究指出：浙江盛夏降溫耗能（降溫度日數）年際波動大，浙北區降溫度日數略呈下降趨勢，浙西南區呈明顯下降趨勢，而浙沿海區則呈明顯上升趨勢；盛瓊等[10]指出湖州市不同月份不同氣象因子對用電量及最大用電負荷的影響各有不同；胡元等[11]指出溫州市日用電量與氣溫、天氣狀況、相對濕度等具有一定的相關性。為了規范的開展用電需求氣象條件等級預測和評價，中國氣象局頒布了中華人民共和國氣象行業標準，即QX/T 97-2008《用電需求氣象條件等級》[12]。 目前蘭溪市對用電需求氣象條件分析暫未開展，因此為更好地開展用電需求側氣象服務和評價，并對氣象行業標準進行本地化釋用，本文利用蘭溪市相關氣象資料，結合該氣象行業標準提出的氣象敏感用電量條件指數統計方法，計算蘭溪市國家氣象站逐日氣象敏感用電量條件指數，在此基礎上，采用Morlet 小波分析和Mann-Kendall 突變檢驗等方法[13]，對蘭溪市各等級氣象敏感用電量日數進行氣候特征分析。 對蘭溪市用電需求側氣象敏感用電量等級預測和電力調度提供依據，更好的開展用電需求側氣象服務和評價。

1 方法介紹

MSPI（氣象敏感用電量條件指數）是指與氣象敏感用電量相關的主要氣象要素及其綜合條件指數。 選取日平均氣溫T、日平均相對濕度U、日平均風速V、日最高氣溫Tmax、日最低氣溫Tmin等5 項氣象因子為日氣象敏感用電量條件指數等級的影響因子，氣象敏感用電量條件指數的不同變化范圍對應不同級別的用電量。

MSPI 計算公式如下：

氣象敏感用電量條件指數等級分為4 個等級（1 級—4 級），每一級的名稱、強度解釋、氣象敏感用電量條件指數范圍見表1。

2 蘭溪市氣象敏感用電量日數氣候特征分析

分析蘭溪市1960—2017 年歷年各級氣象敏感用電量日數及年平均各月不同級別氣象敏感用電量日數。 由圖1 可以看出，蘭溪市1 級低氣象敏感用電量日數在150～210 天之間，總體呈增加趨勢；2 級較高氣象敏感用電量日數在90～160天之間，總體呈減少趨勢；3 級高氣象敏感用電量日數普遍在30～60 天之間，總體呈略微減少趨勢；4 級尖峰氣象敏感用電量日數大都在30 天以下，總體呈平穩趨勢，個別年份沒有出現，但近年來有上升趨勢。 從歷年各級氣象敏感用電量日數變化趨勢可以看出，氣候變化總體對低敏感用電量日數的增加有利，但是隨著全球氣候變暖，近年來極端天氣的增加，影響了最高敏感用電量日數的增加。

圖1 蘭溪市各級氣象敏感用電量日數

由表2 可以看出，蘭溪市1 級低氣象敏感用電量日數較多的月份主要集中在3—6 月和9—11月，其中日數最多的出現在10 月，達29.8 天，4月次之，達28.5 天；2 級較高氣象敏感用電量日數較多的月份主要集中在1 月、2 月、12 月，均在20 天以上，其中日數最多的出現1 月，達27.3天；3 級高氣象敏感用電量日數較多的月份主要集中在7 月、8 月，均為15.9 天，6 月、9 月次之，分別為4.6 天和4.0 天；4 級尖峰氣象敏感用電量日數主要出現在7 月、8 月，分別為7.3 天和4.1 天，1—5 月和10—12 月4 級尖峰氣象敏感用電量日數均為0 天。 冬季（12 月、1 月、2 月）以2 級較高氣象敏感用電量日數為主，達70 天，占冬季日數的77.8%，說明冬季屬于較高氣象敏感用電量季節；春季（3—5 月）以1 級低氣象敏感用電量日數為主，達74.3 天，占春季日數的80.8%，說明春季屬于低氣象敏感用電量季節；夏季（6—8月）以3 級高氣象敏感用電量以上日數為主，達48.4 天，占夏季日數的52.6%，說明夏季屬于高氣象敏感用電量季節；秋季（9—11 月）以1 級低氣象敏感用電量日數為主，達72.3 天，占秋季日數的79.5%，說明秋季屬于低氣象敏感用電量季節。 其中4—5 月、10—11 月1 級低氣象敏感用電量日數均在25 天以上，且無4 級尖峰氣象敏感用電量日數出現，說明4—5 月、10—11 月屬于低氣象敏感用電量月份；7—8 月3 級高氣象敏感用電量以上日數均在20 天以上，說明7—8 月屬于高氣象敏感用電量月份。

表1 氣象敏感用電量條件指數等級的劃分

3 蘭溪市氣象敏感用電量日數的突變檢驗

由圖2（a）可見，自1972—2017 年，2 級較高氣象敏感用電量以下日數有一明顯的增加趨勢。1998 年后這種增加趨勢已穩定超過顯著性水平0.05 臨界線。 根據UF（標準正態分布）和UB（逆時間序列的標準正態分布）曲線交點的位置，確定2 級較高氣象敏感用電量以下日數在1972 年的增加是一突變現象。 在3 級高氣象敏感用電量以上日數的Mann-Kendall 檢驗曲線圖2（b）上，自1972—2017 年3 級高氣象敏感用電量以上日數有減少的趨勢。 2001 年后這種減少趨勢在顯著性水平0.05 臨界線徘徊，由其UB 與UF 曲線交點的位置，斷定減少在1972 年后發生了突變。 比較2級較高氣象敏感用電量以下日數增加趨勢和3 級高氣象敏感用電量以上日數減少趨勢，兩者均在1972 年后發生突變，2 級較高氣象敏感用電量以下日數增加趨勢更為顯著。

由圖2（c）可見，自1992—2017 年，1 級低氣象敏感用電量日數有一明顯的增加趨勢。 1999 年后這種增加趨勢已超過顯著性水平0.05 臨界線，2016 年甚至達到0.01 顯著性水平，表明1 級低氣象敏感用電量日數的增加趨勢明顯。 根據UF和UB 曲線交點的位置，確定1 級低氣象敏感用電量日數在1992 年的增加是一突變現象。

在4 級尖峰氣象敏感用電量日數的Mann-Kendall 檢驗曲線見圖2（d）上，自1962—2016 年4 級尖峰氣象敏感用電量日數有不顯著的減少趨勢，由上文分析得出4 級尖峰氣象敏感用電量日數主要出現在7 月、8 月，這與陳海燕等[8]研究浙江盛夏降溫用電負荷在浙西南區呈明顯下降趨勢的結論吻合。 由其UB 與UF 曲線交點的位置，斷定減少在2016 年后發生了扭轉，轉變成增加趨勢，這一點值得關注。 比較1 級低氣象敏感用電量日數和4 級尖峰氣象敏感用電量日數的變化趨勢，1 級低氣象敏感用電量日數的增加趨勢更為顯著。

表2 蘭溪市年平均各月不同級別氣象敏感用電量日數

圖2 1960—2017 年蘭溪市氣象敏感用電量日數Mann-Kendall 檢驗曲線

4 蘭溪市氣象敏感用電量日數小波分析

分析1960—2017 年期間蘭溪市氣象敏感用電量日數小波系數實部和小波方差圖（見圖3），通過morlet 小波分析可以將日數的顯著周期及其變量定量化。 在整個分析時段2 級較高氣象敏感用電量以下日數和3 級高氣象敏感用電量以上日數有8 年左右的顯著振蕩周期。 1 級低氣象敏感用電量日數存在12 年左右的顯著振蕩周期，2級較高氣象敏感用電量日數存在13 年左右的顯著振蕩周期，3 級高氣象敏感用電量日數存在7年左右的顯著振蕩周期，4 級尖峰氣象敏感用電量日數存在12～13 年左右的顯著振蕩周期。 總結得出1 級低氣象敏感用電量日數和2 級較高氣象敏感用電量日數變化趨勢的是具有較強一致性的，2 級較高氣象敏感用電量以下日數和3 級高氣象敏感用電量以上日數變化有較強的耦合性，1 級低氣象敏感用電量日數、2 級較高氣象敏感用電量日數變化和4 級尖峰氣象敏感用電量日數變化有較強的耦合性。

5 結論

本文計算了蘭溪市1960—2017 年各級氣象敏感用電量日數，分析了各級氣象敏感用電量日數的年際變化及年平均各月不同級別氣象敏感用電量日數特征，結果表明：

（1）蘭溪市氣象敏感用電量日數1 級最多，總體呈增加趨勢；2 級次之，總體呈減少趨勢；3 級第三多，總體呈略微減少趨勢；4 級最少，總體呈平穩趨勢。 其中4 級尖峰氣象敏感用電量日數大都在30 天以下，個別年份沒有出現，主要出現在7 月、8 月，但近年來有上升趨勢。

圖3 蘭溪市氣象敏感用電量日數小波分析

（2）春季、秋季屬于低氣象敏感用電量季節，冬季屬于較高氣象敏感用電量季節，夏季屬于高氣象敏感用電量季節，其中4—5 月、10—11 月1級低氣象敏感用電量日數均在25 天以上，且無4 級尖峰氣象敏感用電量日數出現，說明4—5月、10—11 月屬于低氣象敏感用電量月份；7—8 月3級高氣象敏感用電量日數均在20 天以上，說明7—8 月屬于高氣象敏感用電量月份。

（3）2 級較高氣象敏感用電量以下日數呈增加趨勢，3 級高氣象敏感用電量以上日數呈減少趨勢，兩者均在1972 年后發生突變，2 級較高氣象敏感用電量以下日數增加趨勢更為顯著，其中1級低氣象敏感用電量日數在1992 年的增加是一突變現象且增加趨勢明顯，4 級尖峰氣象敏感用電量日數的減少現象在2016 年后發生了扭轉，轉變成增加趨勢，這一點值得關注。

（4）1 級低氣象敏感用電量日數和2 級較高氣象敏感用電量日數變化趨勢的是具有較強一致性的，2 級較高氣象敏感用電量以下日數和3 級高氣象敏感用電量以上日數變化有較強的耦合性，1 級低氣象敏感用電量日數、2 級較高氣象敏感用電量日數變化和4 級尖峰氣象敏感用電量日數變化有較強的耦合性。