泰安城區(qū)精細(xì)化氣溫區(qū)劃研究及應(yīng)用

摘 要：基于2016—2023年泰安城區(qū)20個(gè)氣象站觀測數(shù)據(jù)，通過選取高溫過程、低溫災(zāi)害氣象特征要素作為區(qū)劃因子，采用熵值賦權(quán)法，分別構(gòu)建高、低溫災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃體系，完成高、低溫危險(xiǎn)性區(qū)劃圖。在2023年12月至2024年3月初泰安城區(qū)供暖季期間，利用區(qū)劃成果及相關(guān)技術(shù)方法為泰安城區(qū)熱力供暖提供氣象服務(wù)。研究表明：區(qū)劃結(jié)果準(zhǔn)確反映泰安城區(qū)高低溫特征分布，能夠?yàn)槎募灸茉捶植继峁﹨⒖迹坏蜏貫?zāi)害區(qū)劃實(shí)際應(yīng)用使熱力公司調(diào)節(jié)供暖分布更加合理，取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：高溫過程；低溫災(zāi)害；供暖

中圖分類號(hào)：S162.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）06–0-03

全球變暖是全世界面臨的巨大挑戰(zhàn)。IPCC最新報(bào)告指出，全球變暖產(chǎn)生的影響很多是不可逆的，與工業(yè)化前的水平相比，一些地區(qū)升溫已經(jīng)達(dá)到1.5 ℃。在全球變暖的背景下，氣候變化引起的高溫?zé)崂恕⒌蜏睾钡葮O端天氣事件發(fā)生頻率不斷攀升，給社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境帶來了不利影響。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，研究學(xué)者致力于分析氣候變化對中國各行各業(yè)的影響關(guān)系，以期減輕極端氣候事件對生產(chǎn)生活的影響，提高應(yīng)對氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的能力[1]。

泰安市位于山東省中部，北依泰山，城區(qū)內(nèi)地勢起伏不平，氣象要素分布不均，近年來低溫災(zāi)害、高溫天氣頻發(fā)。當(dāng)前，對泰安市的氣候研究以單站長時(shí)間氣象數(shù)據(jù)分析為主，缺少對氣溫特征的時(shí)空分布分析，同時(shí)為滿足供能行業(yè)對氣象因子精細(xì)化分布需求，對泰安市進(jìn)行精細(xì)化氣溫區(qū)劃研究具有重要意義。精細(xì)化氣溫區(qū)劃能夠?yàn)槌鞘泄┡⒐╇娤到y(tǒng)提供更準(zhǔn)確的氣象支撐，有利于提高能源利用率，促進(jìn)節(jié)能減排，也能為防災(zāi)減災(zāi)、氣候可行性論證等提供參考[2-3]。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用2016—2023年冬/夏季泰安城區(qū)20個(gè)氣象觀測站與新設(shè)加密8個(gè)氣象站的氣溫小時(shí)數(shù)據(jù)，其中，54827為泰安國家氣象站、臺(tái)站號(hào)以“D”開頭為區(qū)域站，以“RL”開頭為新設(shè)氣象站。數(shù)據(jù)來源于山東省氣象局。供熱小區(qū)室溫為每日08：00供熱小區(qū)單用戶的室溫?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于泰山城區(qū)熱力公司。

1.2 方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化

由于所選指標(biāo)因子的量綱不同，需對各指標(biāo)因子進(jìn)行歸一化處理。正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)數(shù)值代表的含義不同，正向指標(biāo)數(shù)值越高越好，負(fù)向指標(biāo)數(shù)值越低越好。因此，對于高低指標(biāo)，用不同的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理。具體方法如下：

正向指標(biāo)：x′=；

負(fù)向指標(biāo)：x′=（1）

式（1）中，x′為歸一化后的數(shù)據(jù)，x為樣本數(shù)據(jù)，xmin為樣本數(shù)據(jù)中的最小值，xmax為樣本數(shù)據(jù)中的最大值。

1.2.2 熵值賦權(quán)法

在多指標(biāo)綜合評價(jià)中，熵權(quán)法可以客觀地反映各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。一個(gè)系統(tǒng)的有序程度越高，則熵值越大，權(quán)重越小；反之，一個(gè)系統(tǒng)的無序程度越高，則熵值越小，權(quán)重越大。即對于一個(gè)評價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)值之間的差距越大，則該指標(biāo)在綜合評價(jià)中所起的作用越大；如果某項(xiàng)指標(biāo)的指標(biāo)值全部相等，則該指標(biāo)在綜合評價(jià)中不起作用。

設(shè)評價(jià)體系是由m個(gè)指標(biāo)n個(gè)對象構(gòu)成的系統(tǒng)，首先計(jì)算第i項(xiàng)指標(biāo)下第j個(gè)對象的指標(biāo)值rij所占指標(biāo)比重Pij：

（2）

計(jì)算第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)，確定該指標(biāo)的客觀權(quán)重ωi：

（3）

1.2.3 高溫、低溫極端氣候區(qū)劃

高溫過程：日最高氣溫≥35 ℃的天氣現(xiàn)象。將連續(xù)3 d及以上最高氣溫≥35 ℃作為一個(gè)高溫過程。根據(jù)泰安城區(qū)常年氣象狀況，確定冷空氣、霜凍2種低溫災(zāi)害類型。冷空氣過程：依據(jù)《冷空氣過程監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)》（QX/T 393—2017），單站出現(xiàn)中等強(qiáng)度冷空氣（48 h降溫幅度≥6 ℃），持續(xù)2 d及以上，判定為出現(xiàn)一次冷空氣過程；霜凍：參照《中國災(zāi)害性天氣氣候圖集》，采用霜凍橙色預(yù)警指標(biāo)，日最低氣溫≤-5 ℃

作為低溫災(zāi)害霜凍標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合能源行業(yè)實(shí)際應(yīng)用，對不同災(zāi)害天氣選取氣象特征作為區(qū)劃指標(biāo)，利用熵值賦權(quán)法確定各區(qū)劃指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，分別建立高/低溫極端氣候區(qū)劃體系（表1），利用自然斷點(diǎn)法劃分氣象災(zāi)害的危險(xiǎn)性等級，分為：高、較高、較低、低4個(gè)等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫過程氣候區(qū)劃

2.1.1 高溫區(qū)劃指標(biāo)

選取高溫過程平均最高氣溫、高溫平均持續(xù)時(shí)間、年平均高溫日數(shù)、極端高溫作為描述高溫過程特征的區(qū)劃指標(biāo)，這4個(gè)區(qū)劃因子分布示意如圖1所示。當(dāng)發(fā)生高溫過程時(shí)，平均過程最高氣溫（圖1a）區(qū)域差異性較小，除泰前街道西部小部分地區(qū)溫度在35.0 ℃左右，其他地區(qū)溫度均在36.0～37.0 ℃之間；高溫過程平均持續(xù)時(shí)間（圖1b）東西有所差異，上高街道北部及其以東地區(qū)持續(xù)時(shí)間較長，多為4～5 d，上高街道南部以西地區(qū)持續(xù)時(shí)間相對較短，為4 d以下，泰前街道東部地區(qū)持續(xù)時(shí)間最短，為3.5 d；年高溫日數(shù)（圖1c）城區(qū)分布不均，泰前街道東部、財(cái)源街道、徐家樓街道至北集坡街道西南部、山口鎮(zhèn)、上高街道北部地區(qū)高溫日數(shù)相對較高，日數(shù)在20 d以上，岱廟街道東北部至上高街道南部、邱家店鎮(zhèn)中部地區(qū)高溫日數(shù)相對較少，日數(shù)在15 d左右。

極端氣溫分布示意圖（圖1d）顯示，極端氣溫最高主要分布在徐家樓東部、北集坡街道東南部、上高街道北部及粥店街道東部地區(qū)，氣溫達(dá)40.5 ℃，邱家店鎮(zhèn)中部相對較低，為38.4 ℃，主城區(qū)泰前街道、岱廟街道、泰前街道極端氣溫在39.0～40.2 ℃之間。

2.1.2 高溫過程氣候綜合區(qū)劃

由高溫過程綜合氣候區(qū)劃可知，岱廟街道東北部北側(cè)至南側(cè)一帶、邱家店鎮(zhèn)大部分地區(qū)高溫危險(xiǎn)性為低，上高街道北部、山口鎮(zhèn)東部及北集坡街道西南角高溫危險(xiǎn)性等級為高，泰前街道西部、財(cái)源街道至北集坡街道危險(xiǎn)性等級為較高，其他地區(qū)危險(xiǎn)性等級為較低。夏季對于危險(xiǎn)性較高或高的地區(qū)，需要注意電能供給，防范設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷。

2.2 低溫災(zāi)害氣候區(qū)劃

2.2.1 冷空氣過程與霜凍

圖2a為冷空氣過程危險(xiǎn)性區(qū)劃示意。泰安城區(qū)冷空氣危險(xiǎn)性等級整體上從西北部向東南部遞減，粥店街道、泰前街道、財(cái)源街道危險(xiǎn)性等級為高，省莊鎮(zhèn)北部至徐家樓街道西部一帶危險(xiǎn)性等級為較高，其他大部分區(qū)域危險(xiǎn)性等級為較低，山口鎮(zhèn)、北集坡街道有小部分地區(qū)等級為低。在主城區(qū)冷空氣過程發(fā)生的頻率遠(yuǎn)低于其他區(qū)域，但當(dāng)發(fā)生冷空氣時(shí)，其對主城區(qū)影響程度要大于其他區(qū)域。

由霜凍危險(xiǎn)性區(qū)劃示意圖（圖2b）可知，主城區(qū)

—泰前街道、財(cái)源街道、岱廟街道北部和上高街道北部霜凍危險(xiǎn)性等級為低，此區(qū)域霜凍期短，且發(fā)生霜凍時(shí)最低氣溫較高。邱家店鎮(zhèn)、上高街道南部和粥店街道西部區(qū)域霜凍危險(xiǎn)性較高。較長的低溫持續(xù)時(shí)間、較低的氣溫會(huì)使熱力供暖持續(xù)高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成能耗大，霜凍期熱力公司可根據(jù)霜凍危險(xiǎn)性區(qū)劃合理調(diào)整供暖能源分布，提高能源供給，保證用戶使用

體驗(yàn)。

2.2.2 低溫災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合區(qū)劃

基于冷空氣過程、霜凍2種低溫災(zāi)害區(qū)劃結(jié)果，通過GIS地理信息系統(tǒng)疊加，最終得出低溫災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合區(qū)劃。粥店街道大部分地區(qū)、邱家店鎮(zhèn)、上高街道南部低溫災(zāi)害危險(xiǎn)性等級為高；岱廟街道東北部、上高街道北部低溫災(zāi)害危險(xiǎn)性為低；主城區(qū)其他街道危險(xiǎn)性等級以較低為主。結(jié)合供暖小區(qū)的分布，泰安主城區(qū)西側(cè)，主要是粥店街道，冬季供暖需求量較大；主城區(qū)中部及東側(cè)，主要為泰前街道、財(cái)源街道、岱廟街道、上高街道北部，供暖需求量較小；泰安城區(qū)除主城區(qū)外其他區(qū)域由于供熱小區(qū)分布稀少，用地類型以農(nóng)田為主，針對供暖不做進(jìn)一步分析。

2.3 低溫區(qū)劃在冬季供暖的應(yīng)用

泰安城區(qū)熱力供應(yīng)的調(diào)整主要以經(jīng)驗(yàn)判斷為主，缺乏關(guān)于氣象條件的決策依據(jù)。在2023—2024年供暖季期間，通過綜合分析每日氣溫分布、室溫變化、低溫災(zāi)害區(qū)劃結(jié)合天氣預(yù)報(bào)，調(diào)整換熱站水流量系數(shù)，以達(dá)到平衡室溫的目的。在氣溫分布及區(qū)劃工作中，為滿足精細(xì)化氣溫分布需求，城區(qū)內(nèi)新建8個(gè)氣象觀測站，極大地提高了站點(diǎn)分布密度，為調(diào)整決策提供精細(xì)化氣象服務(wù)材料。統(tǒng)計(jì)供暖季泰安城區(qū)138個(gè)小區(qū)平均室溫，僅有3個(gè)小區(qū)低于18 ℃，其余小區(qū)均高于19 ℃。通過計(jì)算供暖小區(qū)供暖季室溫標(biāo)準(zhǔn)差分析供暖的穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)差較高主要出現(xiàn)在岱廟街道北部、財(cái)源街道東部、財(cái)源街道西部小部分地區(qū)、粥店街道北部小部分小區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)差在1.0～1.4，其他大部分小區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差在0.4～0.8。在6個(gè)小區(qū)受換熱站單獨(dú)調(diào)控的試驗(yàn)小區(qū)中，方差最大為金域緹香0.70，最小為育新園0.49，6個(gè)小區(qū)室溫標(biāo)準(zhǔn)差要低于其他小區(qū)平均值0.73，說明在氣象服務(wù)材料的干預(yù)下，換熱站調(diào)控參數(shù)更加合理有效，受調(diào)控小區(qū)室溫表現(xiàn)得更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

利用泰安城區(qū)2016—2023年冬/夏季氣溫?cái)?shù)據(jù)，完成泰安城區(qū)高溫過程、低溫災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃，利用區(qū)劃結(jié)果在2023年12月至2024年3月初供暖季為供暖公司提供氣象服務(wù)。主要得出結(jié)論：

（1）上高街道北部、山口鎮(zhèn)東部及北集坡街道西南角高溫危險(xiǎn)性等級為高，泰前街道西部、財(cái)源街道至北集坡街道危險(xiǎn)性等級為較高。夏季對危險(xiǎn)性較高或高的地區(qū)，需要注意電能供給，防范設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷。

（2）粥店街道大部分地區(qū)、邱家店鎮(zhèn)、上高街道南部低溫災(zāi)害危險(xiǎn)性等級為高，岱廟街道東北部、上高街道北部低溫災(zāi)害危險(xiǎn)性為低，主城區(qū)其他街道危險(xiǎn)性等級以較低為主。

（3）在2023年12月至2024年3月初供暖季為泰安城區(qū)熱力公司提供氣象服務(wù)，通過每日氣象及室溫研判，受調(diào)控小區(qū)室溫穩(wěn)定性優(yōu)于其他未受氣象干預(yù)小區(qū)，取得良好社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。之后將進(jìn)一步研究氣溫與室溫的關(guān)系，為定量化調(diào)控?fù)Q熱站參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-01-11

基金項(xiàng)目：山東省氣象局科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（2022SDQN14）。

作者簡介：史俊南（1995—），男，江蘇宿遷人，助理工程師，主要從事氣象服務(wù)工作。