張海東,張昕璇,孫照渤,唐國利

(1.南京信息工程大學(xué),江蘇南京 210044;2.中國氣象局,北京 100081;3.華風(fēng)影視集團,北京 100081;4.中國氣象局國家氣候中心,北京 100081)

中國近50 a來度日變化的研究

張海東1,2,張昕璇3,孫照渤1,唐國利4

(1.南京信息工程大學(xué),江蘇南京 210044;2.中國氣象局,北京 100081;3.華風(fēng)影視集團,北京 100081;4.中國氣象局國家氣候中心,北京 100081)

采用中國1951—2006年的氣象觀測資料,在運用度日分析法分析全國、各省及省會城市近50 a的平均溫度變化的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分析全國的度日變化情況;研究了中國六大區(qū)省會城市熱度日(Heating Degree-day,HDD)和冷度日(Cooling Degree-day,CDD)的變化情況;分析了典型城市北京、上海、廣州CDD的上升趨勢和上升率,并求得相關(guān)方程。結(jié)果表明,北京、上海、廣州CDD的長期變化都呈上升趨勢,上升率分別為11.7℃/(10 a)、10.4℃/(10 a)、25.1℃/(10 a)。

度日;溫度;中國

0 引言

溫度是人類活動和植物生長的關(guān)鍵指標(biāo)。城市取暖耗能和降溫耗能與溫度關(guān)系密切。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,常規(guī)的溫度表征形式往往不能滿足需求,從而各種與溫度有關(guān)的參數(shù)應(yīng)運而生,其中度日分析法是目前國際上廣泛采用的分析方法。度日是計算熱狀況的一種單位,指日平均溫度與規(guī)定基礎(chǔ)溫度的離差。度日是一個基本的設(shè)計參數(shù),在很多能源應(yīng)用領(lǐng)域,如電力部門、供暖部門、保險業(yè)和軍事部門等,均被廣泛使用[1〗[2],他認(rèn)為日氣溫理論上服從高斯獨立正態(tài)分布。Thom[3-4]進一步解釋了平均氣溫和基礎(chǔ)溫度為65 F(18.3℃)與平均度日數(shù)的關(guān)系,并研究了通過月平均溫度標(biāo)準(zhǔn)差得到月平均度日數(shù)的方程。Durmayaz和Kadioglu[5]、Heller[6]、Bulut等[7]、Sarak和Satman[8]、Büyükalaca等[9]進行了有關(guān)當(dāng)?shù)囟热諗?shù)的統(tǒng)計分析。目前美國氣象部門也在有些網(wǎng)站上公布逐日的度日值,有關(guān)部門及個人可根據(jù)發(fā)布的各地度日值,統(tǒng)計某一時期,如10 d、一個月或一年的度日總和及相應(yīng)消耗的總能源,來預(yù)測未來能源的消耗變化情況,或比較不同城市能源消耗情況。根據(jù)度日值還可以比較使用不同種類能源如煤、天然氣、電的經(jīng)費消耗情況或不同的加熱灶具(或制冷空調(diào))的節(jié)能情況等。當(dāng)然統(tǒng)計時間越長,所得出的結(jié)論就越精確。

中國學(xué)者吳息等[10]、陳峪和黃潮迎[11]、付光軒[12]、袁順全和千懷遂[13]、龐文保等[14]進行了不少相關(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)開展這項研究,但是隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展,生活水平的提高,對能源需求日益增加。能源等部門將會更多的使用度日資料,來分析比較國內(nèi)外用于冬季供暖和空調(diào)制冷的能源需求狀況和預(yù)測未來趨勢。

1 研究資料和方法

1.1 資料來源

氣象資料來自中國氣象局氣象信息中心提供的中國所有基本基準(zhǔn)站1951—2006年的日最高溫度、最低溫度、極端最高溫度、極端最低溫度等。

1.2 度日分析法

本文應(yīng)用的度日分析法。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)日平均溫度低于基礎(chǔ)溫度的累積度數(shù),熱度日值越大,表示溫度越低,如果日平均溫度高于該基礎(chǔ)溫度,那么這一天的熱度日為零。冷度日與熱度日相反,指日平均溫度高于基礎(chǔ)溫度的累積度數(shù),冷度日值越大,表示溫度越高,若日平均溫度低于基礎(chǔ)溫度,則無冷度日。

某一年的度日數(shù)定義如下[15]:

其中:Nd為某一年的天數(shù);Ti為日平均溫度;Tb為基礎(chǔ)溫度;如果日平均溫度高于基礎(chǔ)溫度,則γd為1,否則為0;HDD表示熱度日值HDD;CDD表示冷度日值CDD。

中國規(guī)定計算熱度日的基礎(chǔ)溫度是5℃。一般情況下,當(dāng)室外溫度為5℃時,室內(nèi)溫度可保持在10～12℃。對于冷度日的基礎(chǔ)溫度,本文根據(jù)2007年6月《國務(wù)院辦公廳關(guān)于嚴(yán)格執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)的通知》中針對公共建筑做出了相關(guān)規(guī)定,要求夏季室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置不得低于26℃。因此,本文在計算取暖和冷度日時,將基礎(chǔ)溫度分別設(shè)定為5℃和26℃。

HDD是冷季取暖耗能的一個定量指標(biāo)。年HDD一般定義每年冷季(10月—次年4月)各月HDD之和[16]。考慮其他行業(yè)與HDD的關(guān)系密切,加之中國國情特點,將年HDD定義為年內(nèi)1—4月和10—12月HDD之和。月冷度日CDD為月內(nèi)各日CDD之和,年CDD則定義為年內(nèi)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[17]。

由于氣象部門往往只發(fā)布日最高和日最低溫度,根據(jù)Zalom等[18]所提供的算法,用日最高溫度與日最低溫度的平均值來代替日平均溫度,與基礎(chǔ)溫度代入前面公式計算就可以得到該日的HDD或CDD。

2 各省平均溫度變化

為了更加形象簡潔地描述各省的平均溫度變化。根據(jù)《中華人民共和國行政區(qū)劃》,本文按照華北區(qū):北京市、天津市、河北省、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū);東北區(qū):遼寧省、吉林省、黑龍江省;華東區(qū):上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、福建省、江西省、山東省;中南區(qū):河南省、湖北省、湖南省、廣東省、廣西壯族自治區(qū)、海南省;西南區(qū):重慶市、四川省、貴州省、云南省、西藏自治區(qū);西北區(qū):陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū),共6個區(qū)來分類。

分析全國6大區(qū)1961—2006年各省平均溫度變化,以華東區(qū)為例,近50a中國各省平均溫度總體呈現(xiàn)上升的趨勢[19],在1987年以后增加明顯。

3 度日變化分析

3.1 站點分布

如果按以往基本、基準(zhǔn)站的資料來分析,雖然站點多,可是稠密不均,不能較好的反映全國情況。根據(jù)空間分布盡可能均勻的原則,在全國范圍共選出106個站,利用1961—2006年各站逐日平均氣溫資料來計算冷度日和熱度日,多年平均值采用1971—2000年30a平均。各區(qū)站點如圖1所示,可知除西藏西部站點較少外,分布基本比較均勻。

圖1 中國106站分布Fig.1 106AW S distribution m ap of China

3.2 冷度日

就全國的冷度日變化而言,呈現(xiàn)明顯上升趨勢(圖2)。在1961—2006年的46a間,由77.43℃增加為88.53℃,每10a上升3.47℃。

圖2 1961—2006年全國平均冷度日變化Fig.2 mean CDD changein China from1961 to2006

3.3 熱度日

就全國的熱度日變化而言(圖3),呈現(xiàn)更為明顯的下降趨勢。在1961—2006年的46a間,由1 337.38℃減少為1 196.80℃,每10a下降58.47℃。

圖3 1961—2006年全國平均熱度日變化Fig.3 mean HDD change in China from1961to2006

4 各省會城市平均溫度和冷度日變化

4.1 5—9月平均溫度變化

為了更好地表征冷度日(CDD)的變化情況,首先求出1956—2005年全國六大區(qū)5—9月平均溫度變化情況。可知,中國50a來各省會城市5—9月平均溫度變化總體呈現(xiàn)上升的趨勢,與全國平均溫度變化基本相同。特別是從20世紀(jì)80年代中后期開始,溫度明顯上升,比全省平均平均溫度增幅更大。其中北方城市的溫度變化略大于南方城市,如北京、西安、哈爾濱等城市從80年代至今的溫度變幅都在2.5℃以上,其中哈爾濱達到了3.05℃。而南方大部分城市的溫度升幅在2.5℃以下,如溫度變幅較大的武漢、杭州分別為2.1℃,廣州的變幅只有1.71℃。當(dāng)然,影響大城市溫度變化的原因有很多,可能與城市熱島、城市化[20]等原因有關(guān)系,本文側(cè)重于度日分析,其他原因不做過多闡述。

4.2 CDD變化

各省會城市相應(yīng)的CDD變化情況以華東區(qū)為例,由圖4可見,在1956—2005年的50a中,CDD呈增加趨勢,特別是在80年代中期以后增加明顯,這與平均溫度從80年代中后期開始明顯升高是相一致的。每個城市的CDD變幅明顯,增幅較大。

圖4 1956—2005中國華東區(qū)城市5—9月CDD變化情況Fig.4 CDD change in capital cities of some provinces in East China during May and September from1956to2005

5 各省會城市平均溫度和熱度日的變化情況

根據(jù)各省會城市1—4月和10—12月平均溫度的變化情況,得到對應(yīng)區(qū)HDD的變化情況,以華東區(qū)為例,如圖5所示。

在1956—2005年的50a中,中國六大區(qū)的熱度日呈減少趨勢(圖略),特別是在80年代中期以后減少明顯,這與平均溫度從80年代中后期開始明顯升高相一致。各城市的HDD的年際變化較大,拉薩的變幅最大,在298.3～873.4℃之間;變幅最小的是?？?、廣州等地,基本為0,這與HDD是冷季取暖耗能的定量指標(biāo)相一致。

6 全國各省會城市平均溫度和CDD、HDD的相關(guān)分析

全國各省會城市5—9月平均溫度與CDD的相關(guān)系數(shù)如表1所示,隨著緯度的增加,相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢,中南區(qū)的相關(guān)系數(shù)最大,海口為0.993 6;東北區(qū)的相關(guān)系數(shù)最小,哈爾濱為0.553 9,即南方城市的降溫耗能表征更為明顯。

全國各省會城市10月—次年4月平均溫度與HDD的相關(guān)系數(shù)如表2所示,隨著緯度的增加,相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢,東北區(qū)的相關(guān)系數(shù)最大,哈爾濱為-0.992 0;中南區(qū)的相關(guān)系數(shù)最小,即北方城市的取暖耗能表征更為明顯。

圖5 1956—2005年中國華東區(qū)省會城市HDD變化Fig.5 HDD change in capital cities of some provinces in East China from1956to2005

表1 全國各省會城市平均溫度與CDD的相關(guān)系數(shù)Table1 Coefficient between mean temperature and CDD in capital cities

表2 全國各省會城市平均溫度與HDD的相關(guān)系數(shù)Table2 Coefficient between mean temperature and HDD in capital cities

7 典型省會城市CDD變化及相關(guān)分析

選取華北區(qū)北京市、華東區(qū)上海市、中南區(qū)廣州市的CDD變化情況進行個例分析,其他城市和HDD變化分析限于篇幅不再一一闡述。

圖6為北京市1956—2005年的CDD變化情況,由圖可見,2000年的CDD(176.7℃)最大,次大值為127.2℃(2001年);最小值出現(xiàn)在1976年(11.4℃),次小值為19.4℃(1970年)。CDD值越大表明夏季溫度越高,開空調(diào)制冷需要消耗的能源就越多,與已有的研究一致[21-23]。CDD50a的累積和為2 984.0℃。另外,其也顯示了北京CDD的長期變化呈上升趨勢,上升率為11.7℃/(10a),與近年來北京溫度明顯升高的趨勢一致[24]。同時,得到相關(guān)方程y=1.165x+29.974,這樣知道了具體年份就可知道北京的CDD。

圖7為上海市1956—2005年的CDD變化情況,由圖可見,2003年的CDD(271.9℃)最大,次大值為261.9℃(2005年);最小值出現(xiàn)在78.9℃(1982年),次小值為80.6℃(1972年)。CDD的50a累積和為7 722.7℃。CDD的長期變化呈上升趨勢,上升率為10.4℃/(10a),與近年來上海溫度明顯升高的趨勢相同。同時,得到相關(guān)方程y=1.039 3x+127.95。

圖8為廣州市1956—2005年的CDD變化情況,由圖可見,2003年的CDD(385.8℃)最大,次大值為385.7℃(2005年);最小值出現(xiàn)在185.4℃(1997年),次小值為170.6℃(1965年)。CDD的50a累積和為13 517.4℃。CDD的長期變化呈明顯上升趨勢,上升率為25.1℃/(10a),與近年來廣州溫度明顯升高的趨勢相同。同時,得到相關(guān)方程y=2.507 3x+206.41。

8 結(jié)論

通過對中國近50a來的度日變化進行系統(tǒng)研究,得出以下結(jié)論:

(1)就全國的度日變化而言,熱度日呈現(xiàn)下降趨勢,冷度日呈現(xiàn)增加趨勢。

圖6 1956—2005年北京市CDD變化情況Fig.6 CDD change in Beijing from1956to2005

圖7 1956—2005年上海市CDD變化情況Fig.7 CDD change in Shanghai from1956to2005

圖8 1956—2005年廣州市CDD變化情況Fig.8 CDD change in Guangzhou from1956to2005

(2)在分析中國六大區(qū)省會城市平均溫度變化的基礎(chǔ)上,通過對相應(yīng)的熱度日(HDD)和冷度日(CDD)的變化情況進行分析可知,就HDD而言,中國北方城市的響應(yīng)相對較好,南方城市變化響應(yīng)相對較差,中南區(qū)廣州、南寧、?？诘鹊腍DD幾乎為0;就CDD而言,南方城市的響應(yīng)相對較好,北方城市變化響應(yīng)相對較差,東北區(qū)哈爾濱、長春等的CDD接近0。

(3)全國各省會城市5—9月平均溫度與CDD的相關(guān)系數(shù)隨著緯度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢,中南區(qū)的相關(guān)系數(shù)最大,?？跒?.993 6;東北區(qū)的相關(guān)系數(shù)最小,哈爾濱為0.553 9。

(4)通過選取典型城市華北區(qū)北京市、華東區(qū)上海市、中南區(qū)廣州市的CDD變化情況,分析各城市的上升趨勢和上升率,并求得相關(guān)方程。

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

[2] Thom H S C.Seasonal degree day statistics for the United States[J].M on W ea Rev,1952,80:143-149.

[3] Thom H S C.The rational relationship between hearing degree days and temperature[J].M on W ea Rev,1954,82:1-6.

[4] Thom H S C.Normaldegree days above any base by the universal truncation coefficient[J].M on W ea Rev,1962,94:461-465.

[5] Durmayaz A,Kadioglu M.Heating energy requirements and fuel consumptions in the biggest city centers of Turkey[J].Energy Conversion and Management,2003,44:1177-1192.

[6] Heller A J.Heat-load modelling for large systems[J].Applied Energy,2002,72:371-387.

[7] Bulut H,Büyükalaca O,Yllmaz T.New outdoor heating design data for Turkey[J].Energy,2003,28:1133-1150.

[8] Sarak H,Satman A.The degree-day method to estimate the residential heating natural gas consumption in Turkey:A case study[J].Energy,2003,28:929-939.

[9] Büyükalaca O,Bulut H,Yllmaz T.Analysis of variable-base heating and cooling degree-days for Turkey[J].Applied Energy,2001,69:269-283.

[10] 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(xué)院學(xué)報,1999,22(增刊):541-546.

[11] 陳峪,黃潮迎.氣候變化對能源需求的影響[J].地理學(xué)報,2000,55(增刊):11-19.

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

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

[14] 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.

[15] Sailor D J.Relating residential and commercial sector electricity loads to climate-evaluating state level sensitivities and vulnerabilities[J].Energy,2001,26:645-657.

[16] Wibig J.Heating degree days and cooling degree days variability in Lodz in the period1931—2000[C]//Fifth International Conference on Urbun Climate.Poland Lodz,2003:471-474.

[17] 謝莊,蘇德斌.北京地區(qū)熱度日和冷度日的變化特征[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2007,18(2):232-237.

[18] Zalom F G,Goodell P B,Wilson L T.Degree-days:The calculation and use of heat units in pest management[M〗.California:Division of Agriculture and Natural Resources,University of California,1972:1-11.

[19] 丁一匯,孫穎.國際氣候變化研究新進展[J].氣候變化研究進展,2006,2(4):161-167.

[20] 張海東,孫照渤.淺析我國的可再生能源與國家能源安全[J].氣象軟科學(xué),2007(2):118-122.

[21] 張尚印,張海東.我國東部3城市夏季高溫氣候特征及原因分析[J].高原氣象,2005,24(5):829-835.

[22] 吳向陽,張海東.溫度對電力負(fù)荷影響的計量經(jīng)濟分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報,2008,19(5):531-538.

[23] 張海東,孫照渤,鄭艷,等.溫度變化對南京城市電力負(fù)荷的影響研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報,2009,32(4):536-542.

[24] 謝莊,曹鴻興,李慧,等.近百年北京氣候變化的小波特征[J].氣象學(xué)報,2000,58(3):362-369.

A Study on Degree-day's Change in Ch ina in the Past Fifty Years

ZHANG Hai-dong1,2,ZHANG Xin-xuan3,SUN Zhao-bo1,TANG Guo-li4

(1.Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China;2.China Meteorological Administration,Beijing 100081,China;3.China Meteorological Administration Huafeng Group of Meteorological Audio&Video Information,Beijing 100081,China;4.National Climate Center,Beijing 100081,China)

Based on the weather observation data from 1951 to 2006,the paper analyzed the degree-day's change in the whole country by calculating mean temperature changes in the past 50 years in China,all the provinces and the capital cities.The paper studied changes of HDD(Heating Degree-day)and CDD(Cooling Degree-day)in capital cities of China,especially the CDD Change in typical cities,namely,Beijing in the north,Shanghai in the east and Guangzhou in the south of China,and finally brought in an equation.The result shows that there is an increasing trend in CDD in all the three cities of Beijing,Shanghai and Guangzhou,at the rates of 11.7℃,10.4℃and 25.1℃per decade,respectively.

degree days;temperature;China

P423

A

1674-7097(2010)05-0593-07

2009-01-05;改回日期:2009-02-26

2007國家軟科學(xué)研究計劃(2007GXS3B050);2008年度江蘇省氣象災(zāi)害重點實驗室開放課題;2008年度城市氣象科學(xué)研究基金資助項目

張海東(1972—),男,內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人,博士,高級工程師,研究方向為氣候變化、戰(zhàn)略研究、氣象災(zāi)害對經(jīng)濟建設(shè)的影響、評估,zhanghd@cma.gov.cn.

張海東,張昕璇,孫照渤,等.中國近50 a來度日變化的研究[J].大氣科學(xué)學(xué)報,2010,33(5):593-599.Zhang Hai-dong,Zhang Xin-xuan,Sun Zhao-bo,et al.A study on degree-day's change in China in the past fifty years[J].Trans Atmos Sci,2010,33(5):593-599.

(責(zé)任編輯:劉菲)