平均溫度日和冷鹽度日hdd與北京月、年溫度的關(guān)系

平均溫度日和冷鹽度日hdd與北京月、年溫度的關(guān)系

過度參數(shù)與能源的關(guān)系溫度是人類活動和植物生長的重要指標之一。農(nóng)、林業(yè)中植物生長發(fā)育和病蟲害、灌溉和收獲日期、建筑設(shè)計、發(fā)電、融雪效應(yīng)、交通運輸?shù)榷寂c溫度有關(guān)。尤其是大城市中與供暖和空調(diào)制冷緊密相連的能源載荷與溫度關(guān)系密切。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,各行各業(yè)與溫度變化的關(guān)系日益密切,常規(guī)的溫度表征形式往往不能滿足需求,于是各種與溫度有關(guān)的參數(shù)應(yīng)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(yīng)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),人們生活中也廣泛應(yīng)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溫度的關(guān)系。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)部門或人們可根據(jù)發(fā)布的各地度日值,統(tǒng)計某一期間如10天、1個月或1年的度日總和及相應(yīng)消耗的總能源,來預(yù)計未來能源的消耗情況,或比較不同城市能源消耗情況。也可以根據(jù)度日值來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)器具)的節(jié)能情況等。當(dāng)然統(tǒng)計時間越長,所得出的結(jié)論就越準確。目前國內(nèi)尚未開展這項研究,但是隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,生活水平的提高,對能源需求日益增加。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。1同質(zhì)的偏低溫度的確定度日最初是用來反映農(nóng)作物生長中所需熱量水平的物理量單位,近年來發(fā)展為一個能夠反映供暖和制冷所需能源的時間溫度指數(shù),被廣泛用在氣候變化和能源需求的研究應(yīng)用領(lǐng)域。實際上度日就是指日平均溫度與規(guī)定的閾值溫度的實際離差。為了研究的方便,度日又分為兩種類型,即采暖供熱度日(heatingdegreedays,簡稱熱度日)和制冷降溫度日(coolingdegreedays,簡稱冷度日)。閾值溫度是為了統(tǒng)計需要而人為規(guī)定的一個參考溫度,各個國家(或地區(qū))往往根據(jù)能源供應(yīng)、人體生理需求、經(jīng)濟水平和溫度變化特點選取適合本國(或地區(qū))的參考溫度。目前人們一般認為18℃是人體的最舒適溫度,北京市有關(guān)部門規(guī)定,在供暖季節(jié)北京市室內(nèi)溫度不得低于16℃,所以本文取18℃作為北京的閾值溫度。北歐的斯堪的納維亞國家和波蘭取17℃作為閾值溫度,美國的閾值溫度為65℉(相當(dāng)于18.3℃),加拿大則與本研究一致。但是也有例外,英國由于能源價格方面的原因,閾值溫度取為15.5℃。熱度日(HDD)的定義是日平均氣溫低于某一閾值溫度的溫度與這一閾值溫度之差的累計值,即月HDD是月內(nèi)日HDD之和。年HDD一般定義每年冷季(9月至次年4月)各月HDD之和。本文考慮其他行業(yè)與HDD的關(guān)系密切及我國的國情特點,年末將對來年的能源、電力等進行評估,這種跨年度的因子不太適合其他部門或行業(yè)使用。所以本文將年HDD定義為年內(nèi)1月至4月和9月至12月HDD之和。HDD是冷季對冷季寒冷程度的估計,也是采暖季節(jié)內(nèi)采暖能量消耗的一個定量指標。冷度日(CDD)與HDD取相同的閾值溫度,CDD的定義是日平均氣溫高于閾值的溫度與閾值溫度之差的累計值。月CDD為月內(nèi)日CDD之和,年CDD則定義為年內(nèi)5月至9月CDD之和。即CDD是暖季高溫程度的一種描述,也是熱季用于空調(diào)制冷的能源消耗的一個定量估計。綜上所述,HDD和CDD實際上是一種反映能源需求狀態(tài)的熱量單位。2數(shù)據(jù)和計算方法2.1hdd與cdd北京站(54511發(fā)報站)自20世紀60年代以來多次變遷,1997年1月又從西郊八里莊遷至大興縣舊宮。遠郊站址的資料,不適合計算本文的HDD與CDD。但由于該期間大部分年份中國氣象局院內(nèi)(五塔寺)設(shè)有正規(guī)觀測場,本文用其代替遠郊發(fā)報站(54511)的資料。另外,近郊的豐臺站建站較早,且環(huán)境條件與五塔寺差別不大,五塔寺沒有觀測的年份,本文采用豐臺站的資料。詳細情況見表1。2.2日溫度下的sdd本文取上述資料中1951年1月1日至2004年12月31日逐日平均氣溫,將閾值(18℃)減去當(dāng)日平均溫度,取絕對值得到逐日的HDD,即日HDD是將當(dāng)日溫度提高到18℃所需加熱升高的溫度。如日平均溫度為8℃,6℃,0℃和-1℃,對應(yīng)的HDD為10,12,18度日和19度日。同理CDD則是將當(dāng)日的平均溫度減去閾值(18℃),得到當(dāng)日的CDD。如日平均溫度為22℃,24℃,20℃和23℃,則對應(yīng)的CDD為4,6,2,5度日,即CDD是將當(dāng)日溫度降到18℃需空調(diào)制冷的溫度。2.3日平均溫度的測量國外在數(shù)十年前就已開展HDD和CDD的研究,且廣泛應(yīng)用于各部門和人們生活中。但是根據(jù)HDD,CDD的定義,利用日平均溫度制作逐日值的方法不太適合其他部門和普通人群使用。因為氣象部門往往只發(fā)布日最高和日最低溫度,于是出現(xiàn)了HDD(CDD)的簡易算法,以下介紹一種簡易算法。根據(jù)Zalom等所提供的算法,用日最高氣溫與日最低氣溫的平均值來代替日平均氣溫,與閾值做運算就可以得到該日的HDD或CDD。3北京hdd和cdd的變化特征3.1不同季節(jié)內(nèi)cdd的月際差異從圖1中可見,1月HDD最大,為687.9度日,其次為12月(613.4度日)和2月(542.4度日),6月和8月兩月不到1個度日,7月接近0,即HDD的月際差異很大。從圖2可見,7月CDD最大,達259.2度日,其次為8月(219.3度日),6月為198.9度日,4月和10月小于10度日,1,2,3,11月和12月的CDD為0。CDD的值比HDD小得多,且月際差異也比HDD小。3.2cdd的年際變化圖3為1951—2004年HDD年際變化及長期變化趨勢。從圖3可見1956年的HDD(3423.4度日)最大,次大值為1969年(3391.6度日)。最小值出現(xiàn)在1995年(2489.8度日),次小值為1998年(2546.8度日)。HDD值大表明供暖季節(jié)溫度低,消耗的能源多;相反HDD值小表明供暖期溫度高,消耗的能源就少。HDD的多年平均年值為2922.6度日,略低于美國(3725度日)和波蘭(3478度日)。另外從圖3中也可看到HDD的多年變化呈明顯的下降趨勢,下降率為-99.5度日/10a,與北京溫度的上升趨勢相反。近年來北京氣候變暖顯著,尤其冬季的增溫大大超過其他季節(jié),所以HDD的下降趨勢也十分明顯。圖4為1951—2004年CDD的年際變化及其變化趨勢,從圖中可見2000年的CDD(1131.7度日)最大,次大值為2001年(1124.4度日)。最小值出現(xiàn)在1954年(592.0度日),次小值為1970年(646.5度日)。CDD值大表明夏季氣溫高,空調(diào)制冷需要消耗的能源就多。CDD的多年平均年值為826.7度日。另外圖4也顯示了CDD的長期變化呈上升趨勢,上升率為39.0度日/10a,與近年來北京氣溫明顯升高的趨勢一致。3.3城市熱島效應(yīng)街區(qū)與hdd的比較為了分析北京地區(qū)月HDD和月CDD的城郊差異,本文取密云為郊區(qū)代表站,文中取密云氣象站(1971—2004年)的逐日平均氣溫數(shù)據(jù)計算得到密云的平均月HDD和CDD,然后與北京站的序列相減,得到平均月HDD和CDD的城郊差(如圖5和圖6)。從圖5中可見平均月HDD的城郊(北京站-密云站)差值較大,其中12月的差值最大(-73.8度日),其次是1月(-62.7度日),2月為-53.1度日,7月為0,6月和8月接近-1度日。平均月CDD的城郊(北京站-密云站)差值比HDD小,城郊差最大值(34.0度日)在8月,6月(33.8度日)和5月(33.4度日)接近,1,2,3月和11,12月均為0。由于城市熱島效應(yīng)郊區(qū)的氣溫比城區(qū)低,所以郊區(qū)的HDD比城區(qū)大,如在1月,要使城、郊達到同一溫度,郊區(qū)要比城區(qū)多增加73.8度日,即須多消耗增加這些度日的能源。相反,城區(qū)CDD比郊區(qū)大,要達到同一溫度,城區(qū)消耗的能源比郊區(qū)多,8月城區(qū)比郊區(qū)要多消耗降低34度日的能源才能達到相同的溫度。4年hdd和cdd在年平均溫度上的關(guān)系，以及未來變化的影響4.1顯著性檢驗97,c年HDD和CDD與年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫的相關(guān)系數(shù)均較高,分別為:-0.95,-0.77,-0.92和0.80,0.77,0.65,且均通過α=0.001的顯著性檢驗。其中年HDD和CDD與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)最大,相關(guān)較顯著,進而表明年HDD與年平均氣溫具有明顯的反位相變化趨勢,而年CDD與年平均氣溫具有明顯的同位相變化趨勢。4.2cdd與平均氣溫年代際變化的關(guān)系從圖7(因資料的限制,圖中第1段為9年,第6段為5年)可看出,20世紀80年代以后北京地區(qū)平均氣溫明顯升高,從12.3℃升高到13.9℃,增暖趨勢較顯著,HDD從3000多度日下降到2700多度日,呈明顯下降趨勢;而CDD從700多度日上升到900多度日,呈明顯上升趨勢。因此,HDD與平均氣溫年代際變化趨勢亦呈反位相,而CDD與平均氣溫年代際變化趨勢呈同位相。即HDD,CDD與平均氣溫年代際變化的關(guān)系與上述年HDD,CDD與年平均溫度變化的關(guān)系一致。綜上所述,無論年際、年代際的HDD均與對應(yīng)的平均氣溫具有反位相變化趨勢,隨著氣候增暖,尤其是冬季,北京地區(qū)HDD將變小,即冬季用于供暖的能源將減少;年際、年代際的CDD與對應(yīng)的平均氣溫具有同位相變化趨勢,夏季空調(diào)制冷等所需能源消耗將不斷增加。5年際、年代際hdd本文對1951—2004年北京地區(qū)HDD和CDD的研究表明:1)HDD的多年平均年值為2922.6度日。平均月HDD以1月(687.9度日)最大,7月接近0。多年變化呈明顯的下降趨勢,下降率為-99.5度日/10a。2)CDD的多年平均年值為826.7度日。平均月CDD以7月(259.2度日)最大,1,2,3,11月和12月的CDD為0。多年變化呈上升趨勢,上升率為39.0度日/10a。3)1971—2004年平均月HDD的城郊差值(北京站-密云站)較大,其中12月的值最大(-73.8度日),7月為