近55 a来中国严寒和寒冷地区主要城镇采暖气候条件的变化研究

2010-12-25杜岩陈莉罗冰李帅

黑龙江气象 2010年4期

关键词：度日采暖期城镇

杜岩，陈莉，罗冰，李帅

（1.哈尔滨市气象局，黑龙江哈尔滨 150080；2.江西省气象局，江西南昌 330046；3.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江哈尔滨 150030）

近55 a来中国严寒和寒冷地区主要城镇采暖气候条件的变化研究

杜岩1，陈莉1，罗冰2，李帅3

（1.哈尔滨市气象局，黑龙江哈尔滨 150080；2.江西省气象局，江西南昌 330046；3.黑龙江省气象科学研究所，黑龙江哈尔滨 150030）

近半个世纪以来气候变暖明显，全球过去50 a年平均气温线性趋势达到0.13°C/10 a，而中国近50 a年平均气温线性趋势几乎是全球的2倍，其中冬季增温速率高达0.39°C/10 a。中国的气候变暖对严寒和寒冷地区的采暖耗能无疑会产生显著影响。文章以中国《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》JCJ26-95中附录A所列的严寒和寒冷地区84个主要城镇为研究对象，分析了这些城镇1951年以来采暖期长度、采暖强度的趋势变化速率，结果表明，采暖期长度和采暖强度大多呈减少趋势，其中采暖期长度减少比较明显的是东北及内蒙古自治区大多城镇，减少速率在-5d/10a～-3d/10a之间；采暖强度减少趋势更加明显。为了研究采暖气候条件的平均状况，本文计算了最近30 a（1976～2005年）采暖期长度及采暖强度的平均状况，并与1951～1980年30 a均值进行了比较，发现东北地区大多城镇采暖期长度减少超过5 d；东北地区和内蒙古自治区大多城镇采暖强度减少超过200℃.d。对近30 a采暖期采暖耗煤变化率的研究表明：除四川省的康定外，其它城镇建筑单位面积耗煤量由于气候变暖采暖耗煤变化率均有一定程度减少，其中个别城镇减少量超过10%。

严寒和寒冷地区；主要城镇；采暖期长度；采暖强度；采暖耗煤

1 引言

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告中的决策者摘要（Http://www.ipcc.ch/spm2feb07.pdf, 2007）指出，在1850年有器测资料以来最暖的12 a中，1995～2006年占了11个；1906～2005年全球平均气温上升趋势为0.74[0.56～0.92]℃/100 a；过去50 a线性趋势几乎是过去100 a线性趋势的2倍（0.13[0.10～0.16]℃/10a）。北半球自20世纪80年代以来的迅速增温在统计学上已达到了突变程度[1-2]。任国玉[3]对我国的地面气温分析表明，我国近54 a来（1951～2004）年平均地表气温变暖幅度比全球或半球同期平均增温速率高得多（约为1.3℃，增温速率接近0.25℃/10 a），冬季增温速率最高，达0.39℃/10 a。

中国气候的明显变暖，势必会对采暖气候条件有一定的影响。陈莉等[4]对我国集中采暖区、过渡采暖区以及采暖期长度的研究表明，20世纪80年代中期以来，中国气候变暖，尤其是90年代中期以来的显著变暖，对中国冬季采暖气候条件产生了很大影响。与1980年以前时段相比，1980年代中期以来我国集中采暖区和过渡采暖区的界线明显北移,尤其110°E以东地区北移最大达2个纬距；全国大部地区采暖期长度缩短5～10 d。尤其是处在集中采暖区的严寒和寒冷地区，与1980年以前时段相比，20世纪80年代中期以来的气候变暖，使严寒地区和寒冷地区南界向北移动最大达2个纬距；1980年代中期以来的气候变暖理论上对严寒地区和寒冷地区主要城镇采暖期节煤的贡献率大部达5%～10%，尤其是1990年代中期以来，气候变暖对采暖期节煤贡献更大[5]。陈峪等[6]分析表明自1960年代以来特别是1980年代中期以来，采暖度日数（基础温度为5℃）呈明显减少；最冷的采暖季节能源需求将超过平均需求量的20%以上，而比最暖的采暖季节多达60%。这些研究成果对于认识1980年代中期以来气候变暖对我国采暖气候条件的影响很有意义，但这些研究成果较缺乏对严寒和寒冷地区采暖能源需求历年变化的纵向认识，同时在研究平均采暖气候条件方面稍显不足。

本文选取中国《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）JCJ26-95》[7]中附录A所列的严寒和寒冷地区84个主要城镇，同时根据文献7的规定，取室内基础温度为18℃，对这些城镇1951年以来采暖期长度、采暖强度的趋势变化速率进行分析，从而对严寒和寒冷地区采暖气候条件的纵向变化有一定的认识。同时，为了研究近30 a采暖气候条件的平均状况，文章分析了1976～2005年采暖期长度、采暖强度的30 a均值，并以1951～1980年为基准气象条件，计算了气候变暖所导致1976～2005年采暖期采暖耗煤变化率的情况。希望研究结果对能源、建筑等相关部门在进行能源规划、节能设计等研究时，提供一定的科学参考；同时希望进一步加深我国对气候变暖影响的认识。

2 资料

本文所用逐日气温资料来源于中国气象局。《中国民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）JCJ26-95》[7]附录A共列出了85个气象台站，由于所获得的气象资料中缺少宝鸡，所以本文研究文献7附录A所列的84个城镇，不影响分析结果。这84个台站最早是1951年建站，最晚是1960年建站，资料截止至2006年。

3 相关指标和方法的确定

3.1 采暖期长度的确定

根据《采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）》[8]规定，设计计算用采暖期天数，应按累年日平均温度稳定低于或等于采暖室外临界温度的总日数确定。其中采暖室外临界温度的选取，一般民用建筑和工业建筑，宜采用5℃。

本文在确定采暖初终日时，采用连续5 d滑动平均法。但在青海和西藏地区，部分台站全年温度都较低，即使在盛夏，也经常出现低于5℃的现象，偶尔在春季和初夏出现几天高于5℃的日子，但随后很多天又持续低于5℃。因此本文在判断采暖终日时，附加了一个判据，即在出现第一组5日滑动平均温度通过5℃后，其后连续29 d，即连续30个5日滑动平均超过5℃，才确定其为采暖终日[4，5]。采暖初日和终日之间的日数为采暖期长度。

因为严寒和寒冷地区采暖期普遍跨年度，即从前一年的秋季或冬季开始，而到当年的春季结束，本文定义1951年秋/冬季至1952年春季的采暖期，为1951年采暖期，依此类推。

3.2 采暖强度的计算方法

20世纪50年代初，Thom首次用度日法探讨了能源消费与温度的关系[9-11]。所谓某一天的度日就是指日平均温度与规定的基础温度的实际离差。为了研究的方便，度日又分为两种类型，即采暖度日数（heating degree.day）和空调度日数（cooling degree.day）[12]，如果日平均温度低于基础温度，人们根据采暖的需要，用下式计算采暖度日数：

式中：HDDi为第i天的采暖度日数;Ti为第i天的日平均温度;Tb为基础温度，取为18℃[7]。

采暖强度用HDD18来表示。采暖期采暖度日总量大小反映了采暖期温度的高低，采暖度日数大，说明采暖期温度低，供给的热量要多，采暖强度大，也即采暖需求大。因此，采暖期度日数的变化，直接反映了采暖需求的变化。

3.3 趋势变化速率计算方法

采用文献13的方法，计算趋势变化速率，即用最小二乘法计算时间序列与时间的线性回归系数，即得到趋势变化速率。

3.4 采暖耗煤变化率的计算方法

气候变暖所引起的建筑物采暖耗煤变化量ΔB以及采暖耗煤变化率ηB按照式（2）及式（3）计算。

式中ΔB--建筑物单位面积采暖耗煤变化量，kg/m2; BC--基准气象条件下建筑物单位面积采暖耗煤量，kg/m2; BC′--气候变化后建筑物单位面积采暖耗煤量，kg/m2;

令基准气象条件下建筑物单位度日单位面积建筑物采暖耗煤量qc为

设气候变化前后，单位度日单位面积建筑物采暖耗煤量不变，则

式中HDD18--基准气象条件下采暖度日数，℃.d；HDD18'--气候变化后采暖度日数，℃.d。

将式（4）代入式（2），得

4 结果分析

4.1 采暖期长度及采暖强度的趋势变化分析

通过对84个城镇逐年采暖期长度以及采暖强度的趋势分析，得到见表1所示的各城镇1951～2005年的趋势变化速率。从表中可见，大多数城镇1951～2005年期间，采暖期呈减少趋势，减少最多的是宁夏回族自治区的固原，变化速率为-8.9 d/10 a；东北及内蒙古自治区大多城镇减少趋势也比较明显，变化速率在-5 d/10 a～-3 d/10 a之间；而华北、西北大多数城镇变化速率为-3 d/10 a～0 d/10 a。在这84个城镇中，只有4个城镇（克拉玛依、哈蜜、康定、甘孜）采暖期呈现增加趋势，但趋势均很弱，不到1 d/10 a。

表1 严寒和寒冷地区主要城镇采暖期长度和采暖强度1951～2005年趋势变化速率

采暖强度的减少趋势更加明显。严寒和寒冷地区84个主要城镇1951～2005年采暖强度的变化趋势均为减少，减少趋势最明显的是青海的格尔木和内蒙古自治区的海拉尔，变化速率约-190℃.d/10 a，而减少趋势最弱的是四川的康定。东北大多城镇变化速率为-170℃.d/10 a～-150℃.d/10 a；华北及中原一带大多城镇变化速率为-150℃.d/10 a～-100℃.d/ 10 a。

4.2 近30 a采暖长度及采暖强度平均值变化分析

近30 a（1976～2005年）来，严寒和寒冷地区主要城镇采暖期长度范围在100～320 d之间，极大值位于青海的玛多，采暖期长度为317 d；其次是内蒙古自治区的海拉尔、博克图、满州里、锡林浩特、多伦，黑龙江北部的呼玛、嫩江、伊春以及青海的玉树、大柴旦，这些地区采暖期长度在200～220 d之间；极小值位于江苏的徐州、陕西的西安，接近110 d。图1a为近30 a采暖期长度平均值相对于基准气象条件（1951～1980 a）的距平值分布图，从图上可以看到，近30年采暖期长度减少最多的是宁夏回族自治区的固原、河北省的张家口，减少幅度超过10 d；东北地区大多城镇采暖期长度减少超过5 d；7个城镇采暖期长度有所增加，其中山西省的运城采暖期长度增加最明显，增加幅度超过5 d。

图1 严寒和寒冷地区主要城镇近30 a（1976～2005年）采暖期长度与采暖强度平均值相对于基准气象条件（1951～1980年）距平分布图

近30 a（1976～2005年）来，严寒和寒冷地区主要城镇采暖强度范围在1 600～7 400℃.d之间，采暖强度极大值位于青海的玛多，约7 400℃.d，其次是黑龙江北部的呼玛、嫩江和内蒙古自治区北部的海拉尔、博克图、满州里，采暖强度超过6 000℃.d，极小值位于江苏的徐州，为1 660℃.d。图1b为近30年采暖强度平均值相对于基准气象条件（1951～1980年）的距平值分布图，从图上可以看到，除了四川的康定采暖强度略有增加外，其它城镇均呈减少态势。内蒙古自治区的海拉尔、新疆的塔城、黑龙江的呼玛、青海的格尔木减少超过400℃.d以上；东北地区和内蒙古自治区大多城镇减少超过200℃.d

4.3 1976～2005年相对于1951～1980年采暖期采暖耗煤变化率

我国在1980年代中期以来，冬季变暖强烈[14,15]，这种显著变暖一直维持至今。因此，有必要分析一下最近30 a（1976～2005年）相对于1951～1980年的30年平均气候状况下的采暖期由于气候变暖所导致的采暖耗煤变化率。图2是1976～2005年相对于1951～1980年严寒和寒冷地区84个主要城镇采暖期采暖耗煤变化率ηB分布图。从图上可以看到，新疆维吾尔自治区的吐鲁番、河北省的张家口，1976～2005年相对于1951～1980年采暖耗煤增加10%以上；54个城镇采暖耗煤增加5%以上；只有四川省的康定由于采暖强度略有增加，使得采暖期用煤增加，但增加幅度很小，为0.45%。

图2 中国严寒和寒冷地区84个主要城镇1976～2005年相对于1951～1980年采暖期采暖耗煤变化率ηB分布

5 结论

（1）通过对严寒和寒冷地区84个主要城镇近55 a（1951～2005年）采暖期长度和采暖强度的趋势分析，得出采暖强度减少趋势较为显著，其中减少趋势最明显的是青海的格尔木和内蒙古自治区的海拉尔，变化速率约-190℃. d/10 a；东北大多城镇变化速率为-200℃.d/10 a～-150℃. d/10 a；华北及中原一带大多城镇变化速率为-150℃.d/10 a～-100℃.d/10 a。

（2）严寒和寒冷地区84个城镇中，74个城镇最近30 a（1976～2005年）采暖期长度平均值比1951～1980年30 a均值有所减少，其中宁夏回族自治区的固原、河北省的张家口减少较明显，减少超过10d，东北地区大多城镇采暖期长度减少超过5d；而83个城镇采暖强度呈减少态势，其中内蒙古自治区的海拉尔、新疆的塔城、黑龙江的呼玛、青海的格尔木减少超过400℃.d以上。

（3）最近30 a（1976～2005年）与1951～1980年的30 a平均气候状况比较，除四川省的康定采暖耗煤没有减少外，其它城镇采暖期均由于气候变暖而导致采暖耗煤减少，其中新疆维吾尔自治区的吐鲁番、河北省的张家口，采暖耗煤减少10%以上。

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