气温变化对石家庄市供暖式雾霾的影响及防污闪潜力分析

宋明月，刘光远，王建城，赵杰，苏盛

(智能电网运行与控制湖南省重点实验室(长沙理工大学)，长沙市 410004)



气温变化对石家庄市供暖式雾霾的影响及防污闪潜力分析

宋明月，刘光远，王建城，赵杰，苏盛

(智能电网运行与控制湖南省重点实验室(长沙理工大学)，长沙市 410004)

针对近年来冬季雾霾引发的电力系统污闪事故日渐频繁严重的问题，利用1973年至2012年地面气象观测数据，从冬季采暖耗能排污的角度，结合Mann-Kendall法分析了气候变暖背景下石家庄市冬季采暖日与采暖度日的长时间尺度演化规律，并推算出更加灵活的供暖时限，以期降低由供暖式雾霾引起的污闪事故发生的频率。结果表明，受长时间尺度上气候变化所致冬季增温效应影响，石家庄市采暖日和采暖度日整体呈下降趋势，采暖耗能排污减少，有利于减轻雾霾现象。由于传统上石家庄市统一采用固定120 d时限的供暖制度，而用5日滑动平均法计算石家庄市实际采暖日数和采暖度日数均少于固定时限下的采暖日和采暖度日，因此，对石家庄市而言，如若取消一直沿用的固定采暖初、终日，根据天气条件试行灵活供暖，可能明显降低冬季采暖耗能排污，有助于消解供暖式雾霾，减轻雾霾天气给电力设备带来的不利影响。

采暖需求；供暖式雾霾；污闪

0 引 言

近年来，随着当前经济的快速发展，工业化、城镇化进程的加快，环境污染问题日益严重，带来的危害也越来越明显。自1985年以来，石家庄电网输电线路污闪事故频繁发生。其中1990年2月11日大雾，石家庄地区14条22万V、30条11万V输电线路发生“污闪”，闪络掉闸达215次，是石家庄电网有史以来最严重的大面积污闪[1]。石家庄电网针对严重的浓雾天气提出“雾中含污秽物浓度高，在水平方向上由于风的作用形成水平通量积聚在绝缘子表面，形成湿沉降”，气象部门根据湿沉降的理论，对雾的“脏污”程度进行了初步估算。而今天所谓的雾霾天气，就是当年所讲的“污雾”(含酸雾)以及“积聚在绝缘子表面”的“湿沉降”[2]。

雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，是近地面层空气中水汽凝结而成的产物；霾是一种大气光学现象，通常是由于地面扬尘或大量干粒子污染物构成的气溶胶粒子散射阳光产生的大气浑浊现象，又称“灰霾”[3]。根据气象观测规范定义[4]，雾是指大量微小水滴浮游空中，使水平能见度小于1.0 km的天气现象；霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10.0 km，造成空气普遍浑浊的天气现象。雾霾，是雾和霾的组合词。随着空气质量的恶化，阴霾天气现象增多，危害加重，中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。统称为“雾霾天气”。发生雾霾时，相对湿度一般低于80%，但其水分能使复合绝缘子表面污秽物潮湿，故可将雾霾视为污秽雾[5]。

调研报告表明[6]，雾霾对电力系统的影响主要体现在两方面：一是雾的影响，即湿度的影响，体现在导致电力系统设备外绝缘表面受潮，外绝缘水平下降，从而造成污闪现象；二是霾的影响，即大气中污秽物的影响，体现在使电力系统设备外绝缘表面污秽度增加，与高湿度环境叠加后，也可能造成污闪。而大面积污闪事故对电力系统的破坏却是灾难性的。

自20世纪80年代以来，大面积污闪事故始终是导致我国电力大面积停电的首要原因[6]，可见由雾霾天气所致的污闪事故对电力系统危害很大。从而雾霾也被电网称为“隐形杀手”。因此本文针对近年来雾霾所引起的大面积污闪事故的问题，从采暖耗能排污方面分析长时间尺度上采暖日和采暖度日的变化趋势，以期得出较为合理的供暖时限，有效降低由供暖式雾霾所致的电网污闪事故的频率。

1 资料和方法

1.1 资料

研究所用资料为国家基本/基准站气象站1973年至2011年逐时气温数据，用于分析气候变暖背景下石家庄地区采暖日和采暖度日的变化趋势。

1.2 采暖日

采暖通风国家标准规定，建筑设计用采暖期天数按累年日均温度稳定低于或等于采暖室外临界温度的总日数确定[7]。采暖期长度为采暖初日至采暖终日的天数，可用作反映采暖期耗能的度量指标。在假定不同环境温度中采暖耗能不变的前提下，采暖期长短可反映采暖耗能大小。采暖期长则耗能多；采暖期短则耗能少。本文确定采暖初、终日时，采用连续5天滑动平均法来确定采暖初、终日，具体步骤详述如下：

(1)采暖初日确定：

1)在头年降温季节中找出日最高温度第1次≤5 ℃的日期，向前推4天，按日序依次算出5日滑动平均温度。

2)从1年中最长的1段大于该界限的序列中选取第1个≤5 ℃的5日滑动平均温度。

3)从组成该5日滑动平均温度的5天中，选取第1个日最高温度≤5 ℃的日期。

(2)采暖终日确定：

1)在次年升温季节中找出日最高温度第1次>5 ℃的日期，向前推4天，按日序依次计算出5日滑动平均温度，直到出现第一个5日滑动平均温度>5 ℃。

2)选取最后一个>5 ℃的5日滑动平均温度，从组成该5日滑动平均温度的5天中选取最后1个日最高温度>5 ℃的日期。

1.3 采暖度日

采暖度日(heating degree days，HDD)是指一段时间日平均温度低于临界温度的累积度数，是一种反映供暖能源需求状态的热量单位。利用度日可将能源消费和温度关联起来进行能耗变化预测和能量管理[8]。采暖度日的计算方式如式(1)所示：

(1)

式中T0为临界温度，一般取18 ℃；Ti为第i日平均温度，如日均温度高于临界值，则rd=0，反之，rd=1。

年HDD一般定义为每年各月HDD之和。某时段的采暖度日总量一般与该时段总加热量成正比。因此，一般认为度日和燃料消耗及采暖排污间具有线性关系[8]。

1.4 Mann-Kendall法原理与计算步骤

作为一种基于秩的非参数检验方法，Mann-Kendall统计检验法不要求样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算简便、检测范围宽[9]，适用于水文、气象等非正态分布数据，并已在气温、降水、径流、水质等水文气象时间序列资料的长期变化趋势预测上得到的广泛应用[10-12]。本文应用Mann-Kendall法进行统计检验，分析冬季采暖耗能排尘及影响污染扩散风速的变化趋势。

Mann-Kendall检验中，检验的统计变量Sk计算如式(2)所示，即

(2)

其中：

秩序列SK是第i时刻值大于第j时刻值个数的累计数。在时间序列随机独立前提下，定义统计量：

(3)

式中：UF1=0;E(Sk)、Var(Sk)分别为累计数Sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互独立且有相同连续分布时，可由式(4)算出：

(4)

UFk为标准正态分布，它是按时间序列x的顺序x1，x2，…，xn计算出的统计量序列。在给定显著水平a=0.05下(U0.05=1.96)，若|UFk|>U0.05，则表明序列存在明显的趋势变化。按时间序列x的逆序xn，xn-1，…，x1，重复上述过程，同时使序列逆序值UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1= 0。

根据上述步骤，即可求得顺序时间序列UFk和逆序时间序列UBk；将UFk、UBk曲线和U0.05临界值绘制成图后，即可根据图形判断数据序列的变化趋势和突变点时刻。

(1)UFk>0，则序列呈上升趋势；

(2)UFk<0，则序列呈下降趋势；

(3)UFk超过U0.05临界线时，上升或下降趋势显著；

(4)UFk和UBk出现交点且交点在临界线之间，则交点对应时刻即为突变开始时刻；

(5)曲线UFk和UBk出现多个交点且交点在临界线之间，同时改变时间尺度后突变时间点基本稳定，则确系突变点，否则为干扰杂点[9，11]。

2 结果分析

2.1 气温变化对采暖期长度影响分析

气温是气候变化的重要因子之一，气温变化的一个显著特征是地表平均温度升高。观测表明，我国冬季平均温度上升明显高于夏季[13]，容易形成暖冬，缩短采暖期长度，导致采暖需求和采暖排污下降。

图1为1973～2011年石家庄市逐年采暖日数变化趋势图，其中，点线是以传统计算方式，采用固定120天(头年的11月15日至次年的3月15日)时限的供暖制度而得来的采暖日数，折线为5日滑动平均法计算而得到的实际采暖日数，虚线为实际值的拟合直线。由图1可见，5日滑动平均法计算得到的采暖日数要比传统方式下的采暖日数低得多，并且在1994年达到40年来的最低谷，与传统的120天相差甚远。同时采暖日数整体变化趋势可表达为气候倾向率-4.215 ℃·d/10 a，可见，石家庄市实际年采暖日数呈显著下降趋势。

图1 石家庄市年采暖日数变化趋势Fig.1 Variation trend of annual heating days in Shijiazhuang

石家庄市实际采暖初终日年代变化列如表1所示，由表1可以看到，与传统采暖初日11月15日相比，实际采暖初日除00年代略有延迟外，其他均差别不大。与传统的采暖终日3月15日相比，实际采暖终日均有较大提前，且提前的天数也在逐渐加大。其中到00年代采暖终日提前到2月23日，与固定采暖期相比，终日提前了43天。由于气候变化所致冬季增温效应影响，石家庄市的实际采暖日数整体呈下降趋势且均少于固定的120天供暖期，因此相比传统方式下，其采暖耗能排污相对减少，有利于降低粉尘污染排放，减轻供暖式雾霾发生的频率和强度，从而降低其对电力系统带来的不利影响。

表1 石家庄市年代平均采暖初日、终日及采暖日变化情况

Table 1 Change of average age date of heating days along with its first day and last day in Shijiazhuang

2.2 气温变化对采暖度日影响分析

5日滑动法所得出的采暖期天数虽与传统采暖期天数不同，但是气候变化引起的采暖日变化并不直接影响供暖持续时间，采暖日的变化对冬季采暖耗能排污影响并不明显。因此需要另一指标采暖度日来衡量气候变化背景下冬季采暖耗能排污的程度。

采暖期能耗的大小主要是由采暖期长度和采暖期度日值的高低决定[14]。有关研究[15]表明：与气候有关的采暖需求可以用采暖度日指数来加以估算。将整个取暖季节的度日值累加起来，可用作全年取暖需求的一个指标，一个时段的采暖度日总量与该时段加热量成正比。因此，一般认为度日和燃料消耗及采暖排污间具有线性关系[8]，即采暖度日值变化可以反映出采暖能耗的变化。

因石家庄市按固定时限进行供暖，气候变化引起的采暖日变化并不会对采暖耗能排污造成直接影响，为分析受固定采暖期制度约束而变化的采暖耗能，类似计算了固定采暖时限下的采暖度日数和实际采暖期下的采暖度日数，并绘制HDD及变化趋势图如图2所示。其中，点线代表传统方式固定采暖期得来的采暖度日数，折线为实际采暖期计算而得到的实际采暖度日数。由图2可知石家庄市实际采暖度日基本低于传统方式下的采暖度日，且受全球气候变暖的影响，采暖度日和采暖日一样呈下降趋势，且采暖度日实际变化率为-92.36 ℃·d/10 a。

图2 石家庄市HDD及其变化趋势图Fig.2 Variation trend of HDD in Shijiahuang

为比较实际采暖期与固定采暖期在各个年代际上对采暖度日的影响，还计算了各年代际石家庄市实际采暖度日与固定采暖期下对应的采暖度日，其变化率见表2。

表2 实际采暖度日较固定采暖期差异

Table 2 Difference in calculated HDD &HDD of fixed heat day

由表2可见，实际的采暖度日和固定采暖时限计算的采暖度日差别较大，实际采暖度日始终低于固定时限下的采暖度日，并且实际采暖度日变化率更为明显，达-92.36 ℃·d/10 a，而采用固定时限的采暖度日变化率为-45.32 ℃·d/10 a。因此，对石家庄市而言，合理修正固定时限的供暖制度，可以明显降低采暖耗能排污，有助于消解供暖式雾霾，确保电网安全稳定的运行。

2.3 长时间尺度下采暖度日突变分析

为深入分析，以下还借助Mann-Kendall法对典型城市年均采暖度日进行变化趋势检验，绘制UFk、UBk曲线如图3所示。

图3 石家庄市HDD Mann-Kendall统计量曲线Fig.3 Statistical curve of HDD Mann-Kendall in Shijiazhuang

对比图3和图2可见：

(1)1992年以前，石家庄市UFk值波动频繁，此后UFk<0，采暖度日数持续下降，并在2003年后超过a=0.05 (U0.05=±1.96)的显著性水平，下降趋势明显。

(2)改变逐年采暖度日数时间尺度为1975～2005、1975～2010、1980～2005和1980～2010后，均在1992年前后检测到UFk和UBk的交点，因此可判定石家庄市采暖度日数在1992年存在由波动上升到下降的突变，结果与表2基本相符。

3 结 论

为减轻冬季雾霾引发的电力系统污闪事故，本文从冬季采暖耗能排污的角度，分析了气候变暖背景下石家庄市冬季采暖日与采暖度日的长时间尺度演化规律。结果表明，受全球气候变暖的影响，石家庄市采暖日和采暖度日整体呈下降趋势，采暖耗能排污减少，有利于减轻供暖式雾霾发生的频率。由于传统上石家庄市统一采用固定120天时限的供暖制度，而石家庄市实际采暖日数和采暖度日数均少于固定时限下的采暖日和采暖度日，因此，对石家庄市而言，如若根据气候变化特点，取消一直沿用的固定采暖初、终日，试行灵活供暖，有望化解固定供暖期导致虚耗采暖耗能排污，有助于消解供暖式雾霾，减轻雾霾天气对电力设备带来的不利影响。

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(编辑：张媛媛)

Influence of Temperature Change on Heating Haze in Shijiazhuang and Prevention Potential of Pollution Flashover

SONG Mingyue， LIU Guangyuan， WANG Jiancheng， ZHAO Jie， SU Sheng

(Hunan Key Laboratory of Smart Grids Operation & Control, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

Weather observation data of North China from 1973 to 2012 were investigated to analyze long term variation trend of haze related meteorological conditions which arised the frequency of pollution flashover on power system. The Mann-Kendall test was utilized to estimate a more flexible heating policy and reduce the frequency of pollution flashover on power system by analyzing the variation trends and mutation points of haze. It is uncovered that the escalated surface temperature in winter leads to the reduction in heating days and heating degree days (HDD) and the associated reduction in heating demand and the air pollution under the context of climate change. Traditionally, a fixed 120 heating days has been carried out in Shijiazhuang area all the time, however, the actual heating days and HDD calculated by the method of five days moving average put a reduction when compared to the fixed one. Therefore, for Shijiazhuang, the cancel of the traditional fixed heating first day, last day and the implementation of a flexible heating policy can have a notable reduction in heating demand and air pollution as well as a reduction in the pollution flashover on power system caused by heating haze.

heating demand; heating haze; pollution flashover

TK 01

A

1000-7229(2015)06-0119-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.020

2015-04-02

2015-04-30

宋明月(1991)，女，硕士研究生，主要研究方向为气候变化对能源及电力系统的影响；

刘光远(1990)，男，硕士研究生，主要研究方向为气候变化对能源及电力系统的影响；

王建城(1989)，男，硕士研究生，主要研究方向为气候变化对能源及电力系统的影响；

赵杰(1991)，男，硕士研究生，主要研究方向为气候变化对能源及电力系统的影响；

苏盛(1975)，男，博士，副教授，主要研究方向为气候变化对能源及电力系统的影响。