未來氣候情境下中國能源消費的氣候因子能耗分析

未來氣候情境下中國能源消費的氣候因子能耗分析

1氣候變化對能源消費的影響能源消費和氣候變化之間的關(guān)系是相互的。能源消費被認為是世界變化的主要原因之一。全球變化對能源消費有一定的影響。許多研究發(fā)現(xiàn)氣候因子與能源消耗(包括天然氣、電、燃油等各種能源)之間有顯著的相關(guān)關(guān)系,大氣CO2濃度增加可能引發(fā)的氣候變化會對能源消費帶來明顯影響。在美國、香港、地中海和中國大陸[17,18,19,20,21,22]等地區(qū)展開的氣候變化對能源消費的影響研究也證實能源消費和氣候之間有密切的關(guān)系,氣候變化會引發(fā)能源消費變化。袁順全等對中國大陸能源消耗和氣候關(guān)系的研究,得到過去幾十年我國能源消耗與氣候的關(guān)系隨時間增強的變化情況。Qian等研究了中國過去幾十年氣候?qū)δ茉聪M的影響,但沒有分析未來氣候和社會經(jīng)濟情景下的情況。目前,氣候?qū)W界一般認為,大氣中CO2等溫室氣體濃度增加將導致未來氣候進一步變暖,同時隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,未來中國能源消費對氣候變化的敏感性必然會增加,作為人口和能源消費大國,未來氣候情境下中國氣候因子耗能(氣候耗能)可能會有較大的變化。本文利用IPCC推薦的7個模式的模擬結(jié)果,嘗試分析未來人為因素引起的氣候情景下,中國各省級行政區(qū)能源消費中氣候因子耗能的變化情況。首先依據(jù)模式預測結(jié)果計算度日,然后利用Robinson的方法計算中國各省(區(qū)、市)能源消費中的氣候耗能,對其可能變化趨勢進行分析,希望可以為國際談判、制定能源戰(zhàn)略和指導節(jié)能減排提供參考。2數(shù)據(jù)來源與研究方法2.1日平均溫度、點分布及能源數(shù)據(jù)來源中國676個國家基準、基本站1951～2000年月平均溫度數(shù)據(jù)和省會城市站1971～2000年日平均溫度數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心,站點分布見圖1。各省(區(qū)、市)能源相關(guān)數(shù)據(jù)來源于中國統(tǒng)計年鑒。由于數(shù)據(jù)缺失,臺灣、西藏、香港和澳門沒有納入氣候耗能分析中,重慶市并入四川省進行分析。2.2計算日期及加和確定Thom在20世紀50年代初首次提出了度日(degree-day,DD)的概念,作為表征環(huán)境調(diào)節(jié)需求的重要指標之一,國內(nèi)外學者利用度日方法進行了許多氣候與能源方面的分析。某日的度日就是該日平均溫度與規(guī)定的舒適/基礎(chǔ)溫度的偏差,偏差越大環(huán)境調(diào)節(jié)的需求越強烈。根據(jù)不同的目的可以分為取暖度日和降溫度日。取暖度日(heatingdegree-day,HDD)是日平均溫度低于基礎(chǔ)溫度的值,降溫度日(coolingdegree-day,CDD)是日平均溫度高于基礎(chǔ)溫度的值。HDD=Tb1-TiTi≤TdCDD=Ti-Tb2Ti≥Tb2其中:Ti為日平均溫度;Tb1為取暖的舒適溫度;Td為取暖的界限溫度;Tb2為降溫的舒適溫度。根據(jù)《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定和相關(guān)研究,本文設(shè)定的取暖界限溫度為5℃,舒適溫度為18℃,降溫的舒適溫度設(shè)定為夏季開始的界限溫度22℃。年度日為一年度日值的直接加和,還可以利用月均溫通過統(tǒng)計方法獲得近似值。這里選擇Wendland提出的月平均溫度直接計算法計算年總度日。DDy=∑m=112DDm=∑m=112|Tm?Tb|nDDy=∑m=112DDm=∑m=112|Τm-Τb|n其中,DDy為年總度日值;DDm為月度日值;Tm為月平均溫度;Tb為基礎(chǔ)溫度;n為每月天數(shù)。為檢驗月平均溫度計算年度日方法的可行性,對29個省會城市1970～2000年逐日和月平均溫度計算的結(jié)果進行了比較,結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.999,通過0.01的顯著檢驗,相對誤差0.0576,可以滿足本研究的精度要求。2.3對中國區(qū)域的模擬能力估計本文采用IPCC推薦的7個全球氣候模式(CCCMA_3,CSIRO_MK3,GFDL_CM2_0,MIROC3,MPI_ECHAM5,NCAR_CCSM,UKMO_HADCM)模擬結(jié)果預測未來氣候情景。關(guān)于7個模式的參數(shù)細節(jié)和模式對中國區(qū)域的模擬能力等,可參考相關(guān)文獻。計算在A1B溫室氣體排放情景下1990～1999年、2020～2029年和2050～2059年7個模式平均的溫度值。A1B情景是一種設(shè)定的未來溫室氣體中等排放情景。在這種情景下,大氣中CO2濃度將在21世紀末或22世紀初比工業(yè)化前提高1倍。對能源消費的研究,站點數(shù)據(jù)比格點數(shù)據(jù)更能表現(xiàn)環(huán)境調(diào)節(jié)的需求,所以我們利用三次內(nèi)插將氣候模式的輸出結(jié)果插值到676個站點上。利用7個模式輸出結(jié)果的算術(shù)平均值以及Wendland方法計算各氣象臺站未來氣候變化情景下的年度日值。2.4氣候能耗分析能源消費總量的變化受到社會經(jīng)濟因子和氣候因子的共同影響,其構(gòu)成可用下式表示:y=yt+yw+yc式中,y為實際能源消費量,yt為能源消費趨勢量(社會經(jīng)濟耗能量),yw為波動量(氣候耗能量),yc為隨機量。趨勢量是假設(shè)在氣象等因子正常的情況下,由于社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生的能源消費量,是逐漸上升的,在時間序列上是個變化比較平穩(wěn)的過程。氣候耗能量是指由于氣象因子(溫度、降水、氣象災害等)的季節(jié)、年際波動而產(chǎn)生的能源消費量,是造成能源消費量圍繞社會經(jīng)濟耗能量波動的主要因素,有隨經(jīng)濟發(fā)展的趨勢量和受氣候波動影響的分量,其中后者又可以分為受氣象災害影響的部分和室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)用的部分。氣象災害的影響一般隱含于農(nóng)業(yè)耗能中,隨著快速的工業(yè)化進程,氣象災害耗能的影響越來越微弱。自20世紀80年代以來,中國能源消耗和氣象災害的相關(guān)性越來越低。另一方面,隨著中國經(jīng)濟發(fā)展和空調(diào)使用量的增加,能源消費和溫度的相關(guān)性將越來越顯著。1990～1999年取暖度日與取暖煤炭消耗量的相關(guān)性通過了0.05的信度檢驗,同時1986～1998年降溫度日和降溫電力消耗量的相關(guān)性也通過了0.05水平的信度檢驗。此外,在現(xiàn)階段氣象災害情景的預測非常困難,因此,本文只討論溫度變化對氣候耗能的影響,不涉及氣象災害對氣候耗能的影響。式中隨機量是指由于其他隨機因素而產(chǎn)生的那部分能源消費量,一般所占的比例較小,且不易分離,通常忽略。通過對比分析發(fā)現(xiàn)我國各省(區(qū)、市)國內(nèi)生產(chǎn)總值的對數(shù)形式(yt=b0+b1lnx)可以很好地擬合能源消耗中的社會經(jīng)濟分量,擬合值與實際值的相關(guān)系數(shù)均超過0.01的顯著水平(附表1)。統(tǒng)計分析各省(區(qū)、市)GDP與社會經(jīng)濟耗能的關(guān)系,擬合各省(區(qū)、市)逐年社會經(jīng)濟耗能量,計算各省(區(qū)、市)逐年實際能源消耗量與社會經(jīng)濟耗能的差值,得到氣候耗能量?？照{(diào)、暖氣等環(huán)境調(diào)節(jié)活動需要一定的社會經(jīng)濟支撐,隨著經(jīng)濟發(fā)展、人民生活水平提高,空調(diào)、暖氣等將大量使用,用于室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)的能源必將不斷增加,此外,還有人口、技術(shù)進步等因素的影響,因此對氣候耗能的研究不能脫離社會經(jīng)濟發(fā)展,尤其是我國目前的社會經(jīng)濟水平不能完全滿足環(huán)境調(diào)節(jié)用能需求,簡單的使用度日對氣候耗能進行回歸不能恰當擬合未來氣候耗能。為綜合社會經(jīng)濟和氣候變化的影響,本文在模擬氣候耗能情景時借鑒了Robinson的方法,假定對特定的溫度,氣候耗能可用由非氣候因素組成的公式?jīng)Q定:yw=yt×wt則:y=yt+yt×wt式中,y為總能耗,yt為社會經(jīng)濟耗能,yw為氣候耗能,wt為氣候敏感系數(shù)。為計算方便設(shè)定w=1+wt,即:y=yt×ww=y/yt由此得到剔除社會經(jīng)濟等因素影響后的氣候耗能因子w。分析1961～1999年各省(區(qū)、市)氣候敏感系數(shù)和氣候因子之間的關(guān)系。各省(區(qū)、市)經(jīng)濟和社會發(fā)展水平以及消費水平不同,氣候耗能與氣候因子之間的關(guān)系有很大的差異,各省(區(qū)、市)氣候敏感系數(shù)與氣候因子之間的關(guān)系也存在著較大的差異。計算各氣候因子與氣候敏感系數(shù)的回歸方程,并比較回歸結(jié)果與實際值之間的相關(guān)性,最終確定各省(區(qū)、市)氣候因子(溫度/度日)對氣候敏感系數(shù)的回歸方程(附表2)。假設(shè):1)當達到2020～2029和2050～2059年的經(jīng)濟目標時,我國總的能源消耗情況與美國達到同樣國民生產(chǎn)總值時相同;2)在1990～2059年,我國各省(區(qū)、市)能源消耗格局沒有大的變化。預計到2020～2029年,我國年平均GDP相當于美國1982～1991年的水平,約5.22×1012$。美國1982～1991年每年平均能源消耗為2.381×105萬噸標準煤。假設(shè)我國2020～2029年消耗的能源與之相同,各省(區(qū)、市)的能源消耗在全國消耗中所占比例與1990～1999年一致,可以推算出屆時我國各省(區(qū)、市)能源消耗情況。同樣可以推測我國2050～2059年每年約消耗14.12×105萬噸標準煤。利用各省(區(qū)、市)氣候因子(溫度/度日)對氣候敏感系數(shù)的回歸方程計算氣候敏感因子,結(jié)合總的能源消耗量,通過Robinson的方程以及對未來溫度和度日的估計值,計算得到2020～2029年和2050～2059年兩個時段的平均氣候耗能情景。3結(jié)果與分析3.1總粒度和降溫圖2所示為模式平均的我國1961～2060年平均年總度日。在未來人為氣候情景下我國平均年度日有明顯的下降趨勢,特別是2000年以后,度日的線性趨勢達到-7.7℃/a。另外,模式平均的度日變化情況在我國不同的地區(qū)有不同的表現(xiàn)。圖3所示為以1990～1999年為基準的各省(區(qū)、市)未來總度日變化情況?？梢?在人為氣候變化情景下,我國未來總度日的變化有明顯的地域性。西部大部分地區(qū)降低;中東部地區(qū)總度日一般隨緯度降低而增加,可以淮河為界分為南北兩類,北部降低,南部增加,中原地區(qū)總度日變化不明顯。到2020～2029年,西部地區(qū)和北方地區(qū)(淮河以北)的總度日將經(jīng)歷顯著的降低過程,降低最多的是青藏高原的西藏自治區(qū)和青海省,其次為內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省;南方地區(qū)各省(區(qū)、市)可能有不同程度的增加,其中海南省的增加最為強烈,其次為廣東省和廣西壯族自治區(qū)。除去江蘇、安徽和浙江三個省外,2050～2059年總度日可能變化情景的地理分布特征與2020～2029年類似,只是變化的幅度要更大一些?？偠热赵黾拥氖》萑灾饕植荚谀戏窖睾Ｊ》?。增加最多的省(區(qū)、市)仍然是海南,其次為廣東、廣西、福建和上海;總度日減少仍以青藏高原和東北地區(qū)最多,減少最多的省(區(qū)、市)為西藏,其次是吉林和青海。分別計算各省(區(qū)、市)未來年取暖度日和降溫度日的變化情況(圖4)。受人類活動導致的全球變暖影響,我國各省(區(qū)、市)未來年平均溫度均將上升,增溫幅度北方大于南方,冬季大于夏季;各省(區(qū)、市)取暖度日降低,降溫度日則有所增加;北方各省(區(qū)、市)降溫度日的增加明顯低于南方,但取暖度日的降低則遠大于南方。從全國來看取暖度日的變化強度也大于降溫度日,例如,海南省降溫度日的增幅分別為209.3和452.0℃,小于吉林省取暖度日413.4和1236.4℃的降低幅度。3.2氣候能耗分布情況由相比于1990～1999年我國2020～2029年和2050～2059年氣候耗能的可能變化情景可以看出,未來我國南方沿海大部分地區(qū)氣候耗能量將呈上升趨勢,氣候耗能的下降省(區(qū)、市)主要分布在北方、中部和西部地區(qū)。這與我國總度日變化的地理分布大致一致。就各省(區(qū)、市)和未來不同時期來看,我國2020～2029年的氣候耗能(圖5)增長以廣東、福建和云南最高;氣候耗能降低最顯著的省(區(qū)、市)為青海和四川,其次為吉林和內(nèi)蒙古;中部地區(qū)變化較小。但由于大部分省(區(qū)、市)氣候耗能增加,全國總的氣候耗能也呈增加趨勢。2050～2059年,氣候耗能變化的空間分布情況與2020～2029年類似,但變化的量值明顯增加。(圖6)從氣候耗能的變化中可以看到度日的影響?？偠热赵黾拥氖?區(qū)、市)一般氣候耗能也有所增長,且度日增加越大能耗的增加也越大。例如廣東和福建總度日增加的幅度較大,兩省氣候耗能的增量也較大;內(nèi)蒙和四川總度日減少的幅度較大,其氣候耗能的減少也較其他省(區(qū)、市)顯著。但是,度日變化相近的省(區(qū)、市)氣候耗能也可能有較大的差異,這當歸結(jié)為社會經(jīng)濟因子的影響。例如在2020～2029年氣候耗能的情景中,福建總度日的增長略小于廣西,但是氣候耗能的增長值卻大于后者,分別為556和340萬噸標準煤。在2050～2059年氣候耗能的情景中也存在這種現(xiàn)象。例如吉林和青海在2050～2059年總度日的變化幅度相近,分別為-586.6℃和-563.8℃,但氣候耗能的變化值有較大的差異,分別為2339和-962萬噸標準煤。福建、廣西、北京、河北和寧夏等省(區(qū)、市)也有相似的現(xiàn)象。4我國氣候能耗展望利用7個全球耦合模式的輸出結(jié)果得到未來我國各省(區(qū)、市)地面溫度和度日的可能變化趨勢,然后計算得到了我國未來氣候耗能的可能變化情景。得出結(jié)論如下:1)受未來氣候變暖的影響,我國未來平均取暖度日明顯降低,降溫度日有所增加,總度日將顯著降低,但總度日的變化有明顯的地域性,西部和北方地區(qū)降低,南方地區(qū)有所增加。各省取暖度日將普遍降低,降溫度日將有不同程度的增加。北方和西部地區(qū)取暖度日的減少大于降溫度日的增加,南方地區(qū)降溫度日的增加占優(yōu)勢,但總體來看取暖度日的變化幅度要大于降溫度日。2020～2029年和2050～2059年度日的空間變化格局相似,但是2050～2059年的變化幅度要大于2020～2029年。2)受度日變化的影響,未來我國南方大部分地區(qū)的氣候耗能有所增加,而下降區(qū)主要分