基于城市熱島強(qiáng)度的城市hdd和cdd研究遼寧中部城市群度日的變化特征

基于城市熱島強(qiáng)度的城市hdd和cdd研究遼寧中部城市群度日的變化特征

日度指數(shù)和粒度為城市熱島效應(yīng)的研究領(lǐng)域,日所謂日常遭遇，是指日平均溫度與給定閾值之間的實(shí)際距離差，分為炎熱日、hdd日和寒冷日（cdd）日。度日最初是用來反映農(nóng)作物生長(zhǎng)中所需熱量水平的物理量單位,近年來發(fā)展為一個(gè)能夠反映供暖和制冷所需能源的時(shí)間溫度指數(shù),被廣泛應(yīng)用于氣候變化和能源需求的研究領(lǐng)域。Thom在1950s初首次用度日法探討了美國(guó)能源消費(fèi)和溫度的關(guān)系,此后,Byrd、Badescu、Kadioglu分別對(duì)度日的計(jì)算方法以及觀測(cè)時(shí)間對(duì)平均氣溫和度日的影響等進(jìn)行了分析。目前,美國(guó)氣象部門部分網(wǎng)站還公布逐日的度日值。我國(guó)近年才開展有關(guān)度日的研究。如陳峪等以降溫度日數(shù)為指標(biāo),分析了我國(guó)夏季降溫度日分布和長(zhǎng)期變化特征,并建立了夏季降溫耗能評(píng)估模型。姜逢清等分析了新疆主要城市的采暖與制冷度日數(shù)的空間變化。謝莊等分析了北京地區(qū)熱度日和冷度日的變化特征。盡管國(guó)內(nèi)對(duì)度日進(jìn)行了一些研究,但有關(guān)東北地區(qū)度日研究較少,而在全球變暖的背景下[10,11,12,13,14,15],東北地區(qū)變暖更為明顯,在這種明顯的變暖背景下,度日如何變化,以及如何影響城市熱島效應(yīng)和能耗,值得深入探討。本研究以遼寧中部城市群沈陽、撫順、本溪和鞍山為研究對(duì)象,分析研究區(qū)1951—2006年HDD和CDD的月際、年際和年代際變化特征,并探討度日與城市熱島效應(yīng)及能源消耗的關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)東北老工業(yè)基地的能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)。1數(shù)據(jù)和方法1.1適當(dāng)插補(bǔ)日變化利用1951—2006年沈陽、撫順、本溪(資料自1956年始)和鞍山4個(gè)氣象臺(tái)站的逐日最高氣溫和逐日最低氣溫資料進(jìn)行度日的計(jì)算。為保證資料的均一性,首先對(duì)資料不連續(xù)的臺(tái)站進(jìn)行適當(dāng)插補(bǔ)。對(duì)于單日氣溫缺測(cè)的情況,用本站前后各1d的氣溫值取平均值作為該缺測(cè)日的氣溫;對(duì)于超過1d連續(xù)缺測(cè)的情況,用缺測(cè)站與相鄰站的氣溫進(jìn)行線性回歸,然后對(duì)缺測(cè)日進(jìn)行插補(bǔ)。沈陽氣象臺(tái)站在1960年和1989年曾2次遷站,1960年的遷站對(duì)氣溫影響較小,所以忽略不計(jì),而1989年是由城區(qū)遷至一植被區(qū),因此對(duì)氣溫影響較大,對(duì)此次遷站后的數(shù)據(jù)分段進(jìn)行回歸、經(jīng)內(nèi)插、外推后進(jìn)行氣溫修正,并進(jìn)行了信度檢驗(yàn),利用修正后的氣溫進(jìn)行度日的計(jì)算。1.2閾值溫度的確定度日的計(jì)算方法采用較簡(jiǎn)便的方法,即利用日最高氣溫與日最低氣溫的平均值來代替日平均氣溫,與閾值溫度做運(yùn)算得到HDD(用dh表示)或CDD(用dc表示)。計(jì)算公式為:dh=Tb-(Tmax+Tmin)/2(1)dc=(Tmax+Tmin)/2-Tb(2)式(1、2)中,Tb為閾值溫度,計(jì)算dh時(shí),Tb取18℃,計(jì)算dc時(shí),Tb取26℃;Tmax為日最高氣溫;Tmin為日最低氣溫。閾值的設(shè)定是人為規(guī)定的,各個(gè)國(guó)家設(shè)定的閾值溫度是不同的。美國(guó)、英國(guó)、波蘭和加拿大的閾值溫度分別為18.3℃、15.5℃、17℃和18℃。我國(guó)分別采用18℃和26℃作為dh和dc的閾值。對(duì)于一段時(shí)間內(nèi)的度日,只需將這段時(shí)間內(nèi)的每日的度日加和即可。2結(jié)果分析2.1日記中的月變化特征2.1.1dh的季節(jié)和季節(jié)分布遼寧中部城市群4城市沈陽、撫順、本溪和鞍山dh月平均最大值均出現(xiàn)在1月(圖1),分別為891.1℃·d、974.4℃·d、923.3℃·d和851.6℃·d,其次為12月和2月。這與謝莊等對(duì)北京度日的研究結(jié)果是一致的。但北京月平均dh最大值僅為687.9℃·d,小于本研究中月平均dh最大值,表明遼寧中部城市群冬季dh較高。dh值大表明供暖季節(jié)溫度低,采暖需要消耗的能源多。因此,與北京相比,遼寧中部城市群4城市如果想達(dá)到人體的最舒適溫度,需要消耗更多的能源。而作為夏季的6—8月,4城市中dh3個(gè)月的和均小于10℃·d,尤其是7月和8月,各城市dh幾乎接近為0(撫順8月平均dh為1.0℃·d)。可見,遼寧中部城市群dh的月際差異還是較大的。2.1.2夏季電月平均dc遼寧中部城市群4城市沈陽、撫順、本溪和鞍山dc月平均最大值均出現(xiàn)在7月(圖2),分別為14.8℃·d、6.3℃·d、7.1℃·d和16.0℃·d,其次為8月和6月。這與北京dc月變化規(guī)律是一致的,但北京dc最大值為259.2℃·d,遠(yuǎn)大于本研究中的dc最大值,表明遼寧中部城市群夏季dc較低。由于dc值大表明夏季氣溫高,空調(diào)制冷消耗的能源也較多。因此,與北京相比,遼寧中部城市群4城市夏季制冷需要消耗的能源比北京小得多。除6—8月外,遼寧中部城市群其他各月dc值基本接近于0。而北京除6—8月有較大的dc值外,5月和9月dc值也較大。在遼寧中部城市群4城市中,與dh值相比,dc值較小,因此,dc的月際差異也比dh的小得多。2.2日記的年變化特征2.2.1氣候服務(wù)系統(tǒng)年際遼寧中部4城市dh的年際變化均呈下降趨勢(shì)(圖3),這與北京dh年變化規(guī)律是一致的。沈陽、撫順、本溪和鞍山的下降率分別為-129.6℃·d/10a,-28.0℃·d/10a,-53.3℃·d/10a和-132.5℃·d/10a,其中以鞍山下降率為最高。有研究表明,鞍山平均氣溫線性增長(zhǎng)率為0.45℃/10a,冬季為0.74℃/10a,高于全國(guó)年平均氣溫增幅0.208℃/10a,全國(guó)冬季增幅0.313℃/10a。由此可見,鞍山氣候變暖較為顯著。由表1可知,4城市dh年最大值出現(xiàn)在1956年和1969年,而dh年最小值出現(xiàn)在1959年和1998年。由于dh較大值均出現(xiàn)在冬季的12月至2月,說明沈陽和本溪1956年、撫順和鞍山1969年均為冷冬年,而撫順1959年為暖冬年,其他3市1996年為暖冬年。沈陽、撫順、本溪和鞍山的多年平均dh值分別為4244.8℃·d,4375.3℃·d、4083.0℃·d和3709.7℃·d。而北京多年平均dh值為2922.6℃·d,濟(jì)南為1757℃·d,表明緯度不同,dh也不同。研究表明,多年平均年采暖度日隨緯度、經(jīng)度和海拔的升高而增大。4城市相比,鞍山dh年平均值最小,冬季耗能最少,而撫順冬季耗能最多。2.2.2城市dc年比較遼寧中部城市群4城市dc的年際變化呈不同的變化規(guī)律(圖4),沈陽和鞍山呈微弱的上升趨勢(shì),上升率分別為6.3℃·d/10a和5.2℃·d/10a,這兩個(gè)城市表現(xiàn)出的上升趨勢(shì),很可能與城市快速發(fā)展而導(dǎo)致的熱島強(qiáng)度增加有關(guān)。撫順和本溪呈微弱的下降趨勢(shì),下降率分別為-1.6℃·d/10a和-0.4℃·d/10a。這表明,在全球變暖的大背景下,局部地區(qū)有變冷的趨勢(shì),其原因有待于進(jìn)一步研究。由表2可知,4城市dc年最小值均為0(鞍山為2.5℃·d),尤其是撫順有5個(gè)年份dc年最小值為0,表明撫順夏季低溫年較多。沈陽、撫順、本溪和鞍山的多年平均dc值分別為34.8℃·d、11.2℃·d、12.7℃·d和32.9℃·d。而北京多年平均dc值為826.7℃·d,濟(jì)南為170℃·d,表明各地dc差異較大。這與姜逢清等的研究結(jié)果多年平均年制冷度日隨緯度和經(jīng)度的變化不大是不同的。4城市相比,鞍山夏季空調(diào)制冷消耗的能源最多,而撫順夏季制冷消耗的能源最少。2.3日代變化特征2.3.1dh年代際變化特征自1950s始至2006年,除撫順外,其他各城市dh年代際變化均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)(圖5),這與北京dh年代際變化規(guī)律是一致的。4城市相比,撫順自1960s后呈下降趨勢(shì),但下降幅度較小。2.3.2城市dc年代際變化情況自1950s至21世紀(jì)的2006年,遼寧中部城市群4城市dc年代際變化均表現(xiàn)為降—升—降的規(guī)律(圖6)。即1950s—1970s,4城市dc年代際變化均呈下降趨勢(shì),1970s—1990s呈上升趨勢(shì),而1990s至21世紀(jì)的2006年,又呈下降趨勢(shì)。這不同與北京dc年代際的變化規(guī)律。4城市相比,鞍山和沈陽的變化幅度較大,變化趨勢(shì)也較為一致,而本溪和撫順的變化幅度較小,尤其是本溪?dú)鉁啬甏H波動(dòng)很小。3日與其他因素之間的關(guān)系3.1年dc與相關(guān)系數(shù)年dh與年平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫的相關(guān)系數(shù)較高,分別為-0.91,-0.83和-0.85,年dc與其的相關(guān)系數(shù)分別為0.40,0.28和0.38,并且均通過了α=0.001的顯著性檢驗(yàn)。dh年代平均值與年代平均氣溫呈反位相,而dc年代平均值與年代平均氣溫呈正位相(圖7)。這與在北京進(jìn)行的研究結(jié)果是一致的。3.2熱島強(qiáng)度和dh在中國(guó)北方地區(qū),冬季城市熱島強(qiáng)度較強(qiáng),而夏季較弱。以沈陽為例(圖8),沈陽年熱島強(qiáng)度為1.0℃,其年際變化表現(xiàn)為增加趨勢(shì),增幅為0.25℃/10a。年dh和年熱島強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)r=-0.69;而年dc與年熱島強(qiáng)度呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)r=0.60。3.3夏季空調(diào)制冷能耗夏季空調(diào)制冷時(shí),溫度每降低1℃,每小時(shí)耗電量增加0.216kW·h。以鞍山為例:2006年鞍山人口為110.8萬戶,每百戶空調(diào)擁有量為10.5臺(tái),鞍山2006年dc為41.7℃·d。如果按夏季每日空調(diào)制冷時(shí)間為6h(自10至16時(shí))計(jì),那么鞍山夏季空調(diào)制冷達(dá)26℃的閾值溫度耗電量為:0.216×6×41.7×10.5×110.8×104/100=6.29×107kW·h。目前1kW·h用電量收費(fèi)為0.395元人民幣,則鞍山2006年夏季dc達(dá)到閾值溫度需要2.48×107元人民幣?？梢?夏季空調(diào)制冷耗能較大。隨著dc的增加,耗電量會(huì)相應(yīng)增加。4dh年代際變化特征根據(jù)城市dh,由高至低的方向發(fā)展,以生(1)遼寧中部城市群沈陽、撫順、本溪和鞍山dh最大值出現(xiàn)在1月,dc最大值出現(xiàn)在7月。(2)沈陽、撫順、本溪和鞍山4城市dh年際變化均呈下降趨勢(shì),下降率分別為-129.6℃·d/10a、-28.0℃·d/10a、-53.3℃·d/10a和-132.5℃·d/10a,其中以鞍山下降率為最高;dc年際變化沈陽和鞍山呈微弱的上升趨勢(shì),上升率分別為6.3℃·d/10a和5.2℃·d/10a,而撫順和本溪呈微弱的下降趨勢(shì),下降率分別為-1.6℃·d/10a和-0.4℃·d/10a。(3)遼寧中部城市群沈陽、撫順、本溪和鞍山的多年平均dh分別為4244.8℃·d,4375.3℃·d、4083.0℃·d和37