廣州市城市電力消費對氣候變化的響應

廣州市城市電力消費對氣候變化的響應

氣候變化對電力消費影響強度的動態(tài)評估模型世界氣候變化是人類現(xiàn)在關注的問題之一。由于大氣中溫室氣體濃度的增加,過去的100年里全球平均氣溫上升了0.74℃(0.56～0.92℃),尤其在最近50年(1956—2005年)全球氣溫以0.13℃(0.10～0.16℃)/10a的速度上升,根據(jù)IPCC第四次評估報告預測,未來100年,全球地表溫度可能會升高1.6～6.4℃。氣溫等一系列氣候變化已影響到了人類社會的各方面。氣候變化對電力消費的影響早就引起人們的注意,特別是當前隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,人民生活水平的日益提高,氣候變暖對電力消費產(chǎn)生了重大而又深遠的影響。關于氣候變化對電力消費的影響已有相關研究工作,為供電量的合理調(diào)度、充分保證社會用電、提高用電效率、節(jié)約能源方面提供了一定的科學依據(jù)。但多數(shù)側(cè)重于靜態(tài)的氣候要素影響分析,而定量動態(tài)分析氣候變化對電力消費影響強度的研究較少。本文建立了以相對氣象電量為指標的氣候變化對電力消費影響強度的動態(tài)評估模型,它既能表征歷年氣候變化對電力消費的影響,又能表現(xiàn)氣候變化對電力消費影響強度水平的分布;同時,氣溫作為影響電力消費最重要的要素,本文通過建立降溫度日模型分析了高溫季節(jié)氣溫對電力消費的影響,并預測了未來氣候變暖情景下廣州市電力消費量的變化趨勢。廣州地處南亞熱帶,屬南亞熱帶典型的季風海洋氣候。廣州瀕臨南海,地勢東北高、西南低,北部與東部是山區(qū),中部為丘陵盆地,南部是珠江三角洲平原。由于背山面海,海洋性氣候特別顯著,具有溫暖多雨、溫差較小、夏季長、霜期短等氣候特征。根據(jù)廣州市1956—2005年歷年的逐日日平均氣溫資料統(tǒng)計顯示,其全年平均氣溫為22.03℃,7月平均氣溫為28.57℃,1月平均氣溫為13.50℃。全球氣候變暖引起了廣州市城市電力消費量的增加,同時高溫期的電力消費量也出現(xiàn)了不同速度和形式的趨勢性變化。1資料和數(shù)據(jù)來源本文選取了廣州市1956—2005年歷年逐日日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、相對濕度、風速資料,這些資料來源于國家氣象信息中心。電力消費方面的數(shù)據(jù)主要包括廣州市城市1956—2005年歷年的電力消費總量、居民生活用電量和工業(yè)用電量以及廣州市工業(yè)產(chǎn)值數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)主要來源于文獻及文獻。數(shù)據(jù)的處理主要是運用SPSS統(tǒng)計軟件和MicrosoftExcel軟件。1.1廣州城市電力消費總量趨勢量模型參考氣候變化對農(nóng)業(yè)產(chǎn)量影響的理論與方法,根據(jù)電力消費影響因子與作物產(chǎn)量影響因子極為相似的特點,將農(nóng)作物產(chǎn)量分離的方法引入到該領域。電力消費量是隨著社會經(jīng)濟水平和生活水平的提高而逐步增長的,它的變化受到社會經(jīng)濟因子、氣象因子等因素的影響。電力消費量的構成可用式(1)表示:y=yi+yw+ye(1)y=yi+yw+ye(1)式(1)中,y為實際電力消費量,yi為電力消費趨勢量(即社會經(jīng)濟耗電量),yw為波動量(即氣象耗電量,簡稱氣象電量,下同),ye為隨機量。趨勢量是假設在氣象等因子正常的情況下,由于社會經(jīng)濟發(fā)展、人民生活水平的提高而影響的那部分電力消費量,因而它是逐漸變化的,通常表現(xiàn)為時間的正函數(shù),在時間序列上是變化比較平穩(wěn)的過程,趨勢線較為平滑。氣象電量是指由于氣象因子的波動而影響的那部分電力消費量,它是造成電力消費量年際波動的主要因素。隨機量是指由于其他方面的隨機因素而影響的那部分,這一部分電力消費量所占比例一般較小,而又不易分離,通常忽略。故式(1)可簡化為:y=yi+yw(2)yw=y-yi(3)y=yi+yw(2)yw=y?yi(3)本文采用正交多項式法把電力消費量分解為社會經(jīng)濟耗電量(趨勢量)和氣象電量(波動量)兩部分。廣州城市電力消費總量的趨勢模型如圖1。圖1的趨勢量方程中x為時間,本文取x=t-1956+1,t為年份,yi為電力消費趨勢量。進一步作相對化變換:X=ywyi(4)X=ywyi(4)式(4)中,X為相對氣象電量。此時,氣象電量就變成一個相對比值,不受歷史時期不同社會經(jīng)濟水平和生活水平的影響,稱為相對氣象電量。其物理意義表明電力消費波動的幅值,它不受時間和空間影響,具有可比性,能較好地描述以氣象要素為主的短期變動的因子對用電量的影響。由于相對氣象電量是一個比值,表明實際用電量偏離趨勢電量的波動幅值。為研究方便,本文作如下定義:實際電力消費低于當時趨勢量的比值稱為“負強度”(即相對氣象電量為負值);高于趨勢量的比值稱為“正強度”(即相對氣象電量為正值)。1.2峰度-偏度檢驗法檢驗相對氣象電量序列為了更好地說明氣候變化對電力消費的影響強度,本文參考農(nóng)業(yè)災害風險研究的方法,并加以改進,建立了氣候變化對電力消費影響強度的動態(tài)評估模型。在1956—2005年的相對氣象電量序列中每隔5年選取30年的數(shù)據(jù)作為一個樣本,利用峰度-偏度檢驗法對這些樣本序列進行正態(tài)性檢驗,結(jié)果表明,其相對氣象電量序列符合正態(tài)分布。因此可以用樣本的μ均值和σ均方差來建立概率密度函數(shù)f(X):f(X)=1√2πσe-(X-μ)22σ2(5)f(X)=12π√σe?(X?μ)22σ2(5)其概率分布函數(shù)為:F(X)=∫Xa1√2πσe-(X-μ)2σ2dX(6)Ρ(X＞X0)=1-Φ(X-μ)σ(7)F(X)=∫Xa12πσ???√e?(X?μ)2σ2dX(6)P(X＞X0)=1?Φ(X?μ)σ(7)式中,X為相對氣象電量值,σ為樣本標準差,μ為樣本平均值。這樣就可以根據(jù)正態(tài)分布的概率方法計算出不同時期影響強度出現(xiàn)的概率。1.3氣溫因子關系經(jīng)資料分析表明,氣溫是影響廣州市電力消費量波動的主要氣候因子。氣溫高時,人體感覺熱,需要啟動空調(diào)、風扇等降溫設備,因此,在高溫條件下用電量急劇攀升。分析能源消費與溫度因子的關系,國外經(jīng)常使用度日法,因此本文在研究電力消費與氣溫因子關系時也引入度日模型。研究表明廣州市的電力消耗與冬季氣溫相關性不高,與高溫季節(jié)(5—10月)的氣溫呈正相關,因此引入降溫度日模型來研究城市電力消費需求與溫度的關系。降溫度日值采用如下公式求得:Τci=Τi-Τb(8)Dc=∑Τci(9)Tci=Ti?Tb(8)Dc=∑Tci(9)式中,Ti為第i天的日平均氣溫,Tb為基礎溫度,Tci為第i天的降溫度日值,Dc為全年降溫度日總值。降溫度日的基礎溫度有的文獻取夏季人體適宜溫度22℃,而國內(nèi)外文獻常見取25℃。本文綜合考慮電力消費與氣溫變化的關系,通過對比計算與分析表明當廣州市日平均氣溫大于25℃時,電力負荷對氣溫變化的敏感性增強;同時,為了響應國家“節(jié)能”號召、建設節(jié)約型社會的思想理念,本文降溫度日的基礎溫度采用25℃。2結(jié)果與分析2.1城市電力消費影響因素的相關分析廣州市城市電力消費可分為工業(yè)用電和居民生活用電兩部分,其中居民生活用電受外界影響較大,受氣候影響較明顯。廣州市1956—2005年城市電力消費量如圖2,電力消費總量、工業(yè)用電量和居民生活用電量均明顯呈上升趨勢,城市居民生活用電量呈穩(wěn)定上升趨勢,20世紀90年代以后城市電力消費總量和工業(yè)用電量波動較大。廣州市城市電力消費量主要受到氣溫、濕度、風速等氣象因子的影響,并與各氣象因子在變化規(guī)律方面存在某種相關性。本文利用廣州市1956—2005年城市電力消費總量、工業(yè)用電量和居民生活用電量的氣象電量與每個氣象因子進行了相關分析,發(fā)現(xiàn)它們與各季節(jié)的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、相對濕度和風速具有較顯著的相關性,分析結(jié)果如表1。由表1可知,廣州市城市電力消費量與春季、夏季、秋季的溫度相關性較好,與夏季平均最高氣溫的相關系數(shù)最高,如電力消費總量、工業(yè)用電量、居民用電量與夏季平均最高氣溫的相關系數(shù)達0.524,0.513,0.607,這說明高溫季節(jié)對城市電力消費的影響較大;在冬季,電力消費總量和工業(yè)用電與平均氣溫相關性不高,居民用電量與冬季平均氣溫呈弱負相關,電力消費總量、工業(yè)用電量、居民用電量與冬季平均最高氣溫呈負相關,與平均最低氣溫的相關性不顯著,這說明冬季溫度對城市電力消費的影響較弱。相對濕度與用電量基本呈負相關;風速與用電量隨季節(jié)有明顯變化,冬、春季呈正相關,夏、秋季呈負相關。2.2氣候變化對電力消費的影響強度分析通過對1956—2005年的相對氣象電量序列的概率分布模型(式(10))的綜合分析可知,氣候變化對廣州市電力消費的影響強度72.5%集中在-0.15～0.15之間,其中正強度出現(xiàn)的概率為53%,而影響強度值大于0.3出現(xiàn)的概率為2%。這說明氣候變化對廣州市電力消費的影響強度是穩(wěn)定增長的,出現(xiàn)高強度的概率較少。F(X)=∫Xa1√0.274πe-(X-0.01)2×0.1372dX(10)F(X)=∫Xa10.274π??????√e?(X?0.01)2×0.1372dX(10)為了動態(tài)分析廣州市氣候變化對電力消費的影響強度,本文將廣州市1956—2005年的相對氣象電量序列劃分為1956—1985年、1961—1990年、1966—1995年、1971—2000年、1976—2005年這5個30年的相對氣象電量序列,分別分析它們的概率分布函數(shù),通過對比分析可知(表2),其影響強度為正強度出現(xiàn)的概率后30年比前30年高出了20.7%,以10%/10a的速度增長,這說明氣候變化引起電力消費強度正變化的概率呈現(xiàn)出增大趨勢;同時對5個樣本的平均值(μ)分析可知,平均值由1956—1985年的-0.013上升到了1976—2005年的0.043,增加了3.3倍,這說明氣候變化對電力消費的影響強度是持續(xù)增加的;對5個樣本的方差(σ2)分析可知,它們的方差是減少的,說明其與平均值的偏離程度是減少的,這說明氣候變化對電力消費的影響強度的波動性有減小的趨勢,其穩(wěn)定性增強了。所以總體來說,氣候變化對廣州市電力消費的影響強度有穩(wěn)定增大的趨勢,并且以最近20年最為顯著,這與廣州市的氣溫變化規(guī)律是一致的。2.3降溫度日變化率與5—廣州市降溫度日變化對城市電力消費的影響氣候因子對電力消費的驅(qū)動作用隨經(jīng)濟發(fā)展而不斷變動,在不同經(jīng)濟發(fā)展階段,驅(qū)動電力消費的主導氣候因子有顯著差別,即氣象電量之中還隱含有社會經(jīng)濟因子的間接影響。目前對氣象電量影響較大的氣候因子主要包括氣候災害和溫度,而影響廣州市城市電力消費的氣候因子則主要是溫度。廣州地處南亞熱帶,夏季長,氣溫高,冬季溫和,降溫用電為主要的用電行為。而降溫用電是一種人為行為,與人對舒適度的要求有關。氣溫是影響人舒適度的主要因子之一,氣溫高,人的舒適度低,必然引發(fā)降溫用電,所以高溫季節(jié)對電力消費影響是最大的。因此,本文引入了降溫度日來分析廣州市高溫季節(jié)溫度變化對城市電力消費的影響。降溫期降溫度日總量大小反映了降溫期溫度的高低。降溫度日值大,說明降溫溫度高,降溫強度大,也即降溫需求大。降溫度日的變化,直接反映了降溫需求的變化。對廣州市全年的降溫度日分析可以得出,廣州市的降溫時間大致為5—10月。因此,本文計算了廣州市降溫度日變率與5—10月的平均氣溫及各月平均氣溫的相關系數(shù),發(fā)現(xiàn)降溫度日與氣溫之間相關密切,其中以降溫度日變率與5—10月的平均氣溫的關系最為密切,相關系數(shù)達到0.957,通過了0.01的顯著性檢驗。降溫度日變率與5—10月各月平均氣溫的相關系數(shù)在0.56以上,均通過0.01的顯著性檢驗。其中與9月平均氣溫的關系較其他各月密切。因此,通過建立降溫度日變率與5—10月平均氣溫的相關方程(式(11))可以估算出廣州市每年高溫季節(jié)降溫需求的變率。并且利用它們的相關方程可以進一步探討溫度變化對降溫需求的影響,廣州市降溫主要采用的能源是電力,其降溫度日與城市電力消費總量間的相關系數(shù)為0.65,通過了0.01的顯著性檢驗,進而可以得出氣溫變化對廣州市城市電力消費的影響。從該相關方程可以得出氣溫升高1℃,廣州市城市降溫度日強度變化為46.6%。所以氣溫的升高對廣州市城市電力消費的影響比較大。y=-12.508+0.466x(11)y=?12.508+0.466x(11)式(11)中,y為降溫度日強度變率,x為5—10月平均氣溫,相關方程在顯著性α=0.001、相關系數(shù)為0.957下通過顯著性檢驗。從圖3可知,廣州市的降溫期長度變率呈遞增趨勢,說明隨著全球氣候的變暖,廣州市的高溫日數(shù)在增加,降溫期長度增長,人們?yōu)榱俗非笊畹氖孢m,城市電力消費量將會呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。2.4根據(jù)未來氣候條件，廣州城市能源消費的發(fā)展趨勢2.4.1氣候變化對夏季平均最高氣溫的影響隨著經(jīng)濟的增長和人民生活水平的提高,近年來,廣州市的電力消耗逐年急速增長,但對工業(yè)部門的單位產(chǎn)值電力消耗而言,由于技術水平的提高和設備性能的改進,單位產(chǎn)值電力消耗卻是逐步降低。參考電力消費量分解模型,工業(yè)單位產(chǎn)值電力消耗序列S(t)可以表示為:S(t)=Η(t)+D(t)(12)S(t)=H(t)+D(t)(12)式(12)中,H(t)表示趨勢項,D(t)表示隨機項,它表示類似氣象條件的隨機影響作用。采用時間多項式擬合的方法消去趨勢項,得:D(t)=S(t)-Η(t)(13)D(t)=S(t)?H(t)(13)再作相對化變換得到:L(t)=D(t)Η(t)×100%(14)L(t)=D(t)H(t)×100%(14)研究表明,影響本地區(qū)工業(yè)單位產(chǎn)值耗電的是夏季平均最高氣溫。本文通過建立L(t)與夏季平均最高氣溫的統(tǒng)計關系式來分析氣候變化對工業(yè)用電的影響。L(t)=-66.73+2.02Τmax(15)式(15)中,Tmax為夏季平均最高氣溫。方程在α=0.01、相關系數(shù)為0.358下通過了顯著性檢驗。從式中可以看出夏季平均最高氣溫每升高1℃,全年單位工業(yè)產(chǎn)值耗電將增加2.02%。2.4.2顯著性檢驗結(jié)果居民生活用電量是城市系統(tǒng)用電的主要方面之一,研究表明居民生活用電量對氣候變化是最敏感的,因此分析廣州市氣候變化對城市居民生活用電量的影響是城市用電對氣候變化響應的一個重要組成部分。隨著社會經(jīng)濟、城市化的發(fā)展和人們對生活環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高,在整個城市用電量中,居民生活用電量占城市用電量的比例在不斷增大。1978—2005年,廣州市居民生活用電量占城市總用電量的百分比由6.6%增加到15.9%,增加了1.4倍?？梢?研究氣溫升高引發(fā)的居民生活用電量的增加對整個城市用電壓力的影響具有積極意義。本文采用最小二乘法建立居民生活用電量占城市用電總量的百分比與時間t的線性擬合:f(t)=8.04+0.11t(16)方程在顯著性水平α=0.01,F=8.924下通過顯著性檢驗,式(16)中f(t)為居民生活用電量百分比的線性擬合趨勢值,t為時間。由居民生活用電量百分比實際值p(t)減去其趨勢值f(t),即可得到受氣溫變化影響的百分比波動值:ε(t)=p(t)-f(t)(17)將ε(t)定義為居民用電量的氣溫波動百分比。圖4給出了廣州市居民用電量的氣溫波動百分比(ε(t)),同時給出廣州市5—10月的平均氣溫距平(ΔT)曲線。可以看出居民生活用電量的氣溫波動百分比與廣州市5—10月的平均氣溫距平的變化趨勢相當吻合,其在顯著性水平α=0.05、相關系數(shù)為0.396下有較顯著的相關性。從而建立廣州市居民生活用電量氣溫波動百分比ε(t)與廣州市5—10月的平均氣溫距平ΔT的相關方程:ε(t)=-0.0153+1.25ΔΤ(18)則相對于廣州市5—10月平均氣溫距平ΔT變化的居民生活用電量氣溫波動百分比的敏感因子λ可表示為:λ=δεδΔΤ=1.25(％/℃)(19)這表示5—10月平均氣溫增加1℃,居民生活用電量的百分比將增加1.25%。按照以上分析結(jié)果,可以根據(jù)對未來氣候變化情景的預測對可能的電力需求做出估計。在廣州過去50年中,廣州市5—10月最大平均氣溫距平為1.2℃,則城市居民生活用電量百分比將增加約1.5%,若氣溫距平達到2℃以上,則增量可能達到城市用電總量的2.5%。即城市總用電量的2.5%的增量可能由5—10月高溫造成。事實上,廣州市城市用電量在“十五”期間平均每年遞增約8.17%,可以看出,5—10月平均氣溫升高所造成的城市居民生活用電量的增加在整個廣州市城市電力消費中占有相當大的比例。隨著廣州市社會經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展和人民群眾生活質(zhì)量的進一步改善,城市電力消費量將進一步增加,未來全球變暖和可能出現(xiàn)的高溫異常將導致電力需求面臨更加嚴峻的形勢,因此,加速發(fā)展電力工業(yè)的任務十分緊迫。通過開展電力需求與氣候變化關系研究,根據(jù)氣候變化適當調(diào)配和利用有限的電力資源,是當前應對“電荒”的重要方法之一。3氣候變化對城市電力消費影響強度的動態(tài)變化模型分析廣州地處我國南亞熱帶,北回歸線以南,氣溫較高,電力消費對氣候變化比較敏感,其影響強度對持續(xù)性的氣候變化有明顯的響應,同時高溫季節(jié)氣溫的升高對城市電力消費的影響很大。本文引入農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)量模型和能源的度日模型,結(jié)合廣州市實際情況,建立了影響強度的動態(tài)評估模型和降溫度日模型,分析了廣州市氣候變化對電力消費的影響強度及高溫季節(jié)對城市用電的影響,并對未來氣候變暖情景下廣州市城市電力消費的趨勢作出了預測。1)本文選用以相對氣象耗電量為指標的氣候變化對電力消費影響強度的動態(tài)評估模