氣候因子與氣候耗能量關(guān)系的統(tǒng)計分析

氣候因子與氣候耗能量關(guān)系的統(tǒng)計分析

能源消費與氣候關(guān)系由于這種情況，世界氣候計劃建立了兩個子計劃：“世界氣候應(yīng)用計劃”和“世界氣候影響計劃”。在社會經(jīng)濟系統(tǒng)中,許多要素和過程對氣候變化都非常敏感,能源消費量就是其中之一。能源是人類社會健康發(fā)展的基礎(chǔ),它既被用于各種生產(chǎn)和生活活動,也被用于減災(zāi)防災(zāi)和環(huán)境調(diào)節(jié),其中后者的耗能量對氣候變化非常敏感。不同社會有不同的能源消費結(jié)構(gòu),能源消費與氣候的關(guān)系也有明顯差別。我國是一個多自然災(zāi)害以農(nóng)業(yè)為主的發(fā)展中國家,旱澇災(zāi)害頻繁,水資源匱乏,水資源調(diào)配耗能量很大,而且冬冷夏熱,冬季取暖和夏季降溫的范圍廣,需能量非常大,因此能源消費對氣候變化非常敏感。目前,我國正值產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整時期,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及WTO的加入必將引起能源消費結(jié)構(gòu)的變化,這將影響到能源消費與氣候的關(guān)系。因此,定量地確定氣候?qū)δ茉聪M的影響不但是我國能源需求量預(yù)測的基礎(chǔ),而且在能源規(guī)劃和計劃的制定、節(jié)能目標(biāo)的確定和措施的選擇以及能源消費結(jié)構(gòu)的調(diào)整等方面有廣闊的應(yīng)用前景。1能源消費與溫度因子的關(guān)系本文選取了全國29個省會城市氣象站1970～1999年歷年逐日日平均氣溫資料,這些資料來源于中國氣象局。能源消費方面的數(shù)據(jù)主要包括我國(臺灣、香港、澳門地區(qū)除外,下同)1953～1999年歷年能源消費總量及構(gòu)成、1980～1999年我國生活能源消費量及煤炭和電力消費量、1953～1999年歷年各種類能源消費總量及構(gòu)成,這些數(shù)據(jù)主要來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》及《中國統(tǒng)計年鑒》。社會經(jīng)濟方面的數(shù)據(jù)主要是全國1953～1999年歷年農(nóng)作物水旱災(zāi)害受災(zāi)面積資料,這些資料來源于上述統(tǒng)計年鑒和《中國災(zāi)情報告》。參考?xì)夂蜃兓瘜r(nóng)業(yè)產(chǎn)量影響研究的理論與方法,根據(jù)能源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(lǐng)域。能源消費總量是隨著社會經(jīng)濟水平的提高而逐步增長的,它的變化受到社會經(jīng)濟因子、氣候因子等因素的影響。能源消費量的構(gòu)成可用下式表示:y=yt+yw+ye(1)y=yt+yw+ye(1)式中,y為實際能源消費量,yt為能源消費趨勢量(即社會經(jīng)濟耗能量),yw為波動量(即氣候耗能量),ye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,人民生活水平的提高而影響的那部分能源消費量,因而它是逐漸變化的,通常表現(xiàn)為時間的正函數(shù),在時間序列上是個變化比較平穩(wěn)的過程,趨勢線較為平滑。氣候耗能量是指由于氣候因子(氣溫、降水、氣象災(zāi)害等)的波動而影響的那部分能源消費量,它是造成能源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,這一部分能源消費量所占比例一般較小,而又不易分離,通常被忽略。分析能源消費與溫度因子的關(guān)系,采用國外經(jīng)常使用的度日法,度日值采用如下公式求得:Thi=Tb?Ti(2)Tci=Ti?Tb(3)Dh=∑Thi(4)Dc=∑Tci(5)Τhi=Τb-Τi(2)Τci=Τi-Τb(3)Dh=∑Τhi(4)Dc=∑Τci(5)式中,Ti為第i天的日平均溫度,Tb為基礎(chǔ)溫度,Thi、Tci分別為第i天的取暖和降溫度日值,Dh、Dc分別為全年取暖和降溫度日總值,本文計算冬季取暖度日的基礎(chǔ)溫度是5℃,夏季降溫度日的基礎(chǔ)溫度為22℃。在氣候?qū)r(nóng)業(yè)產(chǎn)量的影響研究中,產(chǎn)量分離的方法很多,常用的有滑動平均法、線性模擬法、分段模擬法、對數(shù)模擬法、指數(shù)模擬法、生長函數(shù)法和多項式法等。大量的研究表明,多項式法較優(yōu)。本文采用多項式法把能源消費量分解為社會經(jīng)濟耗能量(趨勢量)和氣候耗能量(波動量)兩部分(圖1),用數(shù)理統(tǒng)計方法研究氣候耗能量與氣候因子之間的關(guān)系及其變化。煤炭、石油、天然氣和水電4種能源消費量的趨勢模型為:煤炭消費的趨勢模型為:yt=?0.1543x4+14.196x3?375.47x2+4342.6x?856.75(6)yt=-0.1543x4+14.196x3-375.47x2+4342.6x-856.75(6)石油消費的趨勢模型為:yt=0.0789x3+4.8201x2+221.72x?917.54(7)yt=0.0789x3+4.8201x2+221.72x-917.54(7)天然氣消費的趨勢模型為:yt=?0.0647x3+4.9796x2?38.163x+41.832(8)yt=-0.0647x3+4.9796x2-38.163x+41.832(8)水電消費的趨勢模型為:yt=5.1733x2?67.144x+479.8(9)yt=5.1733x2-67.144x+479.8(9)式中x取作x=a-1953+1,a為年份。2氣候耗能量與農(nóng)業(yè)水旱災(zāi)害的線性關(guān)系由于建國后相當(dāng)長一段時期內(nèi),我國一直是一個能源缺乏國家,能源供不應(yīng)求,而且絕大部分能源都用于生產(chǎn)和減災(zāi),用于取暖和降溫的能源極少,因此在這一段時期內(nèi),我國能源消費波動量與溫度的關(guān)系不很顯著,與農(nóng)作物受災(zāi)面積有較密切的關(guān)系。反映水旱災(zāi)害的指標(biāo)很多,本文選取農(nóng)作物水旱災(zāi)害受災(zāi)面積這一指標(biāo)來探討氣候耗能量與水旱災(zāi)害的關(guān)系,這是因為農(nóng)作物受災(zāi)面積與水旱災(zāi)害具有正相關(guān)關(guān)系。受災(zāi)面積是指某年度某地區(qū)農(nóng)作物收成減產(chǎn)一成以上的農(nóng)作物種植面積。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),越干旱,農(nóng)作物灌溉耗能越多,澇災(zāi)越嚴(yán)重,平原地區(qū)排灌耗能相應(yīng)增加,因此,水旱災(zāi)害與能源消費量存在某種關(guān)系。從氣候耗能量與農(nóng)作物受災(zāi)面積歷年變化圖(圖2)上可以看出,兩者的變化有較大的一致性,特別是在20世紀(jì)80年代初期以前。1953～1999年,兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.36,其中1953～1990年兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.58,在α=0.01水平上通過顯著性檢驗;1953～1980年兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.76,線性關(guān)系非常明顯(圖3)。1953～1980年氣候耗能量(yw)與受災(zāi)面積(A)的線性回歸方程為:yw=3.5148A?8581.2(10)yw=3.5148A-8581.2(10)式(1)的F檢驗值為18.93,在α=0.01水平上能通過顯著性檢驗。這與鄭斯中等人研究的幾個案例所得出的結(jié)論是一致的。20世紀(jì)80年代初期以來,我國經(jīng)濟迅速發(fā)展,人民生活水平大幅度提高,人們對室內(nèi)環(huán)境舒適程度的要求越來越高,取暖和降溫耗能有所增加,使得氣候耗能量與水旱災(zāi)害之間的線性相關(guān)關(guān)系越來越不顯著。從氣候耗能量與水旱災(zāi)害受災(zāi)面積的散點圖上可以看出,在1953～1999年整個時間段內(nèi),氣候耗能量與水旱災(zāi)害之間關(guān)系不甚明顯,而在1953～1980年時間段內(nèi)二者之間的線性相關(guān)關(guān)系非常明顯(圖3)。以10年為時間序列,作氣候耗能量與農(nóng)作物水旱災(zāi)害受災(zāi)面積間的滑動相關(guān)分析,由相關(guān)系數(shù)的變化可以看出,它們之間的相關(guān)系數(shù)在逐漸變小,80年代初期以前相關(guān)系數(shù)一直在0.7左右波動,自此之后迅速下降,80年代末它們之間的線性關(guān)系已經(jīng)相當(dāng)不明顯了(圖4),氣候耗能量與水旱災(zāi)害之間關(guān)系的變化非常明顯。氣溫對能源消費的影響主要表現(xiàn)在生活中的冬季取暖和夏季降溫的能源消耗上,我國冬季取暖所消耗的主要是煤炭,夏季降溫消耗的能源主要是電力。因此,選用1980～1999年歷年人均生活能源消費中的煤炭和電力消費量來分析它們與氣溫的關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn):生活能源消費中的煤炭消費量與同期取暖度日值之間有很好的相關(guān)性,其中1990～1999年期間,煤炭消費量與取暖度日值之間的相關(guān)系數(shù)為0.64,1986～1998年期間,電力消費與降溫度日之間亦有很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.56,兩者在α=0.05水平上都能通過顯著性檢驗。從煤炭和電力消費與取暖度日值和降溫度日值之間的滑動相關(guān)系數(shù)變化(圖5)可以看出,隨著時間的推移,它們與氣溫之間的線性關(guān)系在不斷增強,其中煤炭消費與取暖度日值間的關(guān)系變化更加明顯,在80年代,相關(guān)關(guān)系還很不明顯,此后相關(guān)系數(shù)逐漸升高,到90年代接近0.7,線性關(guān)系非常顯著。如果分析全國氣候耗能量與取暖度日值和降溫度日值之間的關(guān)系,一方面由于冬夏兩季氣溫變化所引起的能源消費量無法進一步分離出來,另一方面,我國幅員遼闊,各地取暖降溫情況異常復(fù)雜,條件好的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)或城市,對環(huán)境的要求就高一些,用于改善環(huán)境的能源消費相對會多一些,條件差的不發(fā)達地區(qū)和廣大農(nóng)村地區(qū),由于經(jīng)濟水平所限,用于改善環(huán)境的能源消費會相應(yīng)少一些。因此我們采用統(tǒng)一的氣溫指標(biāo)來分析,客觀上講就存在必然的誤差。我們計算的取暖和降溫度日值其實是反映氣候變化所引起的能源需求的變化,能源需求與實際的能源消費事實上并不一致。分析各類能源消費波動量與農(nóng)作物水旱受災(zāi)面積的關(guān)系發(fā)現(xiàn):80年代初期以前,各類能源消費波動量與受災(zāi)面積都存在正相關(guān)關(guān)系,其中煤炭、石油和水電消費波動量之和與受災(zāi)面積的線性關(guān)系最為顯著,這是由于我國各地防災(zāi)抗災(zāi)消耗的能源是不同的,有的用煤電、水電、油電,還有的直接用石油產(chǎn)品。80年代初期以后,由于氣溫對氣候耗能量的貢獻,使得各類能源消費波動量與受災(zāi)面積的線性關(guān)系變得越來越不明顯。3氣候耗能量與水旱受災(zāi)面積的關(guān)系以上分析表明,在20世紀(jì)80年代初期以前,我國是一個以農(nóng)業(yè)為主的國家,經(jīng)濟較落后,人民生活水平不高,用于冬季取暖和夏季降溫的能源很少,大量能源用來防災(zāi)和抗災(zāi),因此水旱災(zāi)害是影響氣候耗能量變化的主要因子,在此期間氣候耗能量與水旱受災(zāi)面積之間存在著顯著的線性相關(guān)關(guān)系;80年代初期以后,由于改革開放,經(jīng)濟高速發(fā)展,人民生活水平不斷提高,人們用來