新疆采暖制冷時(shí)間序列的時(shí)空變化特征分析

新疆采暖制冷時(shí)間序列的時(shí)空變化特征分析

根據(jù)ipcc第三次評(píng)估報(bào)告，自上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，地球氣候經(jīng)歷了以變變?yōu)橹饕卣鞯闹卮笞兓Ｔ谶^(guò)去的20世紀(jì)，世界平均氣溫上升到0.6.0.2c，全球平均氣溫還達(dá)到1.4.5.8c。與全球變暖相同步,位于中緯度干旱區(qū)的新疆,其氣候也存在變暖的趨勢(shì),尤其是近50a以來(lái)升溫趨勢(shì)更加明顯,升溫率達(dá)0.2℃/10a。相關(guān)預(yù)測(cè)結(jié)果表明,未來(lái)新疆氣候還將繼續(xù)變暖,2050年溫度將比20世紀(jì)90年代上升1.9～2.3℃。由于人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與氣溫存在明顯的相關(guān)性,氣溫的升高無(wú)疑會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)、建筑、交通、水資源和物候等許多方面產(chǎn)生顯著影響,尤其在城市采暖與制冷的能源消耗上,氣溫升高的影響將會(huì)非常巨大,因而有必要開展氣候變化對(duì)能源需求的影響與預(yù)測(cè)方面的研究工作。有關(guān)方面的研究國(guó)內(nèi)外已廣泛開展[5,6,7,8,9,10,11,12],但新疆還未見相關(guān)研究報(bào)道。新疆位于中緯度內(nèi)陸干旱區(qū),境內(nèi)很多地區(qū)屬于酷熱、或邊遠(yuǎn)嚴(yán)寒地區(qū),不僅有很高的冬季采暖需要,而且有夏季制冷降溫的需求。區(qū)域內(nèi)的建筑熱工能耗(包括采暖和制冷能耗)占建筑總能耗的比例較高。研究表明,建筑物的能耗與氣溫或采暖/制冷度日數(shù)之間呈近似的線性關(guān)系。據(jù)此關(guān)系模式,可以認(rèn)為在氣溫持續(xù)升高的背景下,本區(qū)域的冬季采暖度日數(shù)、進(jìn)而采暖耗能可能會(huì)降低,夏季制冷度日數(shù)、進(jìn)而制冷耗能可能會(huì)增加。但這是基于一般經(jīng)驗(yàn)性模式的推斷,具體情況還缺乏定量的分析。因此,本文依據(jù)日最高和最低溫度觀測(cè)值計(jì)算出的本區(qū)域16個(gè)主要城市的采暖和制冷度日數(shù)時(shí)間序列,利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法和簡(jiǎn)單線性回歸法檢測(cè)這些時(shí)間序列的長(zhǎng)期單調(diào)趨勢(shì),并分析其變化特征,為本區(qū)域未來(lái)建筑能源需求的預(yù)測(cè)與規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。1數(shù)據(jù)和方法1.1適當(dāng)插補(bǔ),插補(bǔ)資料資料來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象中心資料室整編的全疆54個(gè)測(cè)站的逐日最高、最低氣溫記錄。為了保證資料的均一性和質(zhì)量,首先剔出了缺測(cè)比較嚴(yán)重以及時(shí)間覆蓋不夠的測(cè)站,然后對(duì)資料不連續(xù)的臺(tái)站進(jìn)行適當(dāng)插補(bǔ),插補(bǔ)方法為:對(duì)單日缺測(cè),用本站前后各1天的值取平均做為該缺測(cè)值;對(duì)于兩日以上連續(xù)缺測(cè)值,采用缺測(cè)站與相鄰站(二者距離小于100km)進(jìn)行線性回歸的方法來(lái)插補(bǔ)。這樣,全疆有16個(gè)主要城市臺(tái)站資料連續(xù)性與質(zhì)量較好。臺(tái)站信息、缺測(cè)情況與缺測(cè)值的處理方式參見本工作第一部分中的介紹。1.2非參數(shù)檢驗(yàn)法以往研究中常用的趨勢(shì)檢驗(yàn)方法為參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法,如滑動(dòng)平均法、線性回歸法等。這些方法的共同特點(diǎn)是對(duì)所分析的數(shù)據(jù)有正態(tài)性的要求;相比,非參數(shù)Mann-Kendall(MK)檢驗(yàn)法對(duì)研究數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性沒有要求,它是一種基于排序的方法,適合于檢測(cè)非線性趨勢(shì)。近年來(lái),非參數(shù)檢驗(yàn)法在氣候和水文時(shí)間序列趨勢(shì)分析與研究中得到廣泛應(yīng)用。本文使用的趨勢(shì)檢驗(yàn)法為非參數(shù)MK檢驗(yàn)和簡(jiǎn)單線性回歸法兩種方法。用MK趨勢(shì)分析16個(gè)站點(diǎn)的基準(zhǔn)溫度18℃下年和季采暖度日數(shù)和基準(zhǔn)溫度24℃下的年和季制冷度日數(shù)時(shí)間序列的正或負(fù)趨勢(shì);同時(shí)利用簡(jiǎn)單線性回歸法分析上述采暖與制冷度日數(shù)時(shí)間序列每十年的變化速率(線性傾向率)。值得指出的是,之所以采用18℃作為暖度日數(shù)的截段溫度界限,主要有以下考慮:一是18℃為國(guó)際上通用的界限溫度,已使用了幾十年,至今依然在廣泛應(yīng)用。本文采用之便于區(qū)域間的對(duì)比;其二是從人體舒適性感覺上,當(dāng)外界溫度低于18℃時(shí),人就有保暖或采暖的需求,雖然與實(shí)際采暖季的起訖溫界(新疆地區(qū)大致為0℃)有差異,但從分析趨勢(shì)變化的角度還是合適的。至于選用24℃作為制冷度日數(shù)的截段溫界,理由也大致如前。1.2.1計(jì)量2標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的方法MK檢驗(yàn)的原假設(shè)H0為數(shù)據(jù)樣本{Xi,i=1,2,…,n}是獨(dú)立的且同一分布的;假設(shè)H1為在X中存在單調(diào)趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)量S定義如下:式中n為數(shù)據(jù)集的長(zhǎng)度,并且sgn(xj?xk)=?????+1,(xj?xk)>00,(xj?xk)=0?1,(xj?xk)<0?(2)sgn(xj-xk)={+1,(xj-xk)>00,(xj-xk)=0-1,(xj-xk)<0?(2)已經(jīng)證明,當(dāng)n≥8時(shí),統(tǒng)計(jì)量S近似服從均值為0方差為下式的正態(tài)分布:式中t為每個(gè)相持組中,相持值的數(shù)目;∑為針對(duì)所有的相持組求和。標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z由下式計(jì)算:標(biāo)準(zhǔn)化的MK統(tǒng)計(jì)量Z遵循均值為0、方差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。正S值指示向上趨勢(shì),負(fù)S值指示向下趨勢(shì)。1.2.2t-檢驗(yàn)估計(jì)簡(jiǎn)單線性回歸或最小平方線性趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)顯著性通過(guò)參數(shù)t-檢驗(yàn)估計(jì)。t-檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量,具有自由度n=2的學(xué)生分布,定義為:t=r(1-r2)-1/2(n-2)1/2,(5)式中r為樣本相關(guān)系數(shù)。1.2.3預(yù)處理后的序列相關(guān)性分析由于序列相關(guān)性對(duì)趨勢(shì)檢驗(yàn)和解釋會(huì)產(chǎn)生影響,因而在進(jìn)行MK檢驗(yàn)之前,對(duì)所計(jì)算出的年與季采暖與制冷度日數(shù)時(shí)間序列做了遲滯1a的序列相關(guān)性分析。為消除序列相關(guān)性的影響,對(duì)原序列值做預(yù)白化處理,處理后的序列變?yōu)?(x2-r1x1,x3-r1x2,…,xn-r1xn-1),其中xi為原年與季采暖與制冷度日數(shù)值,r1為原序列與其遲滯1a值的相關(guān)系數(shù)。之后,對(duì)這些預(yù)白化的序列做MK趨勢(shì)檢驗(yàn),而對(duì)其它不存在序列相關(guān)性的時(shí)間序列直接進(jìn)行MK趨勢(shì)檢驗(yàn)。2結(jié)果與討論2.1預(yù)白化前后年和季采暖與制冷日數(shù)時(shí)間序列的相關(guān)性表1列出了具有5%顯著水平下遲滯1年顯著序列相關(guān)的序列數(shù)及其占總序列數(shù)的比。由表1可見,在所分析的年和季序列中,具有5%顯著水平下遲滯1年顯著序列相關(guān)的序列數(shù)比較多,尤其是制冷度日數(shù)序列,其夏季和年序列中各有11個(gè)序列呈現(xiàn)出了顯著的序列相關(guān)性,各占其總序列數(shù)(16個(gè))的68.8%;秋季序列中也有5個(gè)序列呈現(xiàn)出了顯著的序列相關(guān)性,占秋季總序列數(shù)(16個(gè))的31.3%。就采暖度日數(shù)而言,具有顯著序列相關(guān)性的年和季序列數(shù)雖然沒有制冷度日數(shù)序列的多,但其冬季和年序列中具有顯著序列相關(guān)性的序列達(dá)到6個(gè)和5個(gè),分別占總序列數(shù)(16個(gè))37.5%和31.3%。研究結(jié)果表明,預(yù)白化可以有效地移去序列的遲滯一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的自相關(guān)成分。然而,假如趨勢(shì)存在,對(duì)正的遲滯一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的自相關(guān)進(jìn)行預(yù)白化將移去趨勢(shì)的一部分;因此,預(yù)白化后趨勢(shì)的斜率就比預(yù)白化前趨勢(shì)的斜率要小,這就導(dǎo)致了對(duì)顯著趨勢(shì)的低估。對(duì)預(yù)白化前后年和季采暖與制冷度日數(shù)時(shí)間序列分別進(jìn)行MK檢驗(yàn)與線性趨勢(shì)檢驗(yàn)的結(jié)果顯示,預(yù)白化減少了原具有顯著趨勢(shì)的序列數(shù),其中減少的MK趨勢(shì)數(shù)為14個(gè),其中以制冷度日數(shù)序列為多;減少的線性趨勢(shì)序列數(shù)也為14個(gè),都為制冷度日數(shù)(表1)。2.2新疆16個(gè)城市采暖互通日數(shù)的趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果表2列出了新疆16個(gè)主要城市基準(zhǔn)溫度18℃下的年與季采暖度日數(shù)MK與線性趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由該表可知,對(duì)于年采暖度日數(shù),15個(gè)城市具有顯著(0.05水平下)的MK減少趨勢(shì)和至少0.05顯著水平下的線性減少趨勢(shì),占總城市數(shù)(16個(gè)站)的93.8%?？梢姴膳热諗?shù)年序列減少趨勢(shì)非常明顯。秋、冬季的采暖度日數(shù)減少趨勢(shì)也比較明顯,分別有9個(gè)城市呈現(xiàn)出了顯著的MK減少趨勢(shì),分別占總城市數(shù)(16個(gè)站)的56.3%;而具有顯著線性減少趨勢(shì)的城市數(shù)分別為秋季10個(gè)、冬季14個(gè),分別占總城市數(shù)(16個(gè)站)的62.5%和87.5%。圖1中示出了新疆16個(gè)主要城市基準(zhǔn)溫度18℃下的年和季采暖度日數(shù)的MK趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果。從該圖中所示的年采暖度日數(shù)的趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,所有16個(gè)城市都呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),其中除庫(kù)車呈弱減少趨勢(shì)外,其它城市在0.05水平下呈顯著減少趨勢(shì)。從季節(jié)采暖度日數(shù)的MK趨勢(shì)來(lái)看,春季16個(gè)城市中只有烏魯木齊和庫(kù)車2城市呈現(xiàn)弱增加趨勢(shì),其余14個(gè)城市都表現(xiàn)出減少趨勢(shì),其中塔城的減少趨勢(shì)達(dá)到了0.05顯著水平。夏季12個(gè)城市呈現(xiàn)減少趨勢(shì),其中伊寧、塔城、喀什、阿克蘇和民豐5城市減少趨勢(shì)達(dá)到了0.05顯著水平,而烏魯木齊和庫(kù)車呈弱增加趨勢(shì),另有吐魯番和哈密2城市無(wú)趨勢(shì)。秋季僅有庫(kù)車呈弱增加趨勢(shì),其余15個(gè)城市呈減少趨勢(shì),其中有9個(gè)城市的減少趨勢(shì)達(dá)到0.05的顯著水平。冬季所有16個(gè)城市都呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),其中吐魯番、石河子、庫(kù)爾勒、喀什、哈密、奇臺(tái)和庫(kù)車7個(gè)城市減少趨勢(shì)未達(dá)到0.05的顯著水平(圖1)。利用簡(jiǎn)單線性回歸法對(duì)各站近45年來(lái)的年和季采暖度日數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行了擬合,所得最小平方擬合直線的斜率作為變化趨勢(shì)率或傾向率,結(jié)果示于圖2中。由圖2可見,所有16個(gè)城市都呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),其中除庫(kù)車呈弱減少趨勢(shì)外,其它城市分別在0.05、0.01和0.001水平下呈顯著減少趨勢(shì)。這一結(jié)果與利用MK檢驗(yàn)法獲得的結(jié)果相一致。近45年來(lái),新疆16個(gè)主要城市的年采暖度日數(shù)時(shí)間序列的線性傾向率分布在-25.1～-154.0℃/10a的范圍內(nèi)(圖2),平均值為-77.9℃/10a。對(duì)于季節(jié)采暖度日數(shù)的線性趨勢(shì)來(lái)說(shuō),春季只有烏魯木齊和庫(kù)車2城市呈弱增加趨勢(shì),其余14個(gè)城市都表現(xiàn)出減少趨勢(shì),其中阿克蘇和民豐在0.05顯著水平下顯著減少,吐魯番在0.01顯著水平下顯著減少。夏季僅有烏魯木齊呈現(xiàn)弱增加趨勢(shì);克拉瑪依、吐魯番、哈密和庫(kù)車4城市無(wú)夏季趨勢(shì);其它11個(gè)城市呈減少趨勢(shì),其中伊寧和塔城2城市減少趨勢(shì)達(dá)到了0.05顯著水平。秋季僅有庫(kù)車呈弱增加趨勢(shì),其余15個(gè)城市呈減少趨勢(shì),其中有10個(gè)城市的減少趨勢(shì)達(dá)到0.05以上的顯著水平。冬季所有16個(gè)城市都呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),其中僅有石河子和奇臺(tái)2個(gè)城市減少趨勢(shì)未達(dá)到0.05的顯著水平(圖2)。2.3各城市制冷粒度的日變化表2中還列出了新疆16個(gè)主要城市基準(zhǔn)溫度24℃以上年與季制冷度日數(shù)MK與線性趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由該表可見,對(duì)于年制冷度日數(shù),7個(gè)城市具有顯著(0.05水平下)的MK增加趨勢(shì),占總城市數(shù)(16個(gè)站)的48.3%;6個(gè)城市呈現(xiàn)出顯著的線性增加趨勢(shì)、2個(gè)城市呈現(xiàn)至少0.05顯著水平下的顯著線性減少趨勢(shì),分別占總城市數(shù)(16個(gè)站)的37.5%和12.5%?？梢娭评涠热諗?shù)年序列減少趨勢(shì)比較明顯。春、夏季制冷度日數(shù)增加趨勢(shì)也比較明顯,分別有3個(gè)和7個(gè)城市呈現(xiàn)出了顯著的MK增加趨勢(shì),分別占總城市數(shù)(16個(gè)站)的18.83%和43.8%;而具有顯著線性增加趨勢(shì)的城市數(shù)分別為春季5個(gè)、夏季6個(gè),分別占總城市數(shù)(16個(gè)站)的31.3%和37.5%。圖3列出了基準(zhǔn)溫度24℃以上新疆16個(gè)主要城市年和春、夏與秋季制冷度日數(shù)的MK趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果。從圖3可以發(fā)現(xiàn),新疆16個(gè)主要城市中絕大部分年制冷度日數(shù)存在顯著的增多趨勢(shì)。除烏魯木齊、庫(kù)車、奇臺(tái)和阿勒泰4個(gè)城市的年制冷度日數(shù)存在減少趨勢(shì)外,其它城市存在增多趨勢(shì)。在增多的12個(gè)城市中,除吐魯番、克拉瑪依、喀什、哈密和烏蘇5個(gè)城市增多趨勢(shì)不顯著外,其它7個(gè)城市在0.05水平下增多顯著。從季節(jié)制冷度日數(shù)的MK趨勢(shì)來(lái)看,基準(zhǔn)溫度24℃以上僅有烏魯木齊和庫(kù)車2城市的春季制冷度日數(shù)呈弱減少趨勢(shì),其余14城市存在增加的趨勢(shì),其中石河子、喀什、和田和阿克蘇4城市在0.05顯著水平下呈顯著增多。伊寧、阿勒泰、塔城和奇臺(tái)4城市無(wú)基準(zhǔn)溫度24℃以上的春季制冷度日數(shù)的變化趨勢(shì)。夏季是制冷的主要季節(jié),除烏魯木齊、哈密、阿勒泰、奇臺(tái)和庫(kù)車5個(gè)城市夏季制冷度日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)(其中庫(kù)車達(dá)到0.05顯著水平)外,其它城市呈現(xiàn)增多趨勢(shì),其中吐魯番、克拉瑪依、喀什和烏蘇4城市增多趨勢(shì)不顯著。秋季有9個(gè)城市的制冷度日數(shù)呈現(xiàn)增多趨勢(shì),其中吐魯番和阿克蘇2個(gè)城市達(dá)到顯著增多的水平;烏魯木齊和庫(kù)車呈弱減少趨勢(shì)。還有5個(gè)城市(伊寧、塔城、哈密、阿勒泰和奇臺(tái))無(wú)夏季制冷度日數(shù)變化趨勢(shì)(圖3)。利用簡(jiǎn)單線性回歸法對(duì)各站近45年來(lái)的年和季制冷度日數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行了擬合,所得最小平方直線的斜率作為變化趨勢(shì)率或傾向率,結(jié)果示于圖4中。由圖4可見,16個(gè)城市中有4個(gè)城市——阿勒泰、奇臺(tái)、烏魯木齊和庫(kù)車的年制冷度日數(shù)呈減少趨勢(shì),其中奇臺(tái)和庫(kù)車呈0.05顯著水平下的減少趨勢(shì);其它12個(gè)呈增加趨勢(shì)的城市中,伊寧和民豐在0.05顯著水平、塔城和阿克蘇在0.01顯著水平、庫(kù)爾勒和和田在0.001水平下呈顯著增加趨勢(shì)。這種結(jié)果與利用MK檢驗(yàn)法獲得的結(jié)果大致一致。近45年來(lái),新疆16個(gè)主要城市的年制冷度日數(shù)時(shí)間序列的線性傾向率分布在-11.9～17.1℃/10a之間(圖4),平均為4.3℃/10a。從季節(jié)制冷度日數(shù)的線性趨勢(shì)來(lái)看,基準(zhǔn)溫度24℃以上僅有烏魯木齊和庫(kù)車2城市春季制冷度日數(shù)呈弱減少趨勢(shì),阿勒泰、塔城、奇臺(tái)和伊寧4城市無(wú)趨勢(shì),其余10城市存在增加的趨勢(shì),其中石河子、吐魯番和阿克蘇3城市在0.01顯著水平下顯著增加,喀什和民豐在0.05顯著水平下顯著增加。夏季是制冷的主要季節(jié),除阿勒泰、烏魯木齊、奇臺(tái)和庫(kù)車4個(gè)城市夏季制冷度日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)(其中奇臺(tái)和庫(kù)車達(dá)到0.05顯著水平)外,其它城市呈現(xiàn)增多趨勢(shì)(其中伊寧與民豐達(dá)0.05顯著水平;塔城、阿克蘇與和田達(dá)0.01顯著水平;庫(kù)爾勒達(dá)0.001顯著水平)。秋季有6個(gè)城市(阿勒泰、塔城、石河子、奇臺(tái)、伊寧和喀什)無(wú)制冷度日數(shù)趨勢(shì);有5個(gè)城市的制冷度日數(shù)呈現(xiàn)增多趨勢(shì),其中吐魯番和阿克蘇2個(gè)城市分別在0.05和0.01顯著水平下顯著增多;其余5個(gè)城市呈弱減少趨勢(shì)(圖4)。由以上分析可知,兩種檢驗(yàn)方法所獲得的結(jié)果都一致表明,近40多年來(lái),新疆主要城市呈現(xiàn)出了比較明顯的采暖度日數(shù)減少、制冷度日數(shù)增多的趨勢(shì)。這意味著新疆大多城市存在熱季制冷能源需求增多、冷季采暖能源需求減少的趨勢(shì)。上述趨勢(shì)的存在顯然與全球/區(qū)域變暖有很大的關(guān)系。值得預(yù)期的是,據(jù)氣候模式預(yù)計(jì),21世紀(jì)末全球平均氣溫還將上升1.4～5.8℃。與此相應(yīng),新疆的氣溫尤其是冬季氣溫將繼續(xù)升高。在這種升溫背景下,未來(lái)新疆絕大部分城市熱季制冷能源需求可能