近50a沈陽年平均氣溫與供暖期變化趨勢分析

近50a沈陽年平均氣溫與供暖期變化趨勢分析

氣候交流研究氣候變化已成為世界的中心問題。氣候變化引起的極端事件頻發(fā)，氣候與能源的關(guān)系也是科學(xué)家特別關(guān)注的課題之一。周小珊等對沈陽近百年溫度變化特征及其環(huán)流形勢分析表明,沈陽地處全球溫度變化的敏感帶,在近百年的溫度觀測記錄中,沈陽溫度變化呈逐漸上升趨勢,近百年升高了1.7℃,這種上升趨勢在冬季遠(yuǎn)比夏季明顯。杜巖等研究了近55a中國嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)主要城鎮(zhèn)采暖氣候條件的變化,其分析結(jié)果顯示,中國氣候變暖使嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的采暖強(qiáng)度減弱趨勢明顯。陳莉等在氣候變暖對中國夏熱冬冷地區(qū)居住建筑采暖降溫年耗電量的影響中指出:1996年以來的氣候顯著變暖,理論上使夏熱冬冷地區(qū)居住建筑單位面積采暖年耗電量降低。李瑞平和李鴿從平均氣溫升高、采暖期縮短及采暖度日減少等方面進(jìn)行節(jié)能效應(yīng)分析,指出有必要改變傳統(tǒng)的采暖模式,城市采暖具有很大的節(jié)能潛力。以上研究表明,氣候變暖對中國冬季供暖期氣候條件的影響較大。近幾十年來,研究者一直將能源消耗作為引起氣候變化的主要因子,并且將如何有效利用氣候資源,減少能源浪費(fèi)作為研究課題。本文利用1961—2010年沈陽逐年年平均氣溫及供暖期(11月1日至翌年3月31日)和供暖期前一個月(10月1—31日)、供暖期后一個月(4月1—30日)的逐日平均氣溫資料,分析近50a沈陽年平均氣溫與供暖期平均氣溫的變化趨勢,探討氣候變化對沈陽供暖初日、供暖終日、供暖期長度及供暖強(qiáng)度的影響,以期為政府和供暖部門的正確決策提供科學(xué)依據(jù)。1數(shù)據(jù)和方法1.1資料未發(fā)現(xiàn)資料來自遼寧省氣象檔案館。1961—2010年,沈陽觀測站曾有過2次遷移,在決定遷址前嚴(yán)格按照觀測規(guī)范,進(jìn)行了1a多的對比觀測,觀測結(jié)果經(jīng)過嚴(yán)格審核。為更好地反映氣候變化的事實(shí),應(yīng)通過對資料的檢驗,包括:基本邏輯檢驗和空間一致性檢驗、時間序列訂正等方法處理,使資料具有較好的均一性。但由于多種原因,所采用的有關(guān)資料未經(jīng)過均一化處理。通過多年業(yè)務(wù)、科研及對外服務(wù)等方面應(yīng)用,未發(fā)現(xiàn)資料有突變等異常記錄。且在對資料進(jìn)行分析之前,通過年報表對該臺站情況進(jìn)行查閱,發(fā)現(xiàn)臺站雖有遷移,但由于遷移距離較近,不影響資料的連續(xù)性,因而對文中所涉及的氣候分析資料,認(rèn)為是客觀可用的。本文采用1961—2010年沈陽逐年年平均氣溫和供暖期(11月1日至翌年3月31日)、供暖期前一個月(10月1—31日)、供暖期后一個月(4月1—30日)的逐日平均氣溫資料。1.2溫室內(nèi)界溫度根據(jù)中國建設(shè)部《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范(GB50019-2003)》規(guī)定,設(shè)計計算供暖期日數(shù),應(yīng)根據(jù)累年日平均氣溫穩(wěn)定低于或等于室外臨界溫度的總?cè)諗?shù)確定。其中室外臨界溫度的選取,一般民用建筑和工業(yè)建筑宜采用5℃。采用連續(xù)5d滑動平均法確定供暖初日和供暖終日。用數(shù)學(xué)方法表示:任意連續(xù)5d的日平均氣溫≤5℃的最長一段時間內(nèi),假設(shè)第i,i+1,i+2,i+3,i+4天為第一組連續(xù)5d日平均氣溫穩(wěn)定通過≤(或≥)5℃的日期,則第i天為供暖初日(或供暖終日)。供暖期長度是以供暖初日與供暖終日之間的日數(shù)確定的。目前沈陽實(shí)際供暖期的劃定符合此規(guī)定。1.3供暖、制冷熱耗的定量指標(biāo)供暖強(qiáng)度的計算方法采用度日法。早在20世紀(jì)50年代初,Thom首次采用度日法探討了能源消費(fèi)與溫度的關(guān)系。度日法是指日平均溫度與規(guī)定的基礎(chǔ)溫度的實(shí)際離差。度日最初是用來反映農(nóng)作物生長中所需熱量水平的物理量單位,近年來發(fā)展為一個能夠反映供暖和制冷所需能源的時間溫度指數(shù),被廣泛應(yīng)用在氣候變化和能源需求的研究應(yīng)用領(lǐng)域。為研究方便,度日分為采暖供熱度日(heatingdegreedays,HDD,簡稱熱度日)和制冷降溫度日(coolingdegreedays,CDD,簡稱冷度日),熱度日(HDD)是對冷季寒冷程度的估計,也是采暖季節(jié)內(nèi)采暖能量消耗的一個定量指標(biāo)。供暖熱度日的計算:Di=Tb-Ti(1)式(1)中,Di為第i天的供暖度日值;Tb為基礎(chǔ)溫度;Ti為第i天的日平均溫度,基礎(chǔ)溫度Tb取5℃。供暖期熱度日值的總量大小反映了供暖期氣溫的高低,即供暖期天氣的寒冷程度。供暖度日值越大,說明供暖期氣溫越低,供暖強(qiáng)度增大;反之,供暖度日值越小,說明供暖期氣溫越高,供暖強(qiáng)度減弱。2結(jié)果分析2.1近50a沈陽利用線性趨勢分析方法分析氣溫變化趨勢。近50a沈陽年平均氣溫總體呈升溫趨勢,線性擬合增長率為0.176℃/10a(圖1),并且通過了α=0.005的顯著性檢驗,說明近50a沈陽氣溫變暖趨勢十分顯著。供暖期(11月1日至翌年3月31日)平均氣溫變化趨勢總體呈上升趨勢(圖1),但升溫趨勢沒有年平均氣溫顯著,未通過顯著性檢驗。近50a沈陽年平均氣溫變化大致可分為冷期、暖期和波動期。20世紀(jì)60—70年代初期為冷期;70年代中期開始至90年代末期為暖期,70年代中期至末期升溫比較緩慢,80年代開始明顯升溫,特別是90年代升溫更加顯著。而近10a氣溫沒有出現(xiàn)階段性的升溫和降溫,而是有升溫有降溫,且波動較大,年平均氣溫最低值7.2℃出現(xiàn)在2010年,年平均氣溫最高值9.6℃出現(xiàn)在2004年,最高值與最低值之間相差2.4℃。近50a沈陽供暖期平均氣溫分為冷期、暖期和波動期。20世紀(jì)60—70年代為較長的寒冷階段,且60年代氣溫比70年代氣溫更低;80年代初期至90年代末期氣溫明顯上升。2001—2010年,供暖期平均氣溫與同期年平均氣溫變化趨勢相似,呈波動狀態(tài),且波動幅度比年平均氣溫更大,供暖期平均氣溫最低值-7.6℃出現(xiàn)在2009年,供暖期平均氣溫最高氣值-2.8℃出現(xiàn)在2001年,最高氣溫值與最低氣溫值相差4.8℃。2.2供暖初日和供暖日期特征采用連續(xù)5d滑動平均法,對沈陽供暖初日和供暖終日進(jìn)行統(tǒng)計分析。將連續(xù)5d日平均氣溫穩(wěn)定≤5℃的第一日作為理論供暖初日。分析近50a沈陽供暖初日變化表明,供暖初日平均日期為11月3日。50a中只有1a的供暖初日為11月1日,28a供暖初日出現(xiàn)在11月1日以后,21a供暖初日出現(xiàn)在11月1日之前,供暖初日出現(xiàn)的最晚時間為11月17日(1966年),供暖初日出現(xiàn)的最早時間為10月20日(1961年和2002年),供暖初日的最早時間與最晚時間相差29d,且每年的供暖初日提前和推遲的日數(shù)不等(圖2),表明近50a沈陽供暖初日總體變化呈推遲趨勢。同樣,將連續(xù)5d日平均氣溫≥5℃的開始日作為理論供暖終日。分析近50a沈陽市供暖終日變化特征表明,供暖終日的平均日期為3月31日。供暖終日最早出現(xiàn)在3月11日(2001年),最晚出現(xiàn)在4月16日(2005年),供暖終日出現(xiàn)的最早日期與最晚日期相差37d,且每年提前或推遲的日數(shù)不等。近50a沈陽供暖終日的總體變化呈提前趨勢。1980—2005年供暖終日明顯提前,其中1997—2005年供暖終日提前尤為明顯(圖3)。分析近50a沈陽供暖期長度變化表明,供暖期長度總體變化呈縮短趨勢(圖4)。從圖4可以看出,平均供暖期日數(shù)為151d,最長供暖日數(shù)為173d(1964年),最短供暖期日數(shù)為121d(2001年),最長供暖期與最短供暖期之間相差52d。供暖日數(shù)自20世紀(jì)80年代初期至90年代初期縮短明顯。2.3供暖度與氣溫的關(guān)系運(yùn)用式(1)計算供暖度日值,判斷供暖強(qiáng)度。根據(jù)定義,供暖度日值越大,說明氣溫越低,供暖強(qiáng)度越強(qiáng);反之,供暖度日值越小,表示氣溫越高,供暖強(qiáng)度越弱。計算結(jié)果顯示,20世紀(jì)60年代初期至70年代末期,供暖度日值增大,說明這一時期氣溫偏低,供暖強(qiáng)度增強(qiáng)。20世紀(jì)80年代供暖度日值減小,90年代供暖度日值進(jìn)一步減小,說明20世紀(jì)80—90年代,供暖期氣溫升高,供暖強(qiáng)度呈減弱趨勢。20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初期,供暖度日值波動較大,供暖度日最大值1907℃出現(xiàn)在2000年,說明2000年供暖期氣溫相對較低,需要加大供暖強(qiáng)度;供暖度日最小值為1179.4℃出現(xiàn)在2001年,說明2001年供暖期氣溫相對較高,供暖強(qiáng)度較弱。近50a沈陽年供暖度日值總體呈減小趨勢,沈陽氣溫變化趨勢為升高,供暖強(qiáng)度變化趨勢減弱(圖5)。3供暖期平均氣溫(1)近50a沈陽平均氣溫總體呈顯著上升趨勢,并通過了α=0.005的顯著性檢驗。沈陽年平均氣溫自20世紀(jì)80年代上升明顯,90年代更為突出。近50a沈陽供暖期平均氣溫也呈上升趨勢,20世紀(jì)80年代的升溫幅度最明顯,但年平均氣溫變化不明顯,未通過顯著性檢驗。(2)氣候變暖使近