基于城市熱島強度的城市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能源消費和溫度的關(guān)系,此后,Byrd、Badescu、Kadioglu分別對度日的計算方法以及觀測時間對平均氣溫和度日的影響等進行了分析。目前,美國氣象部門部分網(wǎng)站還公布逐日的度日值。我國近年才開展有關(guān)度日的研究。如陳峪等以降溫度日數(shù)為指標(biāo),分析了我國夏季降溫度日分布和長期變化特征,并建立了夏季降溫耗能評估模型。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。盡管國內(nèi)對度日進行了一些研究,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,為實現(xiàn)東北老工業(yè)基地的能源節(jié)約和環(huán)境保護戰(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個氣象臺站的逐日最高氣溫和逐日最低氣溫資料進行度日的計算。為保證資料的均一性,首先對資料不連續(xù)的臺站進行適當(dāng)插補。對于單日氣溫缺測的情況,用本站前后各1d的氣溫值取平均值作為該缺測日的氣溫;對于超過1d連續(xù)缺測的情況,用缺測站與相鄰站的氣溫進行線性回歸,然后對缺測日進行插補。沈陽氣象臺站在1960年和1989年曾2次遷站,1960年的遷站對氣溫影響較小,所以忽略不計,而1989年是由城區(qū)遷至一植被區(qū),因此對氣溫影響較大,對此次遷站后的數(shù)據(jù)分段進行回歸、經(jīng)內(nèi)插、外推后進行氣溫修正,并進行了信度檢驗,利用修正后的氣溫進行度日的計算。1.2閾值溫度的確定度日的計算方法采用較簡便的方法,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,與閾值溫度做運算得到HDD(用dh表示)或CDD(用dc表示)。計算公式為:dh=Tb-(Tmax+Tmin)/2(1)dc=(Tmax+Tmin)/2-Tb(2)式(1、2)中,Tb為閾值溫度,計算dh時,Tb取18℃,計算dc時,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,各個國家設(shè)定的閾值溫度是不同的。美國、英國、波蘭和加拿大的閾值溫度分別為18.3℃、15.5℃、17℃和18℃。我國分別采用18℃和26℃作為dh和dc的閾值。對于一段時間內(nèi)的度日,只需將這段時間內(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)?？梢?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(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率為0.45℃/10a,冬季為0.74℃/10a,高于全國年平均氣溫增幅0.208℃/10a,全國冬季增幅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,上升率分別為6.3℃·d/10a和5.2℃·d/10a,這兩個城市表現(xiàn)出的上升趨勢,很可能與城市快速發(fā)展而導(dǎo)致的熱島強度增加有關(guān)。撫順和本溪呈微弱的下降趨勢,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,其原因有待于進一步研究。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(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,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,1970s—1990s呈上升趨勢,而1990s至21世紀(jì)的2006年,又呈下降趨勢。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,變化趨勢也較為一致,而本溪和撫順的變化幅度較小,尤其是本溪氣溫年代際波動很小。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。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)。這與在北京進行的研究結(jié)果是一致的。3.2熱島強度和dh在中國北方地區(qū),冬季城市熱島強度較強,而夏季較弱。以沈陽為例(圖8),沈陽年熱島強度為1.0℃,其年際變化表現(xiàn)為增加趨勢,增幅為0.25℃/10a。年dh和年熱島強度呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)r=-0.69;而年dc與年熱島強度呈正相關(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,溫度每降低1℃,每小時耗電量增加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,鞍山2006年dc為41.7℃·d。如果按夏季每日空調(diào)制冷時間為6h(自10至16時)計,那么鞍山夏季空調(diào)制冷達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用電量收費為0.395元人民幣,則鞍山2006年夏季dc達到閾值溫度需要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,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,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,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