我国夏季降温能耗的变化趋势

我国夏季降温能耗的变化趋势

居民用电负荷增长规律和气候变化对电力供需平衡的影响气候变化改变了能源需求。随着人民生活水平的提高和居民住房的改善,以及受到气候变化的影响,生活能源消费总量呈指数增长趋势,居民生活用电比重上升,1996年城乡居民生活用电占全社会用电量的10.7%,2002年则上升到了12.2%。这主要是由于冬季取暖和夏季制冷设备的普及和广泛使用,尤其后者对电力消费波动的影响更为显著。统计显示,我国每百户空调拥有量由1995年的8.09台上升至2001年的35.79台,北京和上海由11.8台和33.2台分别增至89.7台和100.4台。这与电力消费几乎是同步增长的。城镇居民用电的增加,不仅表现为用电量的增加,同时也造成了用电负荷在季节上的不均衡,这与气候特点有着很大关系。据电力部门2000～2003年3～11月全国城乡居民生活用电资料统计分析,高值期集中在7、8、9月,其中以8月最大。2003年夏季,我国南方地区出现的极端持续高温天气是造成电力供应紧张的重要因素之一。由于空调制冷负荷猛增,用电负荷接连创历史新高,华东电网、南方电网及华中电网空调制冷负荷比重超过30%,个别省电网甚至接近40%,华东、华中、华南电网共有19个省市不得不采取拉闸限电措施。由此可见,空调性负荷高峰加剧了夏季气候变化对电力供需平衡的影响。生活能源需求对气候变化敏感性的不断增加,也使得两者的相关关系越来越密切。以往的有关研究大多直接利用用电量(电力负荷等)与气象因子进行相关分析,由于所取得的电力资料有限,一般只针对某一地区某一年或几年资料作分析研究,因此分析结果局限性比较大。本文采用国际上普遍使用的衡量降温耗能的指标——降温度日数,研究我国降温度日分布和变化特征及夏季温度变化对我国降温耗能的影响,并建立了评估模型。这样可以不受电力资料的限制,而且采用统一的评估指标,其结果更有普遍意义。1我国南北方关于基本温度的参数设置和研究问题降温度日数(CoolingDegreeDays)是指一段时间(月、季或年)日平均温度高于某一基础温度的累积度数。如果日平均温度低于该基础温度,那么这一天无降温度日数。这一概念常出现在采暖通风和空气调节的技术标准中。降温度日数越大,表示温度越高。降温度日数D可由下式表示:D=t−t0D=t-t0式中:D为降温度日,t0为基础温度,t为逐日平均气温,单位均为℃。在国外,日本以室外气温25℃作为冷气设备开启的起始温度(即基础温度)。在我国,降温设备的开启“随意性”很大,对此国家也没有相关的设计规定。有关研究表明,夏季气温在25～28℃时华中电网用电负荷对气温变化最敏感;陕西电网用电量在日平均气温为28～31℃时对气温变化最敏感。说明当气温达到某一临界值时,电力消耗与气温变化的关系更加密切。考虑到我国南方地区夏季气温高且持续时间长,降温设备的使用更加普遍,相应地降温耗能受气温的影响也更大。本文将重点研究夏季温度变化对我国南方降温耗能的影响,因此将基础温度设定为25℃。文中降温度日数即基于基础温度为25℃的累积度数。利用1961～2003年6～8月全国722个站逐日平均气温资料,计算各月和夏季的降温度日数及其距平百分率(即变率)。多年平均值采用1971～2000年共30年平均。将我国以淮河为界分为南、北两大区域;在南方区中划分长江中下游区(简称长江区)、华南区和西南区。采用算术平均的方法计算各区域平均值。为研究各区域降温度日长期变化趋势的定量程度,计算了气候趋势系数,并对其进行t统计量检验。对序列作9点二次平滑,可以克服滑动平均削弱过多波幅的缺点,以展示变化趋势。以月降温度日距平百分率(即降温耗能变率)与月平均气温距平作相关分析,建立降温耗能评估模型。2温度日的变化特征2.1不同季节、不同高度、能量条件对高值中心的影响图1给出了6～8月降温度日(多年平均)全国分布。可以看出,夏季3个月降温度日分布形式基本相同,大致由南向北减少,青藏高原及东北北部降温度日数基本为零。高值区出现在长江中下游以南地区,另一个高值区位于新疆吐鲁番盆地,但不同月份量值及高值中心的位置均有所不同。6月为初夏,尚未进入高温期,降温度日一般较小。江淮流域为梅雨季节,气温相对较低,因此50℃以上的区域仅出现在江西和湖南的南部、两广及海南这些地区,最大值出现在海南的西部及广东雷州半岛,降温度日达到100～130℃。7月进入盛夏,降温度日为3个月中最大,50℃以上的范围扩大到华北平原至黄河下游以南地区以及四川东部、重庆一带。江淮流域出梅后受副高控制,常出现持续高温天气,因此江西、湖北东南部、湖南南部、广东、广西东部降温度日达到了100～120℃,高值中心位于江西的中北部地区,达120～150℃。8月,50℃以上的区域较7月偏南,位于淮河以南地区,高值中心位置与7月相似,但量值减小。2.2夏季降温度日变化的趋势性图2为1961～2003年南方地区平均夏季降温度日历年变化图(平均值为1971～2000年平均,下同)。就整个南方地区而言,夏季降温度日趋势系数接近0。这表明,近40多年来,南方夏季降温度日没有出现增加或减少的变化趋势。但从图2中我们可以看出,20世纪60～80年代出现了几次比较明显的波动(9点2次平滑线),90年代以来趋于接近均值。图2还显示出夏季降温度日的年际波动非常大。在这43年中,偏多和偏少的年份各有21年和22年。在偏多的年份中有9年超过平均值10%(变率,下同)以上,其中有6年超过平均值15%以上,1961、2003、1967年夏季降温度日分别超过平均值31%、26%和23%;在偏少的年份中有11年低于平均值10%以上,其中5年低于平均值15%以上,1974年最少,偏少25%。可见,大约每两年就有一年降温度日变化幅度超过平均值的10%以上,而每4年中有一年波动大于15%。降温度日年际波动大,使得夏季降温耗能存在很大的不确定性。从南方夏季各月降温度日趋势系数计算结果来看,6月份降温度日略有增加的趋势,7、8月则呈现微弱的减少趋势,但变化趋势均不显著(未通过信度检验)。从南方3个区域的平均夏季降温度日历年变化曲线可以看出(图略),近40多年来,长江中下游区平均夏季降温度日呈现微弱的减少趋势(未通过信度检验)。20世纪60年代是40多年中降温度日最大的阶段,70年代中期和80年代前中期出现两段较明显的偏低时段,此后基本上接近平均值,90年代后期以来略低于平均值。华南区平均夏季降温度日近40多年的变化趋势与长江区不同,呈现出明显的增加趋势,趋势系数达到0.494,通过0.01的信度检验。20世纪70年代后期以来,虽然降温度日出现了两次较明显的波动,但基本都处在平均值以上。华南区夏季降温度日呈现出的明显增加趋势值得关注,这意味着夏季降温耗能的增加并有可能持续维持在较高的水平上。西南区夏季降温度日呈现减少的趋势,趋势系数为0.296,接近0.05的显著水平;20世纪80年代以来,降温度日基本处在平均值以下。从月长期变化来看(图略),长江区7、8月降温度日都呈现弱的减少趋势,8月较7月略微明显一些,6月则为弱的增加趋势,但趋势变化均不显著。华南区夏季3个月降温度日都呈现增加的趋势,其中6月趋势系数为0.47,8月为0.34,均通过了0.05的信度检验,增加趋势比较显著。西南区夏季3个月降温度日均有减少的趋势,其中7月减少趋势比较明显(通过0.05信度检验)。以上分析表明,从我国整个南方地区来说,夏季降温度日变化的趋势性不明显,但不同区域情况有所不同。华南区夏季降温度日呈现增加的趋势,特别是6月和8月增加趋势明显;而长江区和西南区夏季降温度日为不太显著的减少趋势。3日和电力消耗的相关性研究表明,电力消耗与气象条件的变化有关,降温度日和电力消耗之间更有着较高的相关性。因此,一段时间内的降温度日数可以用来表征该时段的降温耗能,降温度日的变化即反映了降温耗能(电力消耗)的变化。3.1南方区域降温能耗与气温的关系利用6～8月降温耗能变率与相应月份的平均气温距平作单站相关分析,结果表明两者间存在很好的正相关。选取28个重点城市作为代表站,除太原6月和哈尔滨8月外,各站各月相关系数均达到0.5以上(图3),通过0.001信度检验。从图上可以看出,南方城市相关系数一般较北方城市高,大多在0.8以上,可见温度变化对南方降温耗能的影响更为显著。从各月来看,6月相关性一般较7、8月略差;北方城市以7月相关最好,南方7、8月相关系数接近且相关最为密切。说明温度对降温耗能的影响程度随气温的升高而增加。利用各区域月降温耗能变率与月平均气温距平进行相关分析,两者间相关密切,各月相关系数均通过0.001信度检验。6、7、8月相关系数,南方区分别为0.95,0.97和0.96,北方区为0.85,0.95和0.73。南方区相关系数大于北方区,表明南方区降温耗能与气温变化关系更为密切。南方区中又以华南区相关性最好,其次是长江区,西南区相关性相对稍差。从各月来看,南方区及其各区域均以7月相关系数最大,8月次之,6月最小;北方区同样以7月相关系数最大,但以8月最小。这同样表明了气温越高,降温耗能与温度的关系越密切。3.2不同城市降温能耗的差异比较图4给出了月平均气温升高1℃各代表站降温耗能的增加效应量。由图可以看出,气温升高1℃,不同城市降温耗能对温度变化的响应有所差别,总体为北方大于南方。6月各地降温耗能变率相差较大,最小仅为19%(海口),最大达134%(银川),南方城市(图中以郑州为界)一般为30%～70%,北方城市多在40%～120%之间;7月南方多数城市降温耗能变率不超过30%,广州最小为20%,北方一般为30%～95%,银川最大,达101%;8月南方城市一般在35%以下,广州22%,为最小,北方大多为40%～80%,呼和浩特最大,为108%。另外,北方夏季温度较高的城市,如石家庄、济南、西安、郑州等1℃效应相对较小,而南方夏季温度相对较低的贵阳和成都两市,1℃效应明显大于南方其他城市。这表明夏季温度相对较低的地区降温耗能对温度变化更为敏感,而夏季温度较高的地区气温升高相同幅度,对降温耗能的影响相对要小些。对同一城市来说,气温升高1℃,南方多数城市以6月份降温耗能变化最大,变率多在40%以上;7、8两月相差不大,一般为20%～30%左右;除西南区的3市(重庆、成都和贵阳)外,其余城市均以7月变率最小。这也反映出温度变化对南方地区降温耗能的影响比较具有一致性。在未进入高温期前(6月),降温耗能对温度的变化比较敏感,而7、8月往往出现长时间高温天气,降温耗能相对稳定,因此波动较小。北方地区情况比较复杂,总的来看,西北地区6月降温耗能对温度变化比较敏感,东北地区为7月,而北方偏南地区以8月较为敏感,这与我国北方各地夏季温度状况相差较大有关。区域降温耗能1℃的效应量,北方区7月最大,达45.5%,6月为45.0%,8月最小,为37.4%;南方区6月明显大于7、8月,为45.3%,7月34.2%,8月32.9%。总的来看,北方1℃效应量大于南方,即温度升高相同的量值,北方降温耗能的增幅更大。温度升高1℃对长江、华南和西南区所产生的影响亦有差别。其中西南区3个月降温耗能变率均较大,分别为45.4%、44.5%和51.8%;长江区各月1℃效应相差较大,6月达50.8%,7月最小,仅为26.7%;华南区各月1℃效应相差不大,为28%～32%。3个区均以7月降温耗能变率为最小。总的来看,温度升高对西南区降温耗能影响较大,对华南和长江区相对要小;较有意义的是,盛夏期间温度变化引起的降温耗能波动小,对电力生产和调配等都较为有利。4降温能耗评估由上可知,夏季温度与降温度日(降温耗能)的正相关关系非常密切,拟合方程具有很好的评估性,为此给出夏季6～8月全国28个主要城市(表略)及南方各区域的降温耗能评估模型(见表1)。2003年夏季,我国南方地区出现了罕见的持续高温天气,降温耗能大幅增加,是造成不少地区电力供应紧张的主要因素之一。我们利用上述评估模型,对2003年夏季南方部分城市及3个区域的降温耗能进行评估。结果表明(表2),由于2003年6～8月气温偏高,使得各地降温耗能不同程度增加。尤其是7月,各地气温显著偏高,如长沙、杭州、南昌和福州气温距平分别为2.6℃、2.6℃、2.3℃和2.5℃,相应地降温耗能较常年分别增加了60.0%、63.5%、49.4%和61.4%,实际降温耗能的变化与之相当。2003年6月长江区和西南区温度偏高不明显,因此降温耗能增幅不大,华南区气温偏低,降温耗能略有减少。7、8月,各区域气温距平均在0.5℃以上,相应地降温耗能普遍超过常年的25%,华南区(7月)和西南区(8月)最大降温耗能增幅分别达42.5%和57.7%。评估结果与实际情况基本相符,但在量值上略有差别,7、8月误差较小,6月较大。5夏季降温能耗随气候变化的特征(1)我国夏季降温度日分布形势大致由南向北减少,高值区出现在长江中下游以南地区,不同月份其量值及高值中心的位置均有所不同,以7月为最大。(2)近40多年来,就整个南方而言