应用气象学报  2007, 18 (2): 232-236   PDF    
引用本文
谢庄, 苏德斌, 虞海燕, 李德平, 于丽萍, 胡天洁. 北京地区热度日和冷度日的变化特征[J]. 应用气象学报, 2007, 18(2): 232-236.
Xie Zhuang, Su Debin, Yu Haiyan, Li Deping, Yu Liping, Hu Tianjie. Characteristics of Heating Degree Days and Cooling Degree Days in Beijing[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2007, 18(2): 232-236  
北京地区热度日和冷度日的变化特征
谢庄1, 苏德斌2, 虞海燕2, 李德平1, 于丽萍2, 胡天洁2     
1. 中国气象局北京城市气象研究所, 北京 100081;
2. 北京市气象局, 北京 100081
2005-12-08 收到, 2006-11-13 收到修改稿.
资助项目: 科技部社会公益类重点项目 (2003DIA6N017) 和北京市自然科学基金项目 (8042012) 共同资助    
摘要: 应用1951—2004年北京逐日平均温度制作北京月、年的热度日 (HDD) 和冷度日 (CDD)。其中平均月HDD以1月 (687.9度日) 最大, 多年平均的年值为2922.6度日, 多年变化呈明显的下降趋势, 下降率为-99.5度日/10 a。平均月CDD以7月 (259.2度日) 最大。CDD多年平均的年值为826.7度日, 多年变化呈上升趋势, 上升率为39.0度日/10 a。1971—2004年HDD月城郊差值 (北京站-密云站) 冬季较大, 最大值为-73.8度日 (12月)。月CDD的城郊差值比HDD的差值小, 最大差值在8月 (34.0度日)。年HDD和CDD与年平均气温具有较高的相关性。年际、年代际HDD与年际、年代际平均气温具有反位相变化趋势, 随着气候增暖, 北京地区HDD将趋于减小, 冬季用于供暖的能源将减少; CDD将趋于增加, 夏季用于制冷降温的能源将增加。
关键词: 热度日    冷度日    阈值温度    气候增暖    
Characteristics of Heating Degree Days and Cooling Degree Days in Beijing
Xie Zhuang1, Su Debin2, Yu Haiyan2, Li Deping1, Yu Liping2, Hu Tianjie2     
1. Institute of Urban Meteorology, CMA, Beijing 100089;
2. Beijing Meteorological Bureau, Beijing 100089
Abstract: Degree-day is a quantitative index demonstrated to reflect the demand for energy to heat or cool houses and businesses. The heating degree days (HDD) index is defined as the accumulated Celsius degrees between the daily mean temperature and a threshold temperature when the mean daily temperature is lower than the threshold value. The cooling degree days (CDD) index is defined analogically as the accumulated Celsius degrees between a threshold temperature and the daily mean temperature when the mean daily temperature is higher than the threshold value. The 18 ℃ threshold temperature is chosen in Beijing. The HDD is a good estimation of an accumulated cold during the cold season as well as an index for heating energy consumption within the heating season. The CDD estimates an accumulated warmth during the warm season as well as the cooling energy consumption within warm season. The mean daily temperature during 1951—2004 from Beijing Weather Observatory is collected to calculate HDD and CDD. The mean monthly maximum HDD is 687.9 degree-day in January and zero in July. The annual mean value of HDD equals 2922.6 degree-day. There is a decreasing trend of-99.5 degree-day per decade.The mean monthly maximum CDD is 259.2 degree-day in July.All CDD in January, February, March, November and December are zero. The annual mean value of CDD in warm season is 826.7 degree-day. There is a increasing trend of 39.0 degree-day for CDD per decade. The mean maximum difference of HDD between Beijing station and Miyun station in 1971—2004 is-73.8 degree-day in December. The mean maximum difference of CDD between Beijing station and Miyun station in 1971—2004 is 34.0 degree-day in August.The annual HDD, CDD are highly correlated with the annual temperatures.With the temperature warming in Beijing, the smaller the HDD, the less the energy consumption in winter; the larger the CDD, the more the energy consumption in summer in the future.
Key words: heating degree days     cooling degree days     threshold temperature     climate warming    
引言

温度是人类活动和植物生长的关键指标之一。农、林业中植物生长发育和病虫害、灌溉和收获日期、建筑设计、发电、融雪效应、交通运输等都与温度有关。尤其是大城市中与供暖和空调制冷紧密相连的能源载荷与温度关系密切。

随着经济的发展, 各行各业与温度变化的关系日益密切, 常规的温度表征形式往往不能满足需求, 于是各种与温度有关的参数应运而生。其中度日 (degree-day) 是一个基本的设计参数, 在很多应用领域如发电和耗电业、环境能源计划、军事、保险业等均要求使用该参数[1], 人们生活中也广泛应用该参数。国外开展度日研究较早, 如Thom于20世纪50年代初首次用度日法探讨了美国能源消费和温度的关系[2]。目前美国气象部门也在有些网站上公布逐日的度日值[3], 有关部门或人们可根据发布的各地度日值, 统计某一期间如10天、1个月或1年的度日总和及相应消耗的总能源, 来预计未来能源的消耗情况, 或比较不同城市能源消耗情况。也可以根据度日值来比较使用不同种类能源如煤、天然气、电的经费消耗情况或不同的加热灶具 (或制冷空调器具) 的节能情况等。当然统计时间越长, 所得出的结论就越准确。

目前国内尚未开展这项研究, 但是随着我国经济的发展, 生活水平的提高, 对能源需求日益增加。能源及有关规划决策部门即将使用度日资料, 以比较国内外用于供暖和空调制冷的能源需求状况和未来发展趋势。

1 热度日和冷度日的定义

度日最初是用来反映农作物生长中所需热量水平的物理量单位, 近年来发展为一个能够反映供暖和制冷所需能源的时间温度指数, 被广泛用在气候变化和能源需求的研究应用领域。实际上度日就是指日平均温度与规定的阈值温度的实际离差。为了研究的方便, 度日又分为两种类型, 即采暖供热度日 (heating degree days, 简称热度日) 和制冷降温度日 (cooling degree days, 简称冷度日)。

阈值温度是为了统计需要而人为规定的一个参考温度, 各个国家 (或地区) 往往根据能源供应、人体生理需求、经济水平和温度变化特点选取适合本国 (或地区) 的参考温度。目前人们一般认为18 ℃是人体的最舒适温度, 北京市有关部门规定, 在供暖季节北京市室内温度不得低于16 ℃, 所以本文取18 ℃作为北京的阈值温度。北欧的斯堪的纳维亚国家和波兰取17 ℃作为阈值温度, 美国的阈值温度为65℉ (相当于18. 3 ℃), 加拿大则与本研究一致[4-5]。但是也有例外, 英国由于能源价格方面的原因, 阈值温度取为15. 5 ℃。

热度日 (HDD) 的定义是日平均气温低于某一阈值温度的温度与这一阈值温度之差的累计值, 即月HDD是月内日HDD之和。年HDD一般定义每年冷季 (9月至次年4月) 各月HDD之和[4]。本文考虑其他行业与HDD的关系密切及我国的国情特点, 年末将对来年的能源、电力等进行评估, 这种跨年度的因子不太适合其他部门或行业使用。所以本文将年HDD定义为年内1月至4月和9月至12月HDD之和。HDD是冷季对冷季寒冷程度的估计, 也是采暖季节内采暖能量消耗的一个定量指标。冷度日 (CDD) 与HDD取相同的阈值温度, CDD的定义是日平均气温高于阈值的温度与阈值温度之差的累计值。月CDD为月内日CDD之和, 年CDD则定义为年内5月至9月CDD之和。即CDD是暖季高温程度的一种描述, 也是热季用于空调制冷的能源消耗的一个定量估计。综上所述, HDD和CDD实际上是一种反映能源需求状态的热量单位。

2 资料和计算方法 2.1 资料

北京站 (54511发报站) 自20世纪60年代以来多次变迁[6], 1997年1月又从西郊八里庄迁至大兴县旧宫。远郊站址的资料, 不适合计算本文的HDD与CDD。但由于该期间大部分年份中国气象局院内 (五塔寺) 设有正规观测场, 本文用其代替远郊发报站 (54511) 的资料。另外, 近郊的丰台站建站较早, 且环境条件与五塔寺差别不大, 五塔寺没有观测的年份, 本文采用丰台站的资料。详细情况见表 1。

表 1 观测地点与观测时段 Table 1 Observation sites and time intervals

2.2 度日的计算方法

本文取上述资料中1951年1月1日至2004年12月31日逐日平均气温, 将阈值 (18℃) 减去当日平均温度, 取绝对值得到逐日的HDD, 即日HDD是将当日温度提高到18 ℃所需加热升高的温度。如日平均温度为8℃, 6℃, 0℃和-1℃, 对应的HDD为10, 12, 18度日和19度日。同理CDD则是将当日的平均温度减去阈值 (18℃), 得到当日的CDD。如日平均温度为22℃, 24℃, 20℃和23℃, 则对应的CDD为4, 6, 2, 5度日, 即CDD是将当日温度降到18℃需空调制冷的温度。

2.3 HDD和CDD的简化算法

国外在数十年前就已开展HDD和CDD的研究, 且广泛应用于各部门和人们生活中。但是根据HDD, CDD的定义, 利用日平均温度制作逐日值的方法不太适合其他部门和普通人群使用。因为气象部门往往只发布日最高和日最低温度, 于是出现了HDD (CDD) 的简易算法, 以下介绍一种简易算法。

根据Zalom等[7]所提供的算法, 用日最高气温与日最低气温的平均值来代替日平均气温, 与阈值做运算就可以得到该日的HDD或CDD。

3 北京地区HDD和CDD的变化特征 3.1 HDD, CDD的逐月变化特征

从图 1中可见, 1月HDD最大, 为687.9度日, 其次为12月 (613.4度日) 和2月 (542.4度日), 6月和8月两月不到1个度日, 7月接近0, 即HDD的月际差异很大。

图 1. 1951—2004年平均月HDD的逐月变化 Fig 1. The mean monthly HDD during 1951—2004

从图 2可见, 7月CDD最大, 达259.2度日, 其次为8月 (219.3度日), 6月为198.9度日, 4月和10月小于10度日, 1, 2, 3, 11月和12月的CDD为0。CDD的值比HDD小得多, 且月际差异也比HDD小。

图 2. 1951—2004年平均月CDD的逐月变化 Fig 2. The mean monthly CDD during 1951—2004

3.2 HDD, CDD的长期变化趋势

图 3为1951—2004年HDD年际变化及长期变化趋势。从图 3可见1956年的HDD (3423.4度日) 最大, 次大值为1969年 (3391.6度日)。最小值出现在1995年 (2489.8度日), 次小值为1998年 (2546.8度日)。HDD值大表明供暖季节温度低, 消耗的能源多; 相反HDD值小表明供暖期温度高, 消耗的能源就少。HDD的多年平均年值为2922.6度日, 略低于美国 (3725度日) [3]和波兰 (3478度日) [4]。另外从图 3中也可看到HDD的多年变化呈明显的下降趋势, 下降率为-99.5度日/10 a, 与北京温度的上升趋势相反。近年来北京气候变暖显著, 尤其冬季的增温大大超过其他季节[8], 所以HDD的下降趋势也十分明显。

图 3. 1951—2004年HDD的年际变化及其长期变化趋势 Fig 3. The interannual variations of HDD and its long-term trend during 1951—2004

图 4为1951—2004年CDD的年际变化及其变化趋势, 从图中可见2000年的CDD (1131.7度日) 最大, 次大值为2001年 (1124.4度日)。最小值出现在1954年 (592.0度日), 次小值为1970年 (646.5度日)。CDD值大表明夏季气温高, 空调制冷需要消耗的能源就多。CDD的多年平均年值为826. 7度日。另外图 4也显示了CDD的长期变化呈上升趋势, 上升率为39.0度日/10 a, 与近年来北京气温明显升高的趋势一致[8]。

图 4. 1951—2004年CDD的年际变化及其长期变化趋势 Fig 4. The interannual variations of CDD and its long-term trend during 1951—2004

3.3 平均月HDD和CDD的城郊差比较

为了分析北京地区月HDD和月CDD的城郊差异, 本文取密云为郊区代表站, 文中取密云气象站 (1971—2004年) 的逐日平均气温数据计算得到密云的平均月HDD和CDD, 然后与北京站的序列相减, 得到平均月HDD和CDD的城郊差 (如图 5和图 6)。从图 5中可见平均月HDD的城郊 (北京站-密云站) 差值较大, 其中12月的差值最大 (-73.8度日), 其次是1月 (-62.7度日), 2月为-53.1度日, 7月为0, 6月和8月接近-1度日。平均月CDD的城郊 (北京站-密云站) 差值比HDD小, 城郊差最大值 (34.0度日) 在8月, 6月 (33.8度日) 和5月 (33.4度日) 接近, 1, 2, 3月和11, 12月均为0。

图 5. 1971—2004年平均月HDD城郊差 (北京站-密云站) 的逐月变化 Fig 5. The mean differences of HDD between Beijing station and Miyun station during 1971—2004

图 6. 1971—2004年平均月CDD城郊差 (北京站-密云站) 的逐月变化 Fig 6. The mean differences of CDD between Beijing station and Miyun station during 1971—2004

由于城市热岛效应郊区的气温比城区低, 所以郊区的HDD比城区大, 如在1月, 要使城、郊达到同一温度, 郊区要比城区多增加73.8度日, 即须多消耗增加这些度日的能源。相反, 城区CDD比郊区大, 要达到同一温度, 城区消耗的能源比郊区多, 8月城区比郊区要多消耗降低34度日的能源才能达到相同的温度。

4 年HDD和CDD与年平均温度的关系及未来变化的影响 4.1 年HDD和CDD与年平均温度的关系

年HDD和CDD与年平均气温、平均最高气温、平均最低气温的相关系数均较高, 分别为:-0.95, -0.77, -0.92和0.80, 0.77, 0.65, 且均通过α=0.001的显著性检验。其中年HDD和CDD与年平均气温的相关系数最大, 相关较显著, 进而表明年HDD与年平均气温具有明显的反位相变化趋势, 而年CDD与年平均气温具有明显的同位相变化趋势。

4.2 年代际HDD, CDD和平均气温变化特征

从图 7(因资料的限制, 图中第1段为9年, 第6段为5年) 可看出, 20世纪80年代以后北京地区平均气温明显升高, 从12.3 ℃升高到13.9 ℃, 增暖趋势较显著, HDD从3000多度日下降到2700多度日, 呈明显下降趋势; 而CDD从700多度日上升到900多度日, 呈明显上升趋势。因此, HDD与平均气温年代际变化趋势亦呈反位相, 而CDD与平均气温年代际变化趋势呈同位相。即HDD, CDD与平均气温年代际变化的关系与上述年HDD, CDD与年平均温度变化的关系一致。

图 7. 1951—2004年平均HDD (a), CDD (b) 年代际变化趋势 Fig 7. The variation of mean decadal HDD (a), CDD (b) during 1951—2004

综上所述, 无论年际、年代际的HDD均与对应的平均气温具有反位相变化趋势, 随着气候增暖, 尤其是冬季, 北京地区HDD将变小, 即冬季用于供暖的能源将减少; 年际、年代际的CDD与对应的平均气温具有同位相变化趋势, 夏季空调制冷等所需能源消耗将不断增加。

5 结语

本文对1951—2004年北京地区HDD和CDD的研究表明:

1) HDD的多年平均年值为2922.6度日。平均月HDD以1月 (687.9度日) 最大, 7月接近0。多年变化呈明显的下降趋势, 下降率为-99.5度日/10 a。

2) CDD的多年平均年值为826.7度日。平均月CDD以7月 (259.2度日) 最大, 1, 2, 3, 11月和12月的CDD为0。多年变化呈上升趋势, 上升率为39.0度日/10 a。

3) 1971—2004年平均月HDD的城郊差值 (北京站-密云站) 较大, 其中12月的值最大 (-73.8度日), 7月为0。1971—2004年平均月CDD的城郊差值 (北京站-密云站) 比HDD的差值小, 平均月城郊差最大值 (34.0度日) 在8月, 1, 2, 3月和11, 12月均为0。

4) 年HDD和CDD与年平均气温的相关系数均较高, 且均通过α=0.001的显著性检验。年际、年代际HDD与年际、年代际平均气温具有反位相变化趋势, 随着气候增暖, 北京地区HDD将趋于减小, 即冬季用于供暖的能源将减少; CDD将趋于增加, 夏季用于空调制冷等所需能源消耗将不断增加。

参考文献
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