新疆采暖制冷時間序列的時空變化特征分析

根據ipcc第三次評估報告，自上個世紀以來，地球氣候經歷了以變變為主要特征的重大變化。在過去的20世紀，世界平均氣溫上升到0.6.0.2c，全球平均氣溫還達到1.4.5.8c。與全球變暖相同步,位于中緯度干旱區的新疆,其氣候也存在變暖的趨勢,尤其是近50a以來升溫趨勢更加明顯,升溫率達0.2℃/10a。相關預測結果表明,未來新疆氣候還將繼續變暖,2050年溫度將比20世紀90年代上升1.9～2.3℃。由于人類經濟活動與氣溫存在明顯的相關性,氣溫的升高無疑會對農業、建筑、交通、水資源和物候等許多方面產生顯著影響,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非常巨大,因而有必要開展氣候變化對能源需求的影響與預測方面的研究工作。有關方面的研究國內外已廣泛開展[5,6,7,8,9,10,11,12],但新疆還未見相關研究報道。新疆位于中緯度內陸干旱區,境內很多地區屬于酷熱、或邊遠嚴寒地區,不僅有很高的冬季采暖需要,而且有夏季制冷降溫的需求。區域內的建筑熱工能耗(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/制冷度日數之間呈近似的線性關系。據此關系模式,可以認為在氣溫持續升高的背景下,本區域的冬季采暖度日數、進而采暖耗能可能會降低,夏季制冷度日數、進而制冷耗能可能會增加。但這是基于一般經驗性模式的推斷,具體情況還缺乏定量的分析。因此,本文依據日最高和最低溫度觀測值計算出的本區域16個主要城市的采暖和制冷度日數時間序列,利用Mann-Kendall檢驗法和簡單線性回歸法檢測這些時間序列的長期單調趨勢,并分析其變化特征,為本區域未來建筑能源需求的預測與規劃奠定基礎。1數據和方法1.1適當插補,插補資料資料來源于中國氣象局國家氣象中心資料室整編的全疆54個測站的逐日最高、最低氣溫記錄。為了保證資料的均一性和質量,首先剔出了缺測比較嚴重以及時間覆蓋不夠的測站,然后對資料不連續的臺站進行適當插補,插補方法為:對單日缺測,用本站前后各1天的值取平均做為該缺測值;對于兩日以上連續缺測值,采用缺測站與相鄰站(二者距離小于100km)進行線性回歸的方法來插補。這樣,全疆有16個主要城市臺站資料連續性與質量較好。臺站信息、缺測情況與缺測值的處理方式參見本工作第一部分中的介紹。1.2非參數檢驗法以往研究中常用的趨勢檢驗方法為參數統計方法,如滑動平均法、線性回歸法等。這些方法的共同特點是對所分析的數據有正態性的要求;相比,非參數Mann-Kendall(MK)檢驗法對研究數據分布的正態性沒有要求,它是一種基于排序的方法,適合于檢測非線性趨勢。近年來,非參數檢驗法在氣候和水文時間序列趨勢分析與研究中得到廣泛應用。本文使用的趨勢檢驗法為非參數MK檢驗和簡單線性回歸法兩種方法。用MK趨勢分析16個站點的基準溫度18℃下年和季采暖度日數和基準溫度24℃下的年和季制冷度日數時間序列的正或負趨勢;同時利用簡單線性回歸法分析上述采暖與制冷度日數時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℃作為暖度日數的截段溫度界限,主要有以下考慮:一是18℃為國際上通用的界限溫度,已使用了幾十年,至今依然在廣泛應用。本文采用之便于區域間的對比;其二是從人體舒適性感覺上,當外界溫度低于18℃時,人就有保暖或采暖的需求,雖然與實際采暖季的起訖溫界(新疆地區大致為0℃)有差異,但從分析趨勢變化的角度還是合適的。至于選用24℃作為制冷度日數的截段溫界,理由也大致如前。1.2.1計量2標準檢驗標準的方法MK檢驗的原假設H0為數據樣本{Xi,i=1,2,…,n}是獨立的且同一分布的;假設H1為在X中存在單調趨勢。統計量S定義如下:式中n為數據集的長度,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)已經證明,當n≥8時,統計量S近似服從均值為0方差為下式的正態分布:式中t為每個相持組中,相持值的數目;∑為針對所有的相持組求和。標準化檢驗統計量Z由下式計算:標準化的MK統計量Z遵循均值為0、方差為1的標準正態分布。正S值指示向上趨勢,負S值指示向下趨勢。1.2.2t-檢驗估計簡單線性回歸或最小平方線性趨勢的統計顯著性通過參數t-檢驗估計。t-檢驗統計量,具有自由度n=2的學生分布,定義為:t=r(1-r2)-1/2(n-2)1/2,(5)式中r為樣本相關系數。1.2.3預處理后的序列相關性分析由于序列相關性對趨勢檢驗和解釋會產生影響,因而在進行MK檢驗之前,對所計算出的年與季采暖與制冷度日數時間序列做了遲滯1a的序列相關性分析。為消除序列相關性的影響,對原序列值做預白化處理,處理后的序列變為:(x2-r1x1,x3-r1x2,…,xn-r1xn-1),其中xi為原年與季采暖與制冷度日數值,r1為原序列與其遲滯1a值的相關系數。之后,對這些預白化的序列做MK趨勢檢驗,而對其它不存在序列相關性的時間序列直接進行MK趨勢檢驗。2結果與討論2.1預白化前后年和季采暖與制冷日數時間序列的相關性表1列出了具有5%顯著水平下遲滯1年顯著序列相關的序列數及其占總序列數的比。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年顯著序列相關的序列數比較多,尤其是制冷度日數序列,其夏季和年序列中各有11個序列呈現出了顯著的序列相關性,各占其總序列數(16個)的68.8%;秋季序列中也有5個序列呈現出了顯著的序列相關性,占秋季總序列數(16個)的31.3%。就采暖度日數而言,具有顯著序列相關性的年和季序列數雖然沒有制冷度日數序列的多,但其冬季和年序列中具有顯著序列相關性的序列達到6個和5個,分別占總序列數(16個)37.5%和31.3%。研究結果表明,預白化可以有效地移去序列的遲滯一個時間步長的自相關成分。然而,假如趨勢存在,對正的遲滯一個時間步長的自相關進行預白化將移去趨勢的一部分;因此,預白化后趨勢的斜率就比預白化前趨勢的斜率要小,這就導致了對顯著趨勢的低估。對預白化前后年和季采暖與制冷度日數時間序列分別進行MK檢驗與線性趨勢檢驗的結果顯示,預白化減少了原具有顯著趨勢的序列數,其中減少的MK趨勢數為14個,其中以制冷度日數序列為多;減少的線性趨勢序列數也為14個,都為制冷度日數(表1)。2.2新疆16個城市采暖互通日數的趨勢檢驗結果表2列出了新疆16個主要城市基準溫度18℃下的年與季采暖度日數MK與線性趨勢檢驗的統計結果。由該表可知,對于年采暖度日數,15個城市具有顯著(0.05水平下)的MK減少趨勢和至少0.05顯著水平下的線性減少趨勢,占總城市數(16個站)的93.8%。可見采暖度日數年序列減少趨勢非常明顯。秋、冬季的采暖度日數減少趨勢也比較明顯,分別有9個城市呈現出了顯著的MK減少趨勢,分別占總城市數(16個站)的56.3%;而具有顯著線性減少趨勢的城市數分別為秋季10個、冬季14個,分別占總城市數(16個站)的62.5%和87.5%。圖1中示出了新疆16個主要城市基準溫度18℃下的年和季采暖度日數的MK趨勢檢驗結果。從該圖中所示的年采暖度日數的趨勢檢驗結果來看,所有16個城市都呈現減少的趨勢,其中除庫車呈弱減少趨勢外,其它城市在0.05水平下呈顯著減少趨勢。從季節采暖度日數的MK趨勢來看,春季16個城市中只有烏魯木齊和庫車2城市呈現弱增加趨勢,其余14個城市都表現出減少趨勢,其中塔城的減少趨勢達到了0.05顯著水平。夏季12個城市呈現減少趨勢,其中伊寧、塔城、喀什、阿克蘇和民豐5城市減少趨勢達到了0.05顯著水平,而烏魯木齊和庫車呈弱增加趨勢,另有吐魯番和哈密2城市無趨勢。秋季僅有庫車呈弱增加趨勢,其余15個城市呈減少趨勢,其中有9個城市的減少趨勢達到0.05的顯著水平。冬季所有16個城市都呈現減少的趨勢,其中吐魯番、石河子、庫爾勒、喀什、哈密、奇臺和庫車7個城市減少趨勢未達到0.05的顯著水平(圖1)。利用簡單線性回歸法對各站近45年來的年和季采暖度日數的變化趨勢進行了擬合,所得最小平方擬合直線的斜率作為變化趨勢率或傾向率,結果示于圖2中。由圖2可見,所有16個城市都呈現減少的趨勢,其中除庫車呈弱減少趨勢外,其它城市分別在0.05、0.01和0.001水平下呈顯著減少趨勢。這一結果與利用MK檢驗法獲得的結果相一致。近45年來,新疆16個主要城市的年采暖度日數時間序列的線性傾向率分布在-25.1～-154.0℃/10a的范圍內(圖2),平均值為-77.9℃/10a。對于季節采暖度日數的線性趨勢來說,春季只有烏魯木齊和庫車2城市呈弱增加趨勢,其余14個城市都表現出減少趨勢,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弱增加趨勢;克拉瑪依、吐魯番、哈密和庫車4城市無夏季趨勢;其它11個城市呈減少趨勢,其中伊寧和塔城2城市減少趨勢達到了0.05顯著水平。秋季僅有庫車呈弱增加趨勢,其余15個城市呈減少趨勢,其中有10個城市的減少趨勢達到0.05以上的顯著水平。冬季所有16個城市都呈現減少的趨勢,其中僅有石河子和奇臺2個城市減少趨勢未達到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個主要城市基準溫度24℃以上年與季制冷度日數MK與線性趨勢檢驗的統計結果。由該表可見,對于年制冷度日數,7個城市具有顯著(0.05水平下)的MK增加趨勢,占總城市數(16個站)的48.3%;6個城市呈現出顯著的線性增加趨勢、2個城市呈現至少0.05顯著水平下的顯著線性減少趨勢,分別占總城市數(16個站)的37.5%和12.5%。可見制冷度日數年序列減少趨勢比較明顯。春、夏季制冷度日數增加趨勢也比較明顯,分別有3個和7個城市呈現出了顯著的MK增加趨勢,分別占總城市數(16個站)的18.83%和43.8%;而具有顯著線性增加趨勢的城市數分別為春季5個、夏季6個,分別占總城市數(16個站)的31.3%和37.5%。圖3列出了基準溫度24℃以上新疆16個主要城市年和春、夏與秋季制冷度日數的MK趨勢檢驗結果。從圖3可以發現,新疆16個主要城市中絕大部分年制冷度日數存在顯著的增多趨勢。除烏魯木齊、庫車、奇臺和阿勒泰4個城市的年制冷度日數存在減少趨勢外,其它城市存在增多趨勢。在增多的12個城市中,除吐魯番、克拉瑪依、喀什、哈密和烏蘇5個城市增多趨勢不顯著外,其它7個城市在0.05水平下增多顯著。從季節制冷度日數的MK趨勢來看,基準溫度24℃以上僅有烏魯木齊和庫車2城市的春季制冷度日數呈弱減少趨勢,其余14城市存在增加的趨勢,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4城市無基準溫度24℃以上的春季制冷度日數的變化趨勢。夏季是制冷的主要季節,除烏魯木齊、哈密、阿勒泰、奇臺和庫車5個城市夏季制冷度日數呈現減少趨勢(其中庫車達到0.05顯著水平)外,其它城市呈現增多趨勢,其中吐魯番、克拉瑪依、喀什和烏蘇4城市增多趨勢不顯著。秋季有9個城市的制冷度日數呈現增多趨勢,其中吐魯番和阿克蘇2個城市達到顯著增多的水平;烏魯木齊和庫車呈弱減少趨勢。還有5個城市(伊寧、塔城、哈密、阿勒泰和奇臺)無夏季制冷度日數變化趨勢(圖3)。利用簡單線性回歸法對各站近45年來的年和季制冷度日數的變化趨勢進行了擬合,所得最小平方直線的斜率作為變化趨勢率或傾向率,結果示于圖4中。由圖4可見,16個城市中有4個城市——阿勒泰、奇臺、烏魯木齊和庫車的年制冷度日數呈減少趨勢,其中奇臺和庫車呈0.05顯著水平下的減少趨勢;其它12個呈增加趨勢的城市中,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、庫爾勒和和田在0.001水平下呈顯著增加趨勢。這種結果與利用MK檢驗法獲得的結果大致一致。近45年來,新疆16個主要城市的年制冷度日數時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。從季節制冷度日數的線性趨勢來看,基準溫度24℃以上僅有烏魯木齊和庫車2城市春季制冷度日數呈弱減少趨勢,阿勒泰、塔城、奇臺和伊寧4城市無趨勢,其余10城市存在增加的趨勢,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,除阿勒泰、烏魯木齊、奇臺和庫車4個城市夏季制冷度日數呈現減少趨勢(其中奇臺和庫車達到0.05顯著水平)外,其它城市呈現增多趨勢(其中伊寧與民豐達0.05顯著水平;塔城、阿克蘇與和田達0.01顯著水平;庫爾勒達0.001顯著水平)。秋季有6個城市(阿勒泰、塔城、石河子、奇臺、伊寧和喀什)無制冷度日數趨勢;有5個城市的制冷度日數呈現增多趨勢,其中吐魯番和阿克蘇2個城市分別在0.05和0.01顯著水平下顯著增多;其余5個城市呈弱減少趨勢(圖4)。由以上分析可知,兩種檢驗方法所獲得的結果都一致表明,近40多年來,新疆主要城市呈現出了比較明顯的采暖度日數減少、制冷度日數增多的趨勢。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。上述趨勢的存在顯然與全球/區域變暖有很大的關系。值得預期的是,據氣候模式預計,21世紀末全球平均氣溫還將上升1.4～5.8℃。與此相應,新疆的氣溫尤其是冬季氣溫將繼續升高。在這種升溫背景下,未來新疆絕大部分城市熱季制冷能源需求可能