泰安城區精細化氣溫區劃研究及應用

摘 要：基于2016—2023年泰安城區20個氣象站觀測數據，通過選取高溫過程、低溫災害氣象特征要素作為區劃因子，采用熵值賦權法，分別構建高、低溫災害危險性區劃體系，完成高、低溫危險性區劃圖。在2023年12月至2024年3月初泰安城區供暖季期間，利用區劃成果及相關技術方法為泰安城區熱力供暖提供氣象服務。研究表明：區劃結果準確反映泰安城區高低溫特征分布，能夠為冬夏季能源分布提供參考；低溫災害區劃實際應用使熱力公司調節供暖分布更加合理，取得良好的社會經濟效益。

關鍵詞：高溫過程；低溫災害；供暖

中圖分類號：S162.2 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）06–0-03

全球變暖是全世界面臨的巨大挑戰。IPCC最新報告指出，全球變暖產生的影響很多是不可逆的，與工業化前的水平相比，一些地區升溫已經達到1.5 ℃。在全球變暖的背景下，氣候變化引起的高溫熱浪、低溫寒潮等極端天氣事件發生頻率不斷攀升，給社會、經濟、環境帶來了不利影響。隨著我國社會經濟的發展和人民生活水平的提高，研究學者致力于分析氣候變化對中國各行各業的影響關系，以期減輕極端氣候事件對生產生活的影響，提高應對氣象災害風險的能力[1]。

泰安市位于山東省中部，北依泰山，城區內地勢起伏不平，氣象要素分布不均，近年來低溫災害、高溫天氣頻發。當前，對泰安市的氣候研究以單站長時間氣象數據分析為主，缺少對氣溫特征的時空分布分析，同時為滿足供能行業對氣象因子精細化分布需求，對泰安市進行精細化氣溫區劃研究具有重要意義。精細化氣溫區劃能夠為城市供暖、供電系統提供更準確的氣象支撐，有利于提高能源利用率，促進節能減排，也能為防災減災、氣候可行性論證等提供參考[2-3]。

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

采用2016—2023年冬/夏季泰安城區20個氣象觀測站與新設加密8個氣象站的氣溫小時數據，其中，54827為泰安國家氣象站、臺站號以“D”開頭為區域站，以“RL”開頭為新設氣象站。數據來源于山東省氣象局。供熱小區室溫為每日08：00供熱小區單用戶的室溫數據，數據來源于泰山城區熱力公司。

1.2 方法

1.2.1 標準化

由于所選指標因子的量綱不同，需對各指標因子進行歸一化處理。正向指標和負向指標數值代表的含義不同，正向指標數值越高越好，負向指標數值越低越好。因此，對于高低指標，用不同的算法進行數據歸一化處理。具體方法如下：

正向指標：x′=；

負向指標：x′=（1）

式（1）中，x′為歸一化后的數據，x為樣本數據，xmin為樣本數據中的最小值，xmax為樣本數據中的最大值。

1.2.2 熵值賦權法

在多指標綜合評價中，熵權法可以客觀地反映各評價指標的權重。一個系統的有序程度越高，則熵值越大，權重越小；反之，一個系統的無序程度越高，則熵值越小，權重越大。即對于一個評價指標，指標值之間的差距越大，則該指標在綜合評價中所起的作用越大；如果某項指標的指標值全部相等，則該指標在綜合評價中不起作用。

設評價體系是由m個指標n個對象構成的系統，首先計算第i項指標下第j個對象的指標值rij所占指標比重Pij：

（2）

計算第i個指標的熵權，確定該指標的客觀權重ωi：

（3）

1.2.3 高溫、低溫極端氣候區劃

高溫過程：日最高氣溫≥35 ℃的天氣現象。將連續3 d及以上最高氣溫≥35 ℃作為一個高溫過程。根據泰安城區常年氣象狀況，確定冷空氣、霜凍2種低溫災害類型。冷空氣過程：依據《冷空氣過程監測標準》（QX/T 393—2017），單站出現中等強度冷空氣（48 h降溫幅度≥6 ℃），持續2 d及以上，判定為出現一次冷空氣過程；霜凍：參照《中國災害性天氣氣候圖集》，采用霜凍橙色預警指標，日最低氣溫≤-5 ℃

作為低溫災害霜凍標準。

結合能源行業實際應用，對不同災害天氣選取氣象特征作為區劃指標，利用熵值賦權法確定各區劃指標的權重系數，分別建立高/低溫極端氣候區劃體系（表1），利用自然斷點法劃分氣象災害的危險性等級，分為：高、較高、較低、低4個等級。

2 結果與分析

2.1 高溫過程氣候區劃

2.1.1 高溫區劃指標

選取高溫過程平均最高氣溫、高溫平均持續時間、年平均高溫日數、極端高溫作為描述高溫過程特征的區劃指標，這4個區劃因子分布示意如圖1所示。當發生高溫過程時，平均過程最高氣溫（圖1a）區域差異性較小，除泰前街道西部小部分地區溫度在35.0 ℃左右，其他地區溫度均在36.0～37.0 ℃之間；高溫過程平均持續時間（圖1b）東西有所差異，上高街道北部及其以東地區持續時間較長，多為4～5 d，上高街道南部以西地區持續時間相對較短，為4 d以下，泰前街道東部地區持續時間最短，為3.5 d；年高溫日數（圖1c）城區分布不均，泰前街道東部、財源街道、徐家樓街道至北集坡街道西南部、山口鎮、上高街道北部地區高溫日數相對較高，日數在20 d以上，岱廟街道東北部至上高街道南部、邱家店鎮中部地區高溫日數相對較少，日數在15 d左右。

極端氣溫分布示意圖（圖1d）顯示，極端氣溫最高主要分布在徐家樓東部、北集坡街道東南部、上高街道北部及粥店街道東部地區，氣溫達40.5 ℃，邱家店鎮中部相對較低，為38.4 ℃，主城區泰前街道、岱廟街道、泰前街道極端氣溫在39.0～40.2 ℃之間。

2.1.2 高溫過程氣候綜合區劃

由高溫過程綜合氣候區劃可知，岱廟街道東北部北側至南側一帶、邱家店鎮大部分地區高溫危險性為低，上高街道北部、山口鎮東部及北集坡街道西南角高溫危險性等級為高，泰前街道西部、財源街道至北集坡街道危險性等級為較高，其他地區危險性等級為較低。夏季對于危險性較高或高的地區，需要注意電能供給，防范設備運行負荷。

2.2 低溫災害氣候區劃

2.2.1 冷空氣過程與霜凍

圖2a為冷空氣過程危險性區劃示意。泰安城區冷空氣危險性等級整體上從西北部向東南部遞減，粥店街道、泰前街道、財源街道危險性等級為高，省莊鎮北部至徐家樓街道西部一帶危險性等級為較高，其他大部分區域危險性等級為較低，山口鎮、北集坡街道有小部分地區等級為低。在主城區冷空氣過程發生的頻率遠低于其他區域，但當發生冷空氣時，其對主城區影響程度要大于其他區域。

由霜凍危險性區劃示意圖（圖2b）可知，主城區

—泰前街道、財源街道、岱廟街道北部和上高街道北部霜凍危險性等級為低，此區域霜凍期短，且發生霜凍時最低氣溫較高。邱家店鎮、上高街道南部和粥店街道西部區域霜凍危險性較高。較長的低溫持續時間、較低的氣溫會使熱力供暖持續高負荷運轉，造成能耗大，霜凍期熱力公司可根據霜凍危險性區劃合理調整供暖能源分布，提高能源供給，保證用戶使用

體驗。

2.2.2 低溫災害危險性綜合區劃

基于冷空氣過程、霜凍2種低溫災害區劃結果，通過GIS地理信息系統疊加，最終得出低溫災害危險性綜合區劃。粥店街道大部分地區、邱家店鎮、上高街道南部低溫災害危險性等級為高；岱廟街道東北部、上高街道北部低溫災害危險性為低；主城區其他街道危險性等級以較低為主。結合供暖小區的分布，泰安主城區西側，主要是粥店街道，冬季供暖需求量較大；主城區中部及東側，主要為泰前街道、財源街道、岱廟街道、上高街道北部，供暖需求量較??；泰安城區除主城區外其他區域由于供熱小區分布稀少，用地類型以農田為主，針對供暖不做進一步分析。

2.3 低溫區劃在冬季供暖的應用

泰安城區熱力供應的調整主要以經驗判斷為主，缺乏關于氣象條件的決策依據。在2023—2024年供暖季期間，通過綜合分析每日氣溫分布、室溫變化、低溫災害區劃結合天氣預報，調整換熱站水流量系數，以達到平衡室溫的目的。在氣溫分布及區劃工作中，為滿足精細化氣溫分布需求，城區內新建8個氣象觀測站，極大地提高了站點分布密度，為調整決策提供精細化氣象服務材料。統計供暖季泰安城區138個小區平均室溫，僅有3個小區低于18 ℃，其余小區均高于19 ℃。通過計算供暖小區供暖季室溫標準差分析供暖的穩定性，標準差較高主要出現在岱廟街道北部、財源街道東部、財源街道西部小部分地區、粥店街道北部小部分小區，標準差在1.0～1.4，其他大部分小區標準差在0.4～0.8。在6個小區受換熱站單獨調控的試驗小區中，方差最大為金域緹香0.70，最小為育新園0.49，6個小區室溫標準差要低于其他小區平均值0.73，說明在氣象服務材料的干預下，換熱站調控參數更加合理有效，受調控小區室溫表現得更加穩定。

3 結論

利用泰安城區2016—2023年冬/夏季氣溫數據，完成泰安城區高溫過程、低溫災害危險性區劃，利用區劃結果在2023年12月至2024年3月初供暖季為供暖公司提供氣象服務。主要得出結論：

（1）上高街道北部、山口鎮東部及北集坡街道西南角高溫危險性等級為高，泰前街道西部、財源街道至北集坡街道危險性等級為較高。夏季對危險性較高或高的地區，需要注意電能供給，防范設備運行負荷。

（2）粥店街道大部分地區、邱家店鎮、上高街道南部低溫災害危險性等級為高，岱廟街道東北部、上高街道北部低溫災害危險性為低，主城區其他街道危險性等級以較低為主。

（3）在2023年12月至2024年3月初供暖季為泰安城區熱力公司提供氣象服務，通過每日氣象及室溫研判，受調控小區室溫穩定性優于其他未受氣象干預小區，取得良好社會和經濟效益。之后將進一步研究氣溫與室溫的關系，為定量化調控換熱站參數提供數據支撐。

參考文獻

[1] 劉偉，車康利，羅斯元，等.1980—2017年四川省氣候變化綜合區劃[J].氣象科學，2022，42（1）：108-115.

[2] 張明潔，張亞杰，張京紅，等.基于GIS的海南島芒果氣候適宜性精細化區劃研究[J].熱帶作物報，2021，42（12）：3678-3684.

[3] 張伶俐.中國冬季干、濕低溫災害的時空分布特征及致災氣象條件研究[D].南京：南京信息工程大學，2023.

收稿日期：2024-01-11

基金項目：山東省氣象局科學技術研究項目（2022SDQN14）。

作者簡介：史俊南（1995—），男，江蘇宿遷人，助理工程師，主要從事氣象服務工作。