京津冀地區采暖與降溫度日時空變化特征研究

關鍵詞：京津冀地區；降溫度日；采暖度日

中圖分類號：X16 文獻標志碼：A

前言

度日實質上是日均氣溫與規定氣溫閾值的離差，在最適溫度的情況下，勞動效率最高，當高于或者低于閾值時，由于外在環境的變化，必然會影響人的活動和消費，為了達到人體的舒適狀態，會通過消耗能源去改變室內溫度，因此，度日也是一種反應能源需求狀態的熱量單位。劉玉蓮等基于采暖度日分析了中國建筑氣候分區，結果表明嚴寒地區有所縮減，各建筑氣候分區采暖度日數呈顯著降低趨勢。解云昊利用度日對大連市生活能耗影響研究表明，大連年均氣溫每升高1℃，生活能耗增加15.65萬噸標準煤。胡琳等利用考慮了濕度、風速等要素的度日統計方法對廣州體感溫度特征變化進行了分析，發現廣州對于制冷的能源需求最高。隨著全球氣候變化的影響，有研究表明采暖度日呈下降趨勢，降溫度日呈上升趨勢，但是由于氣候變化的區域性特征，度日的變化也具有顯著的地域特征。

1數據和方法

1.1度日計算方法

氣象數據來源于中國氣象數據共享網（http：www.nmic.cn/）地面氣候數據資料集京津冀地區（北京、天津、河北）1961年-2015年103個站點的逐日平均氣溫數據。

度日可分為兩種類型，分別為采暖度日（Heat-ing Degree Day，HDD）和降溫度日（Cooling Degree Day，CDD），指在一定時間內低于或者高于某個基礎溫度的累計值。生理學家認為23℃～24℃是人體感知最為舒適的環境溫度，據相關測定，一般建筑室內溫度與外在環境“熱平衡”溫度之差為3℃～7℃。參照相關研究和建筑節能設計標準，采暖和降溫度日基礎溫度分別采用18℃、26℃。

采暖度日（HDD）是指一年中某日日平均氣溫低于18℃時，18℃減去當日的平均溫度，并將此溫度累加，得到全年的采暖度日值，即溫度升高到18℃所需要加熱的溫度；降溫度日（ CDD）指一年中某日日平均氣溫高于26℃時，當日的平均溫度減去26℃，并將此溫度累加，得到全年的降溫度日值，即溫度降低到26℃所需要降溫的溫度。計算公式如下，THDD為低于18℃的日均溫度；T_CDD為高于26℃的日均溫度，n為某一年的天數。

1.2分析方法

根據所整理的103站1961年-2015年的逐日平均氣溫序列，利用式（1）和式（2）建立降溫度日和取暖度日時間序列，然后用算術平均方法求得各站點及京津冀區域逐年、多年平均序列。在此基礎上，可運用趨勢分析方法、氣候傾向率等方法進行統計分析。

氣候傾向率計算，以一元線性函數T（t）=at+b擬合逐年度日序列，t=1，2，3\"'n，根據最小二乘法求出常數項a和b，a的符號表示時間序列的趨勢，agt;0和alt;0分別表示因變量隨時間變化而上升和下降。擬合系數R²反應了擬合程度，越接近于1，因變量與自變量相關性越強。a值乘以10，即為氣候傾向率。

2結果與分析

2.1京津冀地區1961年-2015年度日空間分布特征

京津冀地區度日分布具有明顯的緯度特征，同時又受到地形的顯著影響。1961年-2015年采暖度日年平均為2358.73℃·d～5951.64℃·d，多年平均最大值在河北康保縣，最小值在河北峰峰縣。采暖度日多年平均空間分布呈現出由西北向東南遞減的趨勢，西北山地區HDD值較大，除河谷地區，基本上都在4000℃·d以上。平原地區多年平均采暖度日較為均一。降溫度日表現為與采暖度日相反的空間分布特征，呈現為西北向東南遞增的趨勢，同樣受到地形和緯度的影響比較大。1961年-2015年降溫度日年平均為0.03℃～125.87℃·d，多年平均最小值在河北沽源縣，最大值為河北峰峰縣。張家口市、承德市大部分地區降溫度日幾乎可以忽略不計，年均降溫度日基本都在20℃·d以下。北京市和天津市城區的降溫度日較大。

1961年-2015年，京津冀地區HDD基本為下降趨勢，下降區間在6～167.7℃·d/10a之間，下降趨勢最大在天津城區站，最小在北京霞云嶺。西北山區HDD的下降趨勢較大，河北沽源、崇禮、康保、張北以及淶源等氣候傾向率都超過了-105℃·d/10a。除此之外，北京和天津城區下降趨勢也較顯著，北京市觀象臺以及通州氣候傾向率分別為-100·7℃·d/10a、-143℃·d/10a，天津市城區站及東麗區分別為-167.7℃/10a·d、-102.6℃·d/10a。京津冀地區CDD基本上為增加趨勢，增加區間在0.1℃～23.54℃·d/10a，上升趨勢最大值在天津市城區站，除此之外，北京市觀象臺、昌平、豐臺、通州等，天津市東麗區、薊縣，河北省石家莊市、邢臺等氣候傾向率超過了14℃·d/10a，這些站點都為城區站。值得注意的是，西北山區一年中的每日溫度很少有超過26℃，但是近年來，西北山區超過26℃的日數呈逐漸增加趨勢。

2.2

京津冀地區1961年-2015年度日時間變化特征

如圖1所示1961年-2015年京津冀地區年均和冬夏季節度日逐年變化趨勢。從圖1（a）可以看出年均采暖度日下降趨勢較明顯，氣候傾向率為72.8℃·d/10a，R²為0.39，大致以1989年為分界點，1989年后的大多數年份HDD均值都位于多年平均之下，HDD最大值出現在1969年，為3680.92℃·d，最小值出現在2014年，為2820.87℃·d。從降溫度日逐年變化趨勢可以看出1961年-2015年的變化總體可以分為兩個階段，分別為1961年-1993年、1994年-2015年。在第一個階段，CDD呈波動下降的趨勢，并且多年平均值為56℃·d，明顯低于第二階段，且波動較??；第二階段為波動上升趨勢，多年平均值為81.2℃·d。并且表現出較大的波動，比如在1995年-1997年，波動差值達到了105.21℃·d。

采暖度日和降溫度日的高值分別主要集中在冬季和夏季，為此分別統計了冬夏季節的度日變化，圖1（c）、圖l（d）分別為冬季HDD和夏季CDD逐年變化趨勢，為分析冬季和夏季分別對全年HDD、CDD的貢獻，將每個站點的季節度日占全年度日的比例作為季節度日對全年度日的貢獻率。冬季對全年HDD的貢獻率多年平均為60%。通過比較冬季HDD變化趨勢與年HDD的變化趨勢，發現它們之間具有很好的對應關系。夏季對全年CDD的貢獻率多年平均為97.3%，全年的降溫度日主要集中在夏季。

2.3郊區與城區度日年變化對比分析

為分析人類活動對度日變化的影響，此節基于北京，選取代表臺站分析城市化對度日的影響。選取延慶、霞云嶺、密云上甸子為鄉村站；選取豐臺、北京、通州為城區站。如圖2所示城區和鄉村1961年-2015年度日變化趨勢的差異性。為分析城市化和經濟發展對度日變化的貢獻率，文章參考劉偉東等使用的方法，分析城市化對度日變化的影響。度日變化率為氣候傾向率，假設T_u為城區站的度日變化趨勢，T_r為郊區站的度日變化趨勢，城市化的影響為△T_u，城市化貢獻率為E_u。

利用式（3）-式（4）可求得：對于HDD，城市化貢獻率為62.2%；對于CDD，城市化貢獻率為105.2%。結合上圖可以發現隨著時間的變化，度日均出現了較大的離差，特別是CDD，在1997年之后，鄉村站變化仍較為平緩，甚至表現為弱的負增長，但是城區站卻迅速上升。為分析城市化對各站度日變化貢獻率，假設以上述站點的度日變化趨勢為區域的度日變化趨勢，設Ea為城市化對各站點度日變化貢獻率，T_a為各站點度日變化率。利用下式求得城市化對北京市各站度日變化的貢獻率。（見表1）

由表1可知，對于HDD，城市化對各站HDD降低的貢獻率超過40%的臺站主要集中在近郊和城區站，其中城市化對豐臺站HDD的貢獻率最高，對懷柔和霞云嶺的貢獻最小。對于CDD，與城市化對HDD的貢獻率近似，40%以上的城市化貢獻率主要集中在近郊和城區，其中，城市化對豐臺CDD的貢獻率是最高的，達到了101.34%，其次是北京站，為93.99%，對一些遠郊站的貢獻較小，特別是對霞云嶺和上甸子的貢獻為負。結論均表現為城市化對近郊和城區的站點影響明顯，對遠郊站點影響較小。

2.4山區與平原地區年變化對比分析

為比較地形對度日年變化的影響，以海拔200米作為劃分依據，低于200米為平原地區，反之為山地高原地區。從圖3中可以看出山區和平原地區的采暖度日年變化之間差值較大，京津冀地區1961年-2015年平均差值在1201℃·d左右，差值最大為1333℃·d，出現在1981年；差值最小為1088℃·d，出現在1998年。從氣候傾向率來看，山區為-66.9℃·d/10a，平原地區為-73.9℃·d/10a，山區HDD降低速度小于平原地區。對于降溫度日，1961年-2015年山地和平原地區年變化平均差值為56.5℃，差值最大為131.2℃（1997年）；差值最小為17.4℃（1976年）。從逐年的波動特征來看，平原地區起伏較大，特別在1993年-2015年變化幅度增大，上升趨勢更為顯著；山區同樣如此，1993年-2015年起伏增大，說明高溫天氣增多且不穩定性增強。從氣候傾向率和R2來看，平原地區都大于山區，平原地區的氣候傾向率為-5.8℃·d/10a，山區降溫度日上升趨勢不明顯，但是從1996年以來也是表現為較大的波動。平原地區人口密集，高樓林立，人為制造的熱量釋放更多，且地勢低，氣溫相較于山區更高，所以平原地區降溫度日變化大于山區。（見圖3）

如圖4所示，當海拔在200米以下，采暖度日基本集中在2 000℃～3500℃·d之間，采暖度日隨著海拔上升逐漸升高，京津冀地區最高達到了6000℃·d左右，海拔在1500米左右。并且海拔與HDD之間存在極大的相關性，擬合系數為0.85，在海拔200以上，海拔每升高100米，HDD就升高190.4℃·d。降溫度日CDD與海拔呈現為對數曲線關系，當海拔在200米以下，降溫度日降低非常快，但是海拔超過200米，降溫度日下降速度較慢，逼近0℃·d，兩者之間的擬合系數為0.35。

3結論

文章分析了京津冀地區1961年-2015年HDD與CDD的時空分布與變化特征，探討了城市化和地形對HDD與CDD的影響。HDD多年平均呈現出由西北向東南遞減的趨勢。年均HDD總體呈現下降趨勢，西北山區和一些城區站的下降趨勢較大；CDD為西北向東南遞增的趨勢，在山區和平原過渡地帶，梯度較大，年均CDD總體為增加趨勢，城區站增加趨勢更大。HDD和CDD后期的氣候傾向率都大于前期。以北京地區代表臺站分析表明，HDD、CDD表現為城市化對近郊和城區的站點影響明顯，對一些遠郊站點影響較小。山區HDD降低值大于平原地區，但是平原地區下降趨勢更為顯著；平原地區CDD增加值、顯著性以及波動幅度都大于山地地區。度日與海拔之間具有較好的相關性。