新疆采暖制冷時間序列的時空變化特征分析

根據(jù)ipcc第三次評估報告，自上個世紀以來，地球氣候經(jīng)歷了以變變?yōu)橹饕卣鞯闹卮笞兓?。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(qū)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(guān)預(yù)測結(jié)果表明,未來新疆氣候還將繼續(xù)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(jīng)濟活動與氣溫存在明顯的相關(guān)性,氣溫的升高無疑會對農(nóng)業(yè)、建筑、交通、水資源和物候等許多方面產(chǎn)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(yù)測方面的研究工作。有關(guān)方面的研究國內(nèi)外已廣泛開展[5,6,7,8,9,10,11,12],但新疆還未見相關(guān)研究報道。新疆位于中緯度內(nèi)陸干旱區(qū),境內(nèi)很多地區(qū)屬于酷熱、或邊遠嚴寒地區(qū),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(qū)域內(nèi)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(shù)之間呈近似的線性關(guān)系。據(jù)此關(guān)系模式,可以認為在氣溫持續(xù)升高的背景下,本區(qū)域的冬季采暖度日數(shù)、進而采暖耗能可能會降低,夏季制冷度日數(shù)、進而制冷耗能可能會增加。但這是基于一般經(jīng)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(jù)日最高和最低溫度觀測值計算出的本區(qū)域16個主要城市的采暖和制冷度日數(shù)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(diào)趨勢,并分析其變化特征,為本區(qū)域未來建筑能源需求的預(yù)測與規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。1數(shù)據(jù)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(zhì)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(xù)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(xù)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(xù)性與質(zhì)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(shù)檢驗法以往研究中常用的趨勢檢驗方法為參數(shù)統(tǒng)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(shù)據(jù)有正態(tài)性的要求;相比,非參數(shù)Mann-Kendall(MK)檢驗法對研究數(shù)據(jù)分布的正態(tài)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(shù)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(yīng)用。本文使用的趨勢檢驗法為非參數(shù)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(shù)和基準溫度24℃下的年和季制冷度日數(shù)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(shù)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(shù)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(yīng)用。本文采用之便于區(qū)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(qū)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(shù)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(shè)H0為數(shù)據(jù)樣本{Xi,i=1,2,…,n}是獨立的且同一分布的;假設(shè)H1為在X中存在單調(diào)趨勢。統(tǒng)計量S定義如下:式中n為數(shù)據(jù)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(jīng)證明,當n≥8時,統(tǒng)計量S近似服從均值為0方差為下式的正態(tài)分布:式中t為每個相持組中,相持值的數(shù)目;∑為針對所有的相持組求和。標準化檢驗統(tǒng)計量Z由下式計算:標準化的MK統(tǒng)計量Z遵循均值為0、方差為1的標準正態(tài)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(tǒng)計顯著性通過參數(shù)t-檢驗估計。t-檢驗統(tǒng)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(guān)系數(shù)。1.2.3預(yù)處理后的序列相關(guān)性分析由于序列相關(guān)性對趨勢檢驗和解釋會產(chǎn)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(shù)時間序列做了遲滯1a的序列相關(guān)性分析。為消除序列相關(guān)性的影響,對原序列值做預(yù)白化處理,處理后的序列變?yōu)?(x2-r1x1,x3-r1x2,…,xn-r1xn-1),其中xi為原年與季采暖與制冷度日數(shù)值,r1為原序列與其遲滯1a值的相關(guān)系數(shù)。之后,對這些預(yù)白化的序列做MK趨勢檢驗,而對其它不存在序列相關(guān)性的時間序列直接進行MK趨勢檢驗。2結(jié)果與討論2.1預(yù)白化前后年和季采暖與制冷日數(shù)時間序列的相關(guān)性表1列出了具有5%顯著水平下遲滯1年顯著序列相關(guān)的序列數(shù)及其占總序列數(shù)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(guān)的序列數(shù)比較多,尤其是制冷度日數(shù)序列,其夏季和年序列中各有11個序列呈現(xiàn)出了顯著的序列相關(guān)性,各占其總序列數(shù)(16個)的68.8%;秋季序列中也有5個序列呈現(xiàn)出了顯著的序列相關(guān)性,占秋季總序列數(shù)(16個)的31.3%。就采暖度日數(shù)而言,具有顯著序列相關(guān)性的年和季序列數(shù)雖然沒有制冷度日數(shù)序列的多,但其冬季和年序列中具有顯著序列相關(guān)性的序列達到6個和5個,分別占總序列數(shù)(16個)37.5%和31.3%。研究結(jié)果表明,預(yù)白化可以有效地移去序列的遲滯一個時間步長的自相關(guān)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(guān)進行預(yù)白化將移去趨勢的一部分;因此,預(yù)白化后趨勢的斜率就比預(yù)白化前趨勢的斜率要小,這就導(dǎo)致了對顯著趨勢的低估。對預(yù)白化前后年和季采暖與制冷度日數(shù)時間序列分別進行MK檢驗與線性趨勢檢驗的結(jié)果顯示,預(yù)白化減少了原具有顯著趨勢的序列數(shù),其中減少的MK趨勢數(shù)為14個,其中以制冷度日數(shù)序列為多;減少的線性趨勢序列數(shù)也為14個,都為制冷度日數(shù)(表1)。2.2新疆16個城市采暖互通日數(shù)的趨勢檢驗結(jié)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(shù)MK與線性趨勢檢驗的統(tǒng)計結(jié)果。由該表可知,對于年采暖度日數(shù),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(shù)(16個站)的93.8%?？梢姴膳热諗?shù)年序列減少趨勢非常明顯。秋、冬季的采暖度日數(shù)減少趨勢也比較明顯,分別有9個城市呈現(xiàn)出了顯著的MK減少趨勢,分別占總城市數(shù)(16個站)的56.3%;而具有顯著線性減少趨勢的城市數(shù)分別為秋季10個、冬季14個,分別占總城市數(shù)(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(shù)的MK趨勢檢驗結(jié)果。從該圖中所示的年采暖度日數(shù)的趨勢檢驗結(jié)果來看,所有16個城市都呈現(xiàn)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(jié)采暖度日數(shù)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(xiàn)弱增加趨勢,其余14個城市都表現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(jié)果示于圖2中。由圖2可見,所有16個城市都呈現(xiàn)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(jié)果與利用MK檢驗法獲得的結(jié)果相一致。近45年來,新疆16個主要城市的年采暖度日數(shù)時間序列的線性傾向率分布在-25.1～-154.0℃/10a的范圍內(nèi)(圖2),平均值為-77.9℃/10a。對于季節(jié)采暖度日數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)MK與線性趨勢檢驗的統(tǒng)計結(jié)果。由該表可見,對于年制冷度日數(shù),7個城市具有顯著(0.05水平下)的MK增加趨勢,占總城市數(shù)(16個站)的48.3%;6個城市呈現(xiàn)出顯著的線性增加趨勢、2個城市呈現(xiàn)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(shù)(16個站)的37.5%和12.5%?？梢娭评涠热諗?shù)年序列減少趨勢比較明顯。春、夏季制冷度日數(shù)增加趨勢也比較明顯,分別有3個和7個城市呈現(xiàn)出了顯著的MK增加趨勢,分別占總城市數(shù)(16個站)的18.83%和43.8%;而具有顯著線性增加趨勢的城市數(shù)分別為春季5個、夏季6個,分別占總城市數(shù)(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(shù)的MK趨勢檢驗結(jié)果。從圖3可以發(fā)現(xiàn),新疆16個主要城市中絕大部分年制冷度日數(shù)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(shù)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(jié)制冷度日數(shù)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(shù)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(shù)的變化趨勢。夏季是制冷的主要季節(jié),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(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(其中庫車達到0.05顯著水平)外,其它城市呈現(xiàn)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(shù)呈現(xiàn)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(shù)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(shù)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(jié)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(shù)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(jié)果與利用MK檢驗法獲得的結(jié)果大致一致。近45年來,新疆16個主要城市的年制冷度日數(shù)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(jié)制冷度日數(shù)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(shù)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(jié),除阿勒泰、烏魯木齊、奇臺和庫車4個城市夏季制冷度日數(shù)呈現(xiàn)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(xiàn)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(shù)趨勢;有5個城市的制冷度日數(shù)呈現(xiàn)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(jié)果都一致表明,近40多年來,新疆主要城市呈現(xiàn)出了比較明顯的采暖度日數(shù)減少、制冷度日數(shù)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(qū)域變暖有很大的關(guān)系。值得預(yù)期的是,據(jù)氣候模式預(yù)計,21世紀末全球平均氣溫還將上升1.4～5.8℃。與此相應(yīng),新疆的氣溫尤其是冬季氣溫將繼續(xù)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