阳泉地区热度日和冷度日变化

牛俊玫，张建军

(山西省阳泉市气象局，山西 阳泉 045000)

1 引言

近百年来全球气候变暖已成事实，气候变化对采暖和降温耗能的影响引起了越来越多的关注。由于气温的空间分布及时间变化的差异，不同地区不同时期采暖和降温需求也大不相同。相关专家研究了北京、河南、新疆、山东等地区度日数的变化特征［1－4］，为当地能源政策的制定等方面提供了科学依据。山西省阳泉市处于太行山脉，辖区有三区两县，是能源重工业城市，从2000年开始阳泉市政府为了打造宜居城市，治理了桃河，关闭了污染企业，环境有了明显提升，气候变暖也有所缓解。随着经济的高速发展和人民生活水平的提高，对能源的需求亦日益增加。在全球气候变暖背景下，利用阳泉市1955—2011年逐日平均气温、日最高气温和日最低气温以及平定县、盂县1972—2011年逐日平均气温等资料，分析计算采暖度日和降温度日与年平均气温关系的变化特征，为山西省阳泉市由资源消耗型城市转变为节能型城市发展提供科学依据，在满足舒适标准的前提下，合理节约采暖、空调能耗，为政府和相关部门应对气候变化，以达到节能降耗等决策提供主要依据。

2 度日的定义

许多学者将度日分析法作为研究温度和能源关系的基本方法，该方法广泛运用于气候变化和能源需求研究应用领域［5］。度日是指某一时期内大于或者小于某一个界限温度的平均温度的总和。度日又分为两种类型，即采暖供热度日(简称热度日HDD)和制冷降温度日(简称冷度日CDD)。HDD 是冬季对寒冷程度的估计，也是采暖能量消耗的一个定量指标，HDD 增大，说明冬季气温降低，则采暖能耗增加。反之，CDD 是夏季高温程度的一种描述，也是夏季用于空调制冷的能源消耗的一个定量估计。CDD 增大，夏季气温升高，则空调能耗增加。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［5］。

阈值温度是为了统计需要而人为规定的一个参考温度，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的参考温度。一般认为18 ℃是人体的最舒适温度，山西省阳泉市有关部门规定:在供暖季节阳泉市室内温度应保持在18 ℃，不得低于16 ℃。所以取18℃作为阳泉的阀值温度。由热度日和冷度日的定义可以看出，热度日可以定量估计冬季供暖的能耗，HDD 增大，冬季气温降低，则采暖能耗增加;而冷度日则是空调制冷能源消耗的一个定量估计，CDD 增大，夏季气温升高，则空调能耗增加。

3 资料和方法

3.1 资料的选取

根据阳泉市1955—2011年共57 a 各月平均气温、日最高气温和日最低气温的平均值的特征变化［6］(表1)的对比分析，确定选用日最高气温和日最低气温的平均值进行后面的研究分析。由于平定县建站于1972年，为使资料统一，在下面研究阳泉地区度日数的空间分布时，将3 站的资料选取统一为1972年1月1日—2011年的12月31日。根据阳泉地区3个气象观测站1972—2011年共40 a月平均变化特征(表2)，定义阳泉市、平定县HDD 的取值为10月—次年4月，CDD 为5—9月;盂县HDD 的取值为9月—次年5月，CDD 的取值为6—8月，由于5月、9月均处于HDD 和CDD 边缘，为了更能说明问题，3个站点5月、9月都进行HDD 和CDD 分析。

表1 阳泉市1955—2011年月平均气温分布 (单位:℃)

表2 阳泉市、平定县、孟县1972—2011年逐月平均温度分布 (单位:℃)

3.2 度日的计算方法

利用阳泉市1955—2011年逐日最高、最低气温的平均值做为当日的平均温度，将阀值(18℃)减去平均值，计算出当日平均温度，取绝对值得到逐日的HDD，即日HDD 是当日温度提高到18℃所需加热升高的温度。同样，CDD 则是将当日的平均温度减去阀值(18℃)，得到当日的CDD，即日CDD 是当日温度降低到18℃所需空调制冷的温度。

4 结果分析

4.1 阳泉市HDD、CDD月变化特征

由图1a 看出，阳泉市1月HDD 最大，达646.2度日;其次是12月，为583.0 度日;以4月最小，为138.9 度日;10月次小，为166.1 度日。由此可见，阳泉市冬季1月和12月份供暖的能耗为最大。由图1b 看出，阳泉市CDD 以7月最大，为206.8 度日;7月次之，为157.1 度日;以9月最小，为11.1 度日。由此可知，阳泉市夏季空调制冷能源消耗以7月和8月为最多。

4.2 阳泉市HDD、CDD 的年变化特征

4.2.1 HDD 变化特征 由图2a 看出，HDD年际变化较大，有明显的下降趋势，下降速率为7.87 度日/a。年HDD 平均值为2 810.5 度日;最大值为3 243.1度日，出现在1956年;次大值为3 229.3 度日，出现在1969年;最小值出现在1999年，为2 424.3度日;次小值是1998年，为2 427.3 度日。最大值与最小值相差818.8 度日。从5 a 滑动平均采暖度日可以看出，采暖度日20世纪在50—70年代初期是个缓慢上升趋势，70年代初期—中期经过一个快速下降的过程后，70年代中期—80年代中期缓慢下降，其变化趋势不太明显，但在80年代中期至今，其下降趋势非常显著(α=0.01);由此可知，1987—2011年阳泉市的平均采暖度日呈现显著下降趋势。

图1 阳泉市1955—2011年的月HDD(a)和月CDD(b)的逐月变化趋势

图2 阳泉市1955—2011年HDD年变化趋势(a)和累积距平(b )曲线

由图2b 看出，采暖度日相对于多年平均值2 810.5度日而言，57 a 来，HDD 变化明显分为2个阶段:1958—1986年为累积距平增大阶段，属于偏多期，阶段平均值比多年平均值偏多113.5 度日，其中75%的年份为正距平;1987—2011年为累积距平减小阶段，属偏少期，阶段平均值比多年平均值偏少155.4 度日，有88%的年份为负距平。由此可见，近20a 阳泉市冬季供暖消耗的能源呈减少趋势。

4.2.2 CDD 变化特征 由图3a 看出，降温度日年际变化亦较大，但不如年HDD 那么显著，上升数率2.52 度日/a。年CDD 平均值为569.3 度日，以1998年的758.8 度日为最大，次大是1999年的739.3 度日，以1976年的385.4 度日为最小值，1979年的409.9 度日为次小。最大值与最小值之间相差373.4 度日。从5 a 滑动平均降温度日看出，降温度日呈现波动上升的变化特点，在20世纪50年代中期—90年代中期缓慢上升，变化不显著，但在70年中期—80年代初期有短暂下降趋势后又迅速恢复上升趋势，突变期出现在90年代中期;90年中期—2011年上升趋势十分显著。由此可见，1996—2011年阳泉市的平均降温度日呈现显著上升趋势。

由图3b 看出，降温度日相对于多年平均值569.3 度日而言，57a 来，CDD 变化明显分为2个阶段:1955—1996年为年CDD 累积距平减小阶段，属偏少期，阶段平均值比多年平均值偏少39.9 度日，其中71.4%的年份为负距平;1997—2011年为累积距平增大阶段，属偏多期，阶段平均值比多年平均值偏多86.3 度日，其中66.7%的年份为正距平。由此可知，1997年后空调制冷需要消耗的能源明显增大。

图3 阳泉市1955—2011年CDD年变化趋势(a)和累积距平(b )曲线

4.2.2 HDD 与CDD 比较 由表3 看出，HDD 度日的极小值和CDD 度日的极大值均出现在20世纪90年后期，HDD 度日和CDD 度日多年变化符合山西省阳泉市气温增温速率特点，这与阳泉市年平均气温呈上升趋、且90年代后期升温明显的事实基本一致;HDD 下降、CDD 增大均反映出气候变暖的特点。

表3 阳泉市HDD 度日和CDD 度日的年际变化极值情况

图4 阳泉市1955-2011年HDD（a）和CDD（b）年代际变化趋势

由图4 看出，阳泉市从20世纪70年代初期至2011年平均气温呈显著升高趋势，即从11.2℃上升到12.5℃，上升幅度为10.4%，近10 a 气温呈现出缓慢升温趋势。由图4a 看出，HDD年际变化从20世纪70年代初期一直呈下降趋势，即从2 972 度日下降到2 628 度日，下降幅度为13.1%，其气候倾向率为－74.87度日/10 a;近20 a 来，HDD 下降幅度达到94.4 度日/10 a，HDD年际变化与平均气温年际变化呈反位相，表明阳泉市近20 a 冬季气候变暖趋势明显。由图4b 看出，年际CDD 从20世纪70年代初期—20世纪末期呈升高趋势，其值从552 度日上升637 度日，上升幅度为13.3%，其气候倾向率为20.87度日/10 a，其变化趋势与年代际平均气温基本一致;CDD年际变化趋势与平均气温年际变化呈同位相。4.2.3 阳泉市HDD 和CDD 与气温的关系 由表4可以看出，阳泉市57 a 的平均HDD 与年平均气温的线性相关最好，其相关系数为－0.94，通过α=0.01 显著水平检验;其次是与年平均最低气温的相关性，其相关系数为－0.88，通过α=0.01 显著水平检验，表明年平均HDD 与气温具有明显的反位相变化趋势。年平均CDD 与年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温的相关系数均低于相应的HDD的相关系数绝对值，但CDD 相关性均通过α=0.01显著水平检验，表明年平均CDD 与气温具有明显的同位相变化趋势。

表4 阳泉市1955—2011年平均HDD 和CDD 与年平均气温的相关系数

5 阳泉各市、县HDD 和CDD 分析

5.1 平均月HDD 和CDD 比较

为了分析阳泉市、县HDD 和CDD 的城市与郊区的差异，分别取阳泉市、平定县、盂县气象站(1972—2011年)的逐日平均气温数据计算得出3站各月HDD 和各月CDD，以及HDD 和CDD 的极值及出现年份(表5、表6)。HDD 度日的极小值和CDD 度日的极大值均出现在20世纪90年代末。

表5 阳泉地区3个站点HDD 度日极值及其出现年份

表6 阳泉地区3个站点CDD 度日极值及其出现年份

由于城市热岛效应的作用，离市区较远的盂县与市区的HDD 和CDD 差别较大，而与离市区较近的平定县则与市区的差别较小。市区与盂县的HDD 极小值相差509.1 度日，市区与平定县相差383.4 度日;市区与盂县的CDD 极大值相差315.0度日，市区与平定县相差64.0 度日。

5.2 阳泉各市、县HDD、CDD 空间分布特征

由图5a 看出，阳泉各市、县HDD 度日多年平均值在392.4～466.0 之间，平定县和盂县大，市区小，表明市区温度高，采暖需求小，需要消耗的能源少。由图5b 看出，CDD 度日多年平均值在56.6～107.0之间，市区大，平定县和盂县小，表明市区温度高，降温需求大，空调制冷需要消耗的能源多。由图5还可以看出，5月、9月的HDD 只有盂县为正值，市区和平定县的HDD 均为0;但CDD 则相反，市区、平定县为正，盂县为0。由此可知，市区与郊区在同一季节所耗费的能源不同。

图5 1972-2011年阳泉各市、县平均月HDD（a）、CDD（b）逐月变化趋势

5.3 阳泉各市、县HDD、CDD年代际变化特征

由图6a 看出，阳泉各市、县HDD年代际变化总体呈下降趋势，但近10 a，平定县、盂县HDD 呈略有上升趋势。由图6b 看出，阳泉各市、县CDD年代际变化总体呈上升趋势，但10 a，各市、县CDD 呈略有下降趋势，尤为平定县CDD 下降明显。这与近10 a年阳泉市政府加大环境治理，关停小煤矿有关。由图6 还可以看出，平定县与市区的HDD 和CDD 变化趋势基本一致，而盂县由于地理环境等多因素，HDD 和CDD年代际变化趋势与市区、平定县大致相同，但数值相差较大。

图6 1972—2011年阳泉各市、县HDD(a)和CDD(b)年代际变化趋势

6 结论

①阳泉市HDD、CDD月变化显著，1月HDD 最大，4月最小;CDD 是7月最大，9月最小。

②阳泉市56 a 来，HDD 呈下降趋势，表明阳泉冬季供暖消耗的能源有减少的趋势;尤其是二十世纪80年代后期HDD 下降趋势明显加快，表明其冬季温度呈上升趋势。CDD 变化趋势则相反，二十世纪80年代上升趋势明显，表明阳泉夏季温度呈升高趋势，夏季空调制冷能耗呈增多趋势。

③阳泉市HDD 和CDD年际变化均存在突变现象，HDD 的突变点发生在1986年，而CDD 突变点发生在1996年，与阳泉气温突变点接近。HDD 和CDD 与年平均气温的相关系数均较高(α=0.01)，HDD年代际与气温具有明显的反位相变化趋势，但CDD年代际与气温具有明显的同位相变化趋势。

④HDD 度日以市区小、平定县和盂县大，表明市区温度高，冬季采暖需求小，需要消耗的能源少;CDD 度日以市区大、平定县和盂县小，表明市区夏季降温需求大，空调制冷需要消耗的能源多。

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