銀川市采暖期變化及供暖氣象指數(shù)分析

楊文軍，肖云清，陳 榮，任柏帆

（1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；3.賀蘭縣氣象局，寧夏 銀川 750200；4.銀川市氣象局，寧夏 銀川 750002；5.中國(guó)電信股份有限公司 寧夏分公司，寧夏 銀川 750002）

在我國(guó)北方，城鎮(zhèn)采暖能耗占全國(guó)城鎮(zhèn)建筑總能耗的40%[1]。采暖期、采暖強(qiáng)度直接影響能源消耗量，從而影響氣候變化和空氣質(zhì)量。在全球氣候變暖的大背景下，氣候變化對(duì)采暖能耗量的高低也有重大的影響[2]。氣候變暖可使采暖期縮短，從而減少能源消耗和環(huán)境污染[3-5]。近年來(lái)，許多專(zhuān)家、學(xué)者在氣候變化對(duì)采暖時(shí)間和節(jié)能減排的影響等問(wèn)題上進(jìn)行了大量分析和研究。張洪杰等[6]研究表明，隨著烏海市年平均氣溫的升高，采暖長(zhǎng)度不斷縮短，平均可減少能源消耗20%左右,氣象節(jié)能潛力較大。陳莉等[7]研究表明，由氣候變暖導(dǎo)致我國(guó)北方地區(qū)冬季采暖耗能降低了5%～30%。孫佳麗等[8]提出江蘇省氣溫變率與采暖度日變率呈負(fù)相關(guān)，與降溫度日變率呈正相關(guān)。王素艷等[9]指出，近53 年來(lái)寧夏采暖初日推后，終日提前，因氣候變暖，減少冬季采暖能耗12.8%～16.5%。

目前，寧夏冬季供暖一直沿襲“按日歷供暖”的機(jī)制。其中，銀川市供暖日期固定在每年11 月1日至次年3 月31 日，采暖期約為151 d。據(jù)2020 年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，銀川市三區(qū)居民供暖面積為7 510 萬(wàn)m2，若每年每平方米節(jié)約供暖費(fèi)1 元，則全年城鎮(zhèn)居民取暖費(fèi)用可節(jié)約7 510 萬(wàn)元，加之室內(nèi)公共活動(dòng)場(chǎng)所采暖費(fèi)用，節(jié)約的能源消耗量相當(dāng)可觀。近年來(lái)，強(qiáng)降溫和極端最低氣溫的出現(xiàn)時(shí)間具有破記錄、跨季節(jié)趨勢(shì)，因此，按照溫度變化，合理、科學(xué)地調(diào)控采暖期對(duì)節(jié)約能源、減少污染，提高人民生活質(zhì)量具有重要意義。

1 資料及方法

本文利用銀川市1961—2020 年國(guó)家氣象觀測(cè)站采暖期的氣溫?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了銀川市供暖初、終日期，采暖期變化，通過(guò)相關(guān)性分析研究了對(duì)供暖調(diào)節(jié)有較大影響的氣象因子，確定供暖氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為相關(guān)供暖部門(mén)在供暖期合理調(diào)節(jié)供熱量提供了科學(xué)參考，以期優(yōu)化資源配置，節(jié)能減排。

1.1 資料選取

本文選取1961—2020 年銀川市三區(qū)、靈武市、永寧縣和賀蘭縣4 個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站地面觀測(cè)數(shù)據(jù)作為分析資料，分析采暖初終日、采暖期變化特征，探究影響采暖期的關(guān)鍵氣象因子及其相關(guān)性。

1.2 采暖期初終日的確定

根據(jù)中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50736—2012）規(guī)定，供暖日數(shù)按當(dāng)年日平均溫度穩(wěn)定低于或等于采暖室外臨界溫度的總?cè)諗?shù)確定。其中，一般民用建筑和工業(yè)建筑的采暖室外臨界溫度為5 ℃。根據(jù)連續(xù)5 d 滑動(dòng)平均法，以秋季日平均氣溫穩(wěn)定≤5 ℃的首個(gè)5 d中的第1 日為采暖初日，以春季日平均氣溫穩(wěn)定≥5℃的首個(gè)5 d 中最后1 日為采暖終日。初終日之間的日數(shù)為采暖日數(shù)，即采暖期。

2 采暖指標(biāo)分析

2.1 銀川市采暖初終日變化特征

銀川市實(shí)際供暖基本上統(tǒng)一從每年11 月1 日開(kāi)始，至次年3 月31 日結(jié)束，供暖期基本上為151 d。銀川市各地采暖初終日特征量的變化如表1 所示?？梢钥闯?，1961—2020 年銀川市三區(qū)平均采暖初日為10 月30 日，比實(shí)際供暖初日早2 d，采暖初日最早出現(xiàn)在10 月18 日，最晚出現(xiàn)在11 月19 日，兩者相差23 d。60 年來(lái)，靈武市、賀蘭縣與銀川市三區(qū)平均采暖初日相同，均為10 月30 日。對(duì)于最早采暖初日和最晚采暖初日，賀蘭縣和銀川市三區(qū)相同，分別為10 月18 日和11 月19 日；靈武市和永寧縣相同，分別為10 月19 日和11 月18 日。

表1 銀川市各地采暖初終日特征量變化統(tǒng)計(jì)表

60 年來(lái)，銀川市三區(qū)平均采暖終日為3 月19日，比實(shí)際供暖終日早13 d，采暖終日最早出現(xiàn)在2月25 日，最遲出現(xiàn)在4 月9 日，二者相差68 d。除了靈武市平均采暖終日為3 月20 日，其他地區(qū)平均采暖終日均和銀川市三區(qū)相同。最早采暖終日除靈武市出現(xiàn)在2 月23 日外，其他地區(qū)和銀川市三區(qū)一致，均為2 月25 日。各地區(qū)最晚采暖終日一致，均出現(xiàn)在1993 年4 月9 日。

本文將采暖初日、終日采用年內(nèi)第多少天表達(dá)（例如，10 月22 日為年內(nèi)第296 d）。從圖1 中的年際變化特征來(lái)看，銀川市采暖初日在年內(nèi)的天數(shù)呈上升趨勢(shì)，采暖終日在年內(nèi)的天數(shù)呈下降趨勢(shì)，表明采暖初日逐年推遲，采暖終日逐年提前。由此可知，由于氣候變化，采暖初終日變化較大。適時(shí)調(diào)整采暖期的起止日期，可節(jié)約能源，減少排放，減輕大氣污染。

圖1 銀川市1961—2020 年采暖初終日變化特征圖

2.2 銀川市采暖期變化特征

由于采暖期跨年，將1961 年10 月至1962 年4月這一時(shí)段定義為1961 年采暖期，以此類(lèi)推。由圖2中1961—2020 年采暖期變化曲線可知，近60 年來(lái)，采暖期呈現(xiàn)逐年縮短趨勢(shì)。平均采暖期為140 d，比常規(guī)供暖期少11 d，最長(zhǎng)為173 d（1992 年），最短為106 d（2019 年），低于120 d 有5 次，分別為1998年、2007 年、2017 年、2019 年和2020 年。采暖期長(zhǎng)短變化情況和王素艷等[9]分析的北部引黃灌區(qū)采暖初日年際變化情況較為一致，突變時(shí)間為1989 年，較平均氣溫突變滯后3 d；突變后的年際波動(dòng)較大，1992 年達(dá)到極值；2002 年以后采暖期縮短，2017 年以后采暖期縮短更加明顯。

圖2 銀川市1961—2020 年采暖期變化曲線圖

1961—2020 年采暖期與實(shí)際供暖日數(shù)距平值特征如圖3 所示?？梢钥闯?，采暖期與實(shí)際供暖天數(shù)相等的有3 a，占5%；采暖期超過(guò)實(shí)際供暖天數(shù)的有14 a，占23%，最長(zhǎng)為22 d（1992 年）；采暖期低于實(shí)際供暖天數(shù)的有43 a，占72%，最長(zhǎng)為45 d（2009年）。

圖3 銀川市1961—2020 年采暖期與供暖日數(shù)的距平值變化特征圖

3 采暖期氣象條件相關(guān)性分析

采暖服務(wù)行業(yè)更加關(guān)注冬季的冷暖程度和寒冷持續(xù)的時(shí)間，從而可以獲知供暖期需要的熱量。本文將采暖期內(nèi)氣溫低于0 ℃的日平均氣溫之和定義為采暖期平均氣溫負(fù)積溫。通過(guò)分析采暖期與平均氣溫負(fù)積溫的相關(guān)性得出，二者呈明顯負(fù)相關(guān)，如圖4所示。相關(guān)系數(shù)為-0.42（P<0.01），即平均氣溫負(fù)積溫越小，溫度負(fù)值的累積越多，其采暖期越長(zhǎng)，反之亦然。

圖4 銀川市1961—2020 年采暖期與平均氣溫負(fù)積溫變化特征圖

4 銀川市供暖氣象等級(jí)劃分

經(jīng)過(guò)調(diào)研，并通過(guò)與供暖部門(mén)技術(shù)合作，利用氣溫、風(fēng)速、天氣狀況和城市區(qū)位環(huán)境條件等可以預(yù)報(bào)節(jié)能溫度[10]。利用節(jié)能溫度劃分供暖氣象指數(shù)的等級(jí)，見(jiàn)表2，還可以計(jì)算單位面積供熱量等。節(jié)能溫度公式為

表2 供暖氣象等級(jí)劃分及供暖負(fù)荷指南

式中：Tj為節(jié)能溫度，℃；T 為預(yù)報(bào)溫度，℃；ΔT 為城市熱島強(qiáng)度（目前銀川市城市熱島對(duì)節(jié)能溫度的影響可忽略不計(jì)）；Tv為風(fēng)力對(duì)環(huán)境溫度的修正量（Tv＝-0.2V，V 為平均風(fēng)速），℃；Tr為輻射對(duì)環(huán)境溫度的修正量（白天晴天為1.5 ℃，雨雪天為-1.5 ℃，夜間則為0 ℃）。T50，T75，T100計(jì)算公式為

式中：T50為供暖負(fù)荷率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的節(jié)能溫度值，℃；T75為供暖負(fù)荷率為75%時(shí)對(duì)應(yīng)的節(jié)能溫度值，℃；T100為供暖負(fù)荷率為100%時(shí)的節(jié)能溫度值，℃；Tin為室內(nèi)溫度，℃；Tw為室外溫度，℃。

對(duì)于銀川市而言，室內(nèi)溫度Tin=20 ℃，室外溫度Tw=-15℃，因此可得：T50=2.5℃，T75=-6.25℃，T100=-15 ℃。

對(duì)于供熱小區(qū)或熱電廠供熱轄區(qū)，所需日總供熱量＝單位面積供熱量×供熱區(qū)面積。按照目前銀川市供熱要求，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度為20 ℃。銀川市單位面積日供熱量W 計(jì)算公式為

式中：W 為單位面積日供熱量，W；a 為供熱系數(shù)，取a=1.53，W/（m2·h·℃）；Tb為目前銀川市冬季室溫標(biāo)準(zhǔn)，取Tb=20 ℃；S 為供熱面積，m2；t 為一天的小時(shí)數(shù)，t=24 h。

5 供暖量氣象風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分析

通過(guò)調(diào)研和實(shí)地分析，發(fā)現(xiàn)供暖氣象風(fēng)險(xiǎn)主要與最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、天空云量等氣象要素有關(guān)。造成供暖緊張風(fēng)險(xiǎn)的氣象因子主要是最低氣溫低于-15 ℃且持續(xù)3 d 以上的情況。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、行業(yè)問(wèn)卷調(diào)查等方法確定了供暖氣象風(fēng)險(xiǎn)服務(wù)指標(biāo)，按供暖單位的需求設(shè)計(jì)供暖氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為4 級(jí)，見(jiàn)表3。2020 年開(kāi)展氣象服務(wù)供暖業(yè)務(wù)試運(yùn)行，主要服務(wù)機(jī)制為使用戶(hù)能夠根據(jù)次日夜、早、中、晚及周專(zhuān)業(yè)天氣預(yù)報(bào)控制供暖，優(yōu)化燃料配置；根據(jù)采暖期、下周逐日氣溫變化，提前有計(jì)劃地準(zhǔn)備燃料、維修設(shè)備和安排工作。由此不但能夠節(jié)約相當(dāng)可觀的能源，還可以減少大氣污染排放，對(duì)減緩氣候變暖、改善大氣環(huán)境質(zhì)量，尤其是減少冬季霧霾有重要意義。

表3 供暖氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

6 結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法分析了60 年來(lái)銀川市逐日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

（1）1961—2020 年銀川市采暖初日在年內(nèi)的天數(shù)呈上升趨勢(shì)，采暖終日在年內(nèi)的天數(shù)呈下降趨勢(shì)，采暖初日逐年推遲，采暖終日逐年提前。

（2）近60 年來(lái)，采暖長(zhǎng)度總體呈減小的趨勢(shì)。采暖期超過(guò)實(shí)際供暖天數(shù)的有14 a，占23%；采暖期低于實(shí)際供暖天數(shù)的有43 a，占72%。

（3）采暖期與平均氣溫負(fù)積溫呈顯著負(fù)相關(guān)，即平均氣溫負(fù)積溫越小，溫度負(fù)值的累積越多，其采暖期越長(zhǎng)，反之亦然。

（4）節(jié)能溫度可根據(jù)氣溫、風(fēng)速、天氣狀況、城市區(qū)位環(huán)境條件來(lái)預(yù)報(bào)，根據(jù)節(jié)能溫度劃分供暖氣象等級(jí)為4 級(jí)。

（5）造成供暖緊張風(fēng)險(xiǎn)的氣象因子主要是最低氣溫低于-15 ℃且持續(xù)3 d 以上的情況。初步確定了供暖氣象風(fēng)險(xiǎn)服務(wù)指標(biāo)，并劃分供暖氣象風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的4 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。