东北地区自然采暖期气温及采暖指标的时空变化特征分析

东北地区自然采暖期气温及采暖指标的时空变化特征分析
高峰;王宝书;王宁;张立宏
【摘要】利用辽宁、吉林、黑龙江省1952-2010年17个观测站平均气温和最低气温资料,采用采暖强度、气温趋势倾向和M-K检验方法,分析东北地区采暖期气
温变化特征及变化规律。

结果表明：东北地区采暖期平均气温、最低气温均呈上升趋势,最低气温低于-25℃的天数明显减少;近58年平均气温趋势倾向值为
0.27℃/10a,最低气温趋势倾向值为0.42℃/10a,特别是近10年来上升趋势明显,平均气温倾向值达到0.75℃/10a;最低气温趋势倾向值达到0.83℃/10a,最低气温的
升温趋势高于平均气温,采暖期气温突变发生在1983年。

东北地区采暖开始时间
呈推迟趋势,采暖结束时间呈提前趋势,从而使采暖期天数缩短。

东北地区采暖期长、采暖强度也强,大部分出现在20世纪80年代中期以前;采暖期短、采暖强度也弱,
都出现在80年代中期以后。

【期刊名称】《气象灾害防御》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】6页(P1-5,29)
【关键词】东北地区;采暖期;气温;采暖指数;特征
【作者】高峰;王宝书;王宁;张立宏
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】P467
随着社会和科技的进步，全球变暖所产生的影响不仅是气候和全球环境领域的问题，更是一个涉及到人类社会的生产、消费、生活方式以及生存空间等社会和经济发展各个领域的重大问题[1-3]。

近百年来全球气候变暖已经是一个不可争辩的事实。

IPCC第四次评估报告指出[4]，近100年（1906-2005年）全球平均地表温度上
升了0.74℃，随着全球变暖的日益显著，以气候变暖为代表的全球性环境问题已
越来越受到科学界、社会公众和各国政府的关注。

能源与气候的关系是当今世界各国政府和学者关注的热点问题之一，一方面能源的开发利用影响气候，另一方面气候变化也影响到能源的消耗使用[5-8]。

中国作为一个能源消费大国，仅民用建筑
耗能已占全国商品能源总耗能的25%左右，是同等条件下发达国家住宅单位面积
采暖耗能的2-3倍[9]。

冬季采暖是能源消费的一个重要方面，合理、科学地调控
采暖对节约能源、减少污染具有重要意义。

东北地区是中国北方典型的冬季煤烟型污染地区，受特殊的地形和气象因素制约，每年冬季采暖期在100～200d之间。

已有的研究表明，20世纪80年代以来，气候变暖对采暖各项指标有显著的影响。

张家诚[10]等研究了我国气温变化对冬季采暖期长度与强度的影响。

陈莉[11]等研究指出，过去20年气候变暖使我国北方地区冬季采暖耗能降低了5%～30%。

任
永建等[12]对华中区域取暖降温日的年代际及空间变化特征进行了分析。

还有学者对采暖方面作了大量的分析工作[13-17]。

另外许多学者将“度日”发展为一个能
够反映取暖和降温所需能源的时间温度指数，把“度日分析法”作为研究气温变化和能源关系的基本方法[18-20]。

东北地区地处东北平原，属温带大陆性季风气候，冬季寒冷而漫长。

按国家采暖标准规定，属于集中采暖区。

近年来，东北地区冬季持续变暖，合理估算采暖耗能量，以便在保证人们正常生产、生活的前提下，做到合理利用采暖能耗，尽量节约能源，对缓解能源紧张的矛盾问题意义重大。

采暖能耗问题很复杂，涉及到室内热传导、通风、对流等引起的热损失，以及供热效率、房屋保暖等众多问题，至今仍难用定
量的数据表示。

本文仅从气候变化的角度，分析东北地区采暖期气温的变化。

本文用辽宁、吉林、黑龙江省17个观测站（图1）1952-2010年地面逐日平均气温、最低气温资料作为分析对象，上述资料由各省气候中心提供；平均值为1971-2000年。

2.1 采暖日期的确定
根据中华人民共和国标准《民用建筑式热工设计规范》中的解释，“累年日平均温度小于或等于5℃”的天数仅用于建设热工设计计算；按照中国气象局《地面气候资料30年整编常规项目及统计方法》（QX/T22-2004）中日平均气温稳定≥5℃的终日作采暖的初日，日平均气温稳定≥5℃初日作采暖的终日[21-22]。

根据上述标准，每站每年的采暖天数不同，本文采用不定长计算方法统计采暖期气温。

2.2 采暖强度
20世纪50年代初Thom首次用度日法探讨了能源消耗和温度的关系，所谓某一天的度日就是指平均气温与规定的基础气温的实际离差。

为研究方便，本文只分析取暖度日。

根据采暖的需要用下式计算取暖度日：
式中，Di为第i天的采暖度日值；t0为基础温度，ti为第i天的日平均气温[15]。

这里T0=18℃；把采暖期度日值之和定义为采暖强度D。

2.3 趋势倾向计算
为了研究气温在长期气候变化中升降的定量程度，并对其进行统计检验，对线性趋势[23]进行计算。

其中：b表示气候变量的趋势倾向，b为正表示上升，b为负表示下降。

气温指标的线性趋势用下面一元线性回归方程求出。

其中x表示样本量为n的时间序列，t为时间（年或季节），εt为噪音，假定服从标准正态分布；a为回归常数，b为斜率（即倾向值或趋势）。

2.4Mann—Kendal法
Mann-Kendal（简称为M-K法），是一种常用突变检验方法，主要应用于气候
和径流趋势突变分析。

这一方法的优点在于不仅计算简便，而且可以明确突变开始的时间。

3.1 采暖期平均气温变化特征
为反映1952-2010年东北地区采暖期气温序列长期演变特征，本文给出东北地区采暖期平均气温距平逐年变化曲线（图2）。

从图2（实线）中看出，东北地区的采暖期可分为冷期和暖期。

在20世纪80年代初期以前是相对的冷期，32年中有23年平均气温是负距平，占71.9%，大约平均每4年出现一次正距平，连续出现正距平时间最长的时段是1962-1970年；采暖期最冷的年份出现在1956年，达
到-11.78℃，比平均值低4.50℃；在20世纪80年代中后期直到21世纪初平均
气温皆呈波动上升趋势，26年中有18年气温是正距平，占69.2%，大约平均3
年出现一次负距平，连续出现正距平的时间最长出现在1994-1999年，采暖期最暖的年份出现在2006年，气温只有-4.94℃，比平均值高2.34℃，最冷的年份出
现在2000年。

从采暖期平均气温趋势倾向来看，平均气温呈上升趋势，58年中
平均气温趋势值为0.27℃/10a；在2000-2009年近10年中气温上升趋势较明显，其趋势值达到0.75℃/10a。

3.2 采暖期平均最低气温变化特征
采暖期平均最低气温距平值与平均气温距平值变化趋势有较好的一致性（图2虚线），在1952-2009年的58年中，同样可分为相对冷期和暖期，冷期出现在20世纪80年代初期以前，32年中有25年平均最低气温是负距平，占78.1%，连续出现负距平时间最长的时段是1962-1971年；采暖期平均最低气温最低的年份出现在1956年，达到-17.18℃，比平均值低4.61℃；从20世纪80年代中前期直
到21世纪初平均最低气温皆呈波动上升趋势，26年中有18年气温是正距平，占69.2%，采暖期最暖的年份出现在2006年，比平均值高2.5℃。

从采暖期平均最
低气温趋势倾向来看，最低气温呈上升趋势，58年最低气温趋势值为0.42℃/10a；
在2000-2009年近10年中气温上升趋势较明显，其趋势值达到0.83℃/10a，高于平均气温。

3.3 采暖期最低气温（Td）低于-25℃天数变化特征
本文分别统计了Td≤-25℃、≤-30℃出现天数。

图3是Td≤-25℃、≤-30℃天数
距平分布图。

从图中可以看到，在20世纪80年代初期以前，Td≤-25℃、≤-30℃天数基本以正距平为主，分别占75.01%、72.2%；20世纪80年代初期以后至
21世纪初Td≤-25℃、≤-30℃基本以负距平为主，分别占82.6和85.9%，说明
最低气温值在升高，特别是从21世纪初开始连续9年最低气温低于-25℃的天数
都是负距平。

3.4 采暖期气温突变分析
刘实等[24]分析了东北地区冬季气温突变的时间是1986年，东北地区采暖期气温变化是否也存在突变，用M-K检验方法对东北地区采暖期平均气温、平均最低气温（图略）变化进行检验，得出东北地区采暖期平均气温、平均最低气温都存在突变，突变年都是1983年。

4.1 采暖天数地域分布特征
分析采暖期采暖天数的变化情况，图4是1952-2010年东北地区采暖期各站平均天数分布图。

从图中可以看到，东北地区采暖期天数从南向北呈递增分布，采暖天数最短的区域位于辽东半岛附近，最短年份出现在1998年只有96天；采暖天数
最长出现在1959年达到219天，位于黑龙江省的西北部。

4.2 采暖天数年际变化特征
分析东北地区1952-2010年逐年采暖天数分布情况（图略）。

得出：采暖天数是呈下降趋势，在20世纪80年代中期之前采暖天数高于平均值4d，20世纪80年代以后低于平均值6d，最长采暖天数出现在1955年达到186d，比平均值长
20d，最短采暖天数出现在1989年，只有152d，比平均值短19d。

在各年代际
中，20世纪50年代采暖天数最长达到172d，21世纪初的9年采暖天数最短只
有160d。

4.3 采暖期开始与结束时间变化
本文计算东北地区各年代平均采暖天数。

从表1中可以看到，东北地区采暖开始
的平均时间是10月27日，结束时间是4月10日，在20世纪90年代以前采暖
开始的时间早，结束的时间晚；在20世纪90年代以后采暖开始的时间晚，结束
的时间早。

采暖开始最早时间是10月1日，出现在1969年，比平均采暖时间早了26d，采暖结束最早时间是3月2日，比平均日期提前了39d，出现在1997年。

4.4 采暖强度地域分布特征
图5是1952-2010年东北地区采暖期采暖强度地域分布图。

从图中可以看到，东北地区采暖期平均采暖强度呈南低北高分布，随着纬度的增高，采暖强度增强，采暖强度最弱出现在辽宁南部，采暖强度最强出现在黑龙江的西北部，北部的采暖强度是南部的3倍。

4.5 采暖强度年际变化特征
分析采暖期采暖强度逐年变化情况（图6）得出：在20世纪80年代中后期以前
可称之为强期，正距平占86.11%，比平均值高229℃·d，最强出现在1956年比
平均值高686℃·d，在20世纪80年代中后期以后采暖强度以负距平为主，占81.82%，比平均值低206℃·d，采暖强度最低出现在2001年，比平均值小762℃·d。

从表2中可以看到各年代际采暖强度的变化情况。

在20世纪50年代，平均采暖强度最强，为4522℃·d，比平均值高300℃·d，21世纪初采暖强度为4060℃·d，比平均值低164℃·d，采暖强度最强出现在20世纪50年代，采暖强
度最弱出现在21世纪初。

采暖期气温的异常，主要表现各采暖期气温与多年平均值的比较，可分为冷期或暖
期。

用△T/ σ（即距平值除标准差）作为判定标准，△T/σ≤-1.0℃为冷期，△T≥1.0℃为暖期[20]；得到6个冷期年份和7个暖期年份（表3）。

利用1952-2010年NCEP再分析资料，对冷暖期的500hPa高度场、850hPa风场资料进行分析。

5.1 冷暖期500hPa环流特征
图7a是冷期500hPa高度距平场图。

从图中可以看出，在欧亚大陆区域内负距平中心位于贝加尔湖附近，强度达到-20位势米，东北区处在负距平区域内，数值在-15～-10之间，正距平位于日本海东部，说明东亚大槽位置偏西，势力强大，东
北区受西北气流控制，冷空气活动频繁，气温低。

图7b是暖期500hPa高度距平场。

从图中可以看出，在欧亚大陆上高度场是正距平，正距平的最大值位于日本岛北部，最小值位于贝加尔湖附近，东北区处在正距平由小到大的区域内，数值在20～25位势米之间，说明东亚大槽位置偏北、偏东，东北区受高压脊控制，冷空气活动弱，气温高。

5.2 冷暖期850hPa风场特征
从850hPa风场看（图略），冷期中在贝加尔湖西北方向是很强的偏西风向偏东
方向移动，东北地区受西北气流在贝加尔湖南侧存在一支西风气流向东移动，在雅库次克海附近是另一支东北向气流向西南方向移动，表明东北地区的冷期受贝加尔湖以东西北气流向东南移的冷空气和位于雅库次克海附近东北向冷空气南下影响东北地区，共有二支气流影响东北地区。

暖期中在贝加尔湖西北方向的气流与冷期大致相同，但风速明显小于冷期，而位于雅库次克海附近东北向气流非常弱，暖期东北地区只受贝加尔湖以东的西北气流影响。

6.158 年中东北地区采暖期平均气温、平均最低气温均呈上升趋势，最低气温低于-25℃的天数在气温突变后明显减少；在地域上分布特点是平原气温高于山区气温，南部气温高于北部气温。

近58年平均气温趋势倾向值为0.27℃/10a，最低气温
趋势倾向值为0.42℃/10a，特别是2000-2009年近10年来上升趋势明显，平均气温倾向值达到0.75℃/10a；最低气温趋势倾向值达到0.83℃/10a，最低气温上升趋势高于平均气温上升趋势。

6.2 东北地区采暖开始时间呈推迟趋势，采暖结束时间呈提前趋势，从而使采暖期天数缩短。

根据突变分析采暖期气温变化的突变年是1983年，突变前采暖天数比平均值多4天，突变年后采暖天数比平均值少6天；从各年代际变化情况看，20世纪50年代是采暖开始最早，结束时间晚；21世纪初是采暖开始时间最晚结束日期最早。

6.3 东北地区采暖强度在地域上分布是南部采暖强度小，北部采暖强度大，北部是南部的3倍。

采暖期长、采暖强度强，大部分出现在20世纪80年代中期以前；采暖期短、采暖强度弱，大部出现在20世纪80年代中期以后。

6.4 在冷期东亚大槽位置偏西，势力强大，东北地区受西北气流、东北气流二支气流控制，冷空气活动频繁，气温低。

在暖期东亚大槽位置偏北、偏东，东北区受高压脊控制，只受贝加尔湖以东的西北气流影响，冷空气活动弱，气温高。

6.5 由于东北地区采暖强度降低、采暖期长度缩短，说明采暖期气候条件已发生明显的变化。

因此，适时调整采暖期，可以减少能源消耗，更重要的是可减少大气环境污染。

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