能源消费与气候关系的中美比较研究，本文主要内容关键词为：中美论文,气候论文,能源消费论文,关系论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：P461 文献标识码：A
气候对社会经济系统有多层次的影响，正因为如此，世界气象组织在“世界气候计划 ”之中设立了“世界气候应用计划”和“世界气候影响计划”。在社会经济系统中，许 多要素和过程对气候变化都非常敏感，能源消费量就是其中之一[1，2]。
能源是人类社会健康发展的基础，它既被用于各种生产和生活活动，也被用于减灾防 灾和环境调节，其中后者的耗能量对气候变化非常敏感。不同国家或不同社会阶段有不 同的产业结构和能源消费结构，能源消费与气候的关系也有明显差别。美国是世界上经 济技术水平最高、以工业为主的发达国家，中国是世界上人口最多、以农业为主、经济 技术水平相对较低的发展中国家，研究中国和美国能源消费与气候的关系，明确它们之 间的异同，对理解和制定中国能源战略具有重大的理论和现实意义。
中国旱涝灾害频繁，水资源匮乏，水资源调配耗能量很大，而且冬冷夏热，冬季取暖 和夏季降温的范围广，需能量非常大，因此能源消费对气候变化非常敏感。目前，中国 经济和技术正值高速发展时期，产业结构与能源消费结构处于不断调整之中，能源消费 与气候的关系势必随之而发生明显变化。因此，定量地确定能源消费与气候的关系及其 变化，不但是中国能源需求量预测和气候影响评价的基础[3～32]，而且在能源规划和 计划的制订、节能目标的确定和措施的选择以及能源消费结构的调整等方面有广阔的应 用前景。
1 资料与方法
本文选取中国29个省会气象站，搜集其1970～1999年的历年逐日日平均气温资料，这些资料来源于中国气象局。能源消费方面的数据主要包括中国1953～1999年历年能源消 费总量及构成、1980～1999年中国生活能源消费量及煤炭和电力消费量、1953～1999年历年各种类能源消费总量及构成，这些数据主要来源于《中国能源统计年鉴》、《中国统计年鉴》。社会经济方面的数据主要是中国1953～1999历年农作物水旱灾害受灾面积资料，这些资料来源于上述统计年鉴和《中国灾情报告》。美国的数据主要包括1949～ 1999年历能源消费总量及其能源消费部门与种类构成，历年气温数据，这些数据主要来源于美国能源消费信息管理局(网址为：www.eia.doe.gov)、美国国家气象局(网址为：www.noaa.gov)两个网站及《世界经济统计年鉴》和《国际统计年鉴》。
能源消费量的变化受社会经济和气候等因素的影响，它随着社会经济水平的提高而逐 步增长，随着气候要素的起伏而上下波动，这些变化与农作物产量极其相似。因此，本 文参考农业产量统计预报中的产量分离理论与方法[33，34]，把能源消费量
趋势项是假设在气象等因子正常的情况下，受社会经济发展和人民生活水平提高影响 的那部分能源消费量，因此亦称为社会经济耗能量，它是逐渐变化的，在时间序列上是 个变化比较平稳的过程。波动项是指由于气候因子(温度、降水、灾害等)的波动而影响 的那部分能源消费量，所以亦称为气候耗能量，它是造成能源消费量波动的主要因素。 随机项是指由于其它方面的随机因素影响的那部分能源消费量，它所占比例一般较小， 又不易分离，通常忽略。
在分析能源消费与温度因子的关系时，采用国外经常使用的度日法[35～38]，度日值 采用如下公式求得：
式中，T[,i]为第i天的日平均温度，Tb为基础温度，T[,hi]、T[,ci]分别为第i天的取 暖和降温度日值，D[,h]、D[,c]分别为全年取暖和降温度日总值，本文计算中国冬季取 暖度日的基础温度是5℃，夏季降温度日的基础温度为22℃，计算美国冬季取暖度日和 夏季降温度日的基础温度均为18℃。
在农业产量的统计预报中，产量分离的方法很多，常用的有滑动平均法、线性模拟法 、分段模拟法、对数模拟法、指数模拟法、生长函数法和多项式法等。根据大量的研究 表明，多项式法较优。本文采用多项式法对能源消费量进行分解，用相关分析和滑动相 关分析的方法研究气候耗能量与气候因子之间的关系及其变化。
2 结果与分析
2.1 能源消费量分解结果
应用多项式方法分别模拟美国能源消费量、中国能源消费量及中国煤炭、石油、天然 气和水电消费量变化趋势，其趋势项模型见(6)～(11)式：
气和水电消费量的趋势项，x为时间序号，中国取作x = t - 1953 + 1，美国取作x =
t - 1949 + 1。用这些模型可以计算出各年美国和中国能源(或煤炭、石油、天然气、 水电)消费的趋势项(社会经济耗能量)，从实际消费量中减去社会经济耗能量即可得到 波动项(气候耗能量)。
2.2 美国能源消费与气候的关系
大量研究表明，影响美国能源消费的主要气候因子是温度。温度对能源消费的影响表 现在两个方面，一是冬季温度变化对取暖能源消费的影响，二是夏季温度变化对降温能 源消费的影响。在气候耗能量中，冬、夏季温度变化的影响无法进一步分解，所以气候 耗能量是冬、夏季温度以及其它气候要素综合作用的结果。
美国气候耗能量与取暖度日和降温度日的关系在不同时段有明显的差别。由图1和图2 可以看出，1952～1967年间的气候耗能量变化与降温度日非常吻合，而1975～1999年间 的气候耗能量则与取暖度日的变化趋势相一致。由相关分析结果可见，在1952～1967年 ，气候耗能量与降温度日之间有相当好的正相关关系，用最小二乘法建立的回归方程为 ：
图1 美国气候耗能量(虚线)与取暖度日(实线)年际变化
Fig.1 Annual changes of climatic energy consumption(dotted line)and heating
degree days(solid line)in America
图2 美国气候耗能量(虚线)与降温度日(实线)年际变化
Fig.2 Annual changes of climatic energy consumption (dotted line)and
cooling degree days(solid line)in America
美国气候耗能量与取暖度日和降温度日有显著的正相关关系，这一结论与许多美国学 者研究电能消费、天然气消费、取暖能源消费等与温度的关系所得出的结论是一致的[3 9～46]，这在一定程度上说明用多项式法分离能源消费量来研究气候耗能量与温度的关 系是合理的。气候耗能量与取暖度日和降温度日的关系在不同时段的差别可能是由于取 暖度日和降温度日的相对大小所造成的，由图1和图2可见，在20世纪50年代，降温度日 处于高值期，取暖度日相对较小，所以气候耗能量与降温度日的相关关系较好；在20世 纪90年代中期，降温度日相对较小，取暖度日处于高值期，气候耗能量与取暖度日的相 关关系较好。近年来，降温度日有逐渐上升之趋势，取暖度日有不断下降的倾向，气候 耗能量与它们的关系可能会发生转变。
2.3 中国能源消费与气候的关系
由于在解放后相当长一段时期内，中国一直是一个缺能大国，能源供不应求，而且绝 大部分能源都用于生产和减灾，用于取暖和降温的能源极少，因此中国能源消费波动量 与温度的关系不很显著，与农作物受灾面积有较密切的关系。
反映水旱灾害的指标很多，我们选取农作物水旱灾害受灾面积(A)来探讨气候耗能量与 水旱灾害的关系。统计分析发现，气候耗能量与农作物受灾面积具有正相关关系，一般 来说，气候越干旱，农作物灌溉耗能越多，涝灾越严重，平原地区排灌耗能相应增加， 因此，能源消费量随农作物旱涝受灾面积的扩大而增加。
从气候耗能量与农作物受灾面积历年变化图(图3)看出，二者的变化有较大的一致性， 特别是1980年以前。在1953～1999年，二者之间相关系数为0.36，其中1953～1990年相 关系数为0.58，
图3 中国气候耗能量(实线)与水旱受灾面积(虚线)变化
Fig.3 Annual changes of climatic energy consumption (solid line)and
disaster-stricken area(dotted line)in China
图4 1953～1980 中国气候耗能量与受灾面积散点图
Fig.4 Diagram of climatic energy consumption and disaster-stricken area in
China from 1953 to 1980
1980年以来，由于改革开放，经济迅速发展，人民生活水平大幅度提高，对室内环境 的要求越来越高，取暖和降温耗能有所增加，使得气候耗能量与水旱灾害之间的线性关 系发生变化。从气候耗能量与水旱灾害受灾面积的散点图可以看出，在1953～1999年时 间段内，气候耗能量与水旱灾害之间关系不甚明显，而在1953～1980年时段内二者之间 的线性关系非常明显(如图4)。以10年为基本时段，做气候耗能量与农作物水旱灾害受 灾面积间的滑动相关分析，由相关系数的变化可以看出，它们之间的相关系数在逐渐变 小，1985年以前相关系数一直在0.7左右波动，1985年以后迅速下降，90年代它们之间 的线性关系已变得相当不明显(如图5)。由此可见，气候耗能量与气候之间的关系正在 发生转化。
图5 中国气候耗能量与受灾面积之相关系数变化
Fig.5 Change of correlation coefficient between climatic energy consumption
and disaster stricken area in China
温度对能源消费的影响主要表现在生活中的冬季取暖和夏季降温的能源消耗上，中国 冬季取暖所消耗的能源主要是煤炭，夏季降温消耗的能源主要是电力。因此，我们选用 1980～1999年历年人均生活能源消费中的煤炭和电力消费量来分析它们与温度的关系。 分析发现，生活能源消费中的煤炭消费量与同期取暖度日值之间有很好的相关性，其中 1990～1999年期间，煤炭消费量与取暖度日值之间的相关系数为0.64，1986～1998年期 间，电力消费与降温度日之间亦有很好的相关性，相关系
图6 中国煤炭(实线)和电力(虚线)与度日相关系数变化图
Fig.6 Changes of correlation coefficients between coal consumption(solid
line),electric power consumption(dotted line)and degree days in China
分析各类能源消费波动项与农作物水旱灾害受灾面积的关系发现：1985年以前，各类 能源消费波动量与受灾面积都存在正相关关系，其中煤炭、石油和水电消费波动项之和 与受灾面积的线性关系更加显著，这是由于中国各地防灾抗灾消耗的能源是不同的，有 煤电、水电、油电或石油产品。1985年以后，由于温度对气候耗能量的贡献，使得各类 能源消费波动量与受灾面积的线性关系变得越来越不明显。
3 结论与讨论
以上分析说明，美国由于经济发达，人民生活水平较高，对室内环境的要求较高，用 于冬季取暖和夏季降温的能源比重较高，温度是影响美国气候耗能量的主要气候因子， 如果仅考虑气候因子对能源消费的驱动作用，则可把美国的能源消费称作温度驱动型能 源消费；中国是一个以农业为主的国家，经济比较落后，人民的生活水平较低，大量能 源都用来防灾和抗灾，因此水旱灾害是影响气候耗能量变化的主要因子，特别是在20世 纪80年代初期之前，如果仅考虑气候因子驱动作用，则可把中国这一时期的能源消费称 作气象灾害驱动型能源消费。
近十几年是中国经济和技术高速发展期，能源消费的部门结构和种类结构都在逐渐转 变[47]，而且人民生活水平不断提高，用来改善环境而消耗的能源在不断增加，使得水 旱灾害在影响气候耗能量中的贡献不断减小，温度对气候耗能量的影响日趋显著，即中 国气候耗能量正由气象灾害驱动型向温度驱动型过渡。
目前，中国用于冬季取暖和夏季降温的能源比例很小，从全国能源消费总量中分解出 来的气候耗能量与取暖度日和降温度日的关系不显著。但是中国属于季风气候区，冬季 寒冷，夏季炎热，冬季取暖和夏季降温的范围广，持续时间长，需能量大，在经济水平 快速发展和以人为本的理念不断提升的当今社会里，室内环境调节耗能量的比例必然迅 速增加。近几年来，中国一些学者通过对一些典型城市(经济较为发达的大城市)的案例 研究[19，20]指出：城市规模的扩大引起城区室内和室外温度升高；城市冬季取暖能源 消费和夏季用电量与温度有很好的线性关系。这在一定程度上表明了中国能源消费与气 候关系的变化倾向。
收稿日期：2002-07-28
修订日期：2002-11-27