1979—2019年內(nèi)蒙古高空風(fēng)速變化趨勢(shì)分析

袁建平 陸艷艷 周胡 張磊

摘 要：本文以內(nèi)蒙古高空風(fēng)速為研究對(duì)象，通過(guò)1979—2019年再分析風(fēng)速資料，運(yùn)用線性回歸等方法分析該地區(qū)高空風(fēng)速變化趨勢(shì)特征。結(jié)果表明，內(nèi)蒙古接近地表等壓面（1 000～700 hPa）年平均風(fēng)速有顯著的微弱降低趨勢(shì)。春秋兩季變化趨勢(shì)最明顯，夏季的風(fēng)速幾乎沒(méi)有變化，冬季變化主要集中在最低層和最高層。三個(gè)厚度層的年平均風(fēng)速變化趨勢(shì)均未通過(guò)90%信度檢驗(yàn)。春季的對(duì)流層上層風(fēng)速呈現(xiàn)上升趨勢(shì);秋季的對(duì)流層中下層、對(duì)流層上層和平流層下層的風(fēng)速都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)蒙古;風(fēng)速;對(duì)流層;平流層

中圖分類號(hào)：TV211.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）03-0119-04

Analysis of the Trend of High-Altitude Wind Speed in Inner

Mongolia from 1979 to 2019

YUAN Jianping1，2 LU Yanyan1，2 ZHOU Hu1，2 ZHANG Lei1，2

（1. Zhejiang Key Laboratory of Wind Power Technology，Hangzhou Zhejiang 310014;2. POWERCHINA Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou Zhejiang 310014）

Abstract： This paper took the upper-altitude wind speed in Inner Mongolia as the research object， analyzed the wind speed data from 1979 to 2019， and used linear regression and other methods to analyze the trend characteristics of the upper-altitude wind speed in the region. The results showed that the annual average wind speed near the surface isobaric surface （1 000～700 hPa） in Inner Mongolia had a significant and weak downward trend. The change trend was most obvious in spring and autumn， there was almost no change in wind speed in summer， and changes in winter were mainly concentrated in the lowest and highest levels. The annual average wind speed trends of the three thickness layers had not passed the 90% reliability test. In spring， the wind speed in the upper troposphere showed an upward trend; in autumn， the wind speed in the middle and lower troposphere， upper troposphere and lower stratosphere showed a downward trend.

Keywords： Inner Mongolia;wind speed;troposphere;stratosphere

內(nèi)蒙古風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展條件得天獨(dú)厚，風(fēng)能資源的技術(shù)可開發(fā)容量居全國(guó)首位，而且具有分布范圍廣、年有效風(fēng)速連續(xù)性好、品位穩(wěn)定度高等優(yōu)勢(shì)。截至2011年12月底，內(nèi)蒙古風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量為1 100萬(wàn)kW，居全國(guó)首位[1]。而我國(guó)高空天氣環(huán)流對(duì)低層天氣系統(tǒng)有著重要作用，內(nèi)蒙古高空風(fēng)速變化對(duì)研究?jī)?nèi)蒙古地表風(fēng)速的減弱有重要參考價(jià)值，高空風(fēng)速變化分析可以極大地幫助人們深入理解區(qū)域氣候變化機(jī)理。

前人已有不少涉及內(nèi)蒙古風(fēng)速變化的研究[2-6]。在高空風(fēng)場(chǎng)的研究上，任國(guó)玉等人分析了全國(guó)范圍內(nèi)不同等壓面下年、季節(jié)平均風(fēng)速的氣候?qū)W特征[7]。有研究分析了1979—2014年中國(guó)風(fēng)速及風(fēng)能的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，從平均風(fēng)速和不同大小的風(fēng)速兩方面分析了風(fēng)速的時(shí)空變化特征，從有效風(fēng)速頻率、主風(fēng)向頻率、風(fēng)功率密度及風(fēng)功率密度的變異系數(shù)等方面分析了風(fēng)能資源的可利用情況及穩(wěn)定性[8-9]。李剛等人則分析蒙自探空測(cè)風(fēng)資料，對(duì)滇東南地區(qū)的不同季節(jié)高空風(fēng)向風(fēng)速變化特征進(jìn)行分析[10]，高空風(fēng)場(chǎng)的研究方興未艾[11-14]。

雖然對(duì)內(nèi)蒙古風(fēng)速的研究較多，但以往的研究大多集中在對(duì)內(nèi)蒙古地表風(fēng)速的分析上，較少有對(duì)高層風(fēng)場(chǎng)的探討，而研究高層風(fēng)場(chǎng)的變化趨勢(shì)，可以為人們理解地面風(fēng)速減弱現(xiàn)象提供一定的理論指導(dǎo)。因此，本文旨在通過(guò)分析不同厚度層風(fēng)速的變化趨勢(shì)，為該地區(qū)合理利用風(fēng)能資源提供有效的參考依據(jù)。

1 資料與定義

本文風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)自NCEP（National Centers for Environmental Prediction，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心） /NCAR （National Center for Atmospheric Research，美國(guó)國(guó)家大氣研究中心）提供的1979年1月至2019年12月逐月再分析資料（NCEP/NCAR Reanalysis II），空間分辨率為2.5°×2.5°。

本文參考王穎等人[15]的定義，將850、700、500、400 hPa等壓面定為對(duì)流層中下層，將300、250、200、150 hPa等壓面定為對(duì)流層上層，將100、70、50 hPa等壓面定為平流層下層。

2 研究方法

下面采用線性回歸法進(jìn)行趨勢(shì)分析，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔方便、易于理解。其間使用[xi]表示樣本量為[n]的某一氣候變量，用[ti]表示所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立[xi]與[ti]之間的一元線性回歸方程。

[xi=a+bti i=1，2，…，n]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）可以看作是一種特殊的、最簡(jiǎn)單的線性回歸形式。其含義是用一條合理的直線表示[x]與其時(shí)間[t]之間的關(guān)系。由于式（1）右邊的變量是[x]對(duì)應(yīng)的時(shí)間[t]，并不是其他變量，所以該方法屬于時(shí)間序列分析的范疇。式（2）中，[a]是回歸嘗試，[b]是回歸系數(shù)。[a]和[b]可以用最小二乘估計(jì)得到。

[a=x-bt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[b=i=1nxiti-1ni=1nxii=1ntii=1nt2i-1ni=1nti2]? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，[x]和[t]分別可以用公式表示為：

[x=1ni=1nxi]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

[t=1ni=1nti]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

下面利用回歸系數(shù)[b]與相關(guān)系數(shù)的關(guān)系，求出時(shí)間與變量的相關(guān)系數(shù)[r]。

[r=i=1nt2i-1ni=1nti2i=1nx2i-1ni=1nxi2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

相關(guān)系數(shù)[r]表示變量[x]與時(shí)間[t]之間線性相關(guān)的密切程度。當(dāng)[r]=0時(shí)，回歸系數(shù)[b]為0，即用最小二乘估計(jì)確定的回歸直線平行于[x]軸，說(shuō)明[x]的變化與時(shí)間[t]無(wú)關(guān);當(dāng)[r]>0時(shí)，[b]>0，說(shuō)明[x]隨時(shí)間[t]的增加而表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì);當(dāng)[r]<0時(shí)，[b]<0，說(shuō)明[x]隨時(shí)間[t]的增加而表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。[r]越趨近0，[x]與[t]之間的線性相關(guān)就越小;反之，[r]越偏大，[x]與[t]之間的線性相關(guān)就越密切。除此之外，人們需要對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)來(lái)判定線性趨勢(shì)的變化程度是否明顯，確定顯著性水平[α]，若[r]>[rα]，則表明[x]隨時(shí)間[t]的變化趨勢(shì)是顯著的，反之，則表明變化趨勢(shì)不顯著。

3 結(jié)果與討論

3.1 內(nèi)蒙古等壓面風(fēng)速變化趨勢(shì)

圖1是1979—2019年內(nèi)蒙古從1 000 hPa到10 hPa共17層等壓面的平均風(fēng)速變化趨勢(shì)。圖中，密實(shí)線柱表示通過(guò)90%信度檢驗(yàn)，稀實(shí)線柱表示未通過(guò)90%信度檢驗(yàn)。從圖中可以看出，底層風(fēng)速（1 000、925、850、700 hPa）有顯著的降低趨勢(shì)（通過(guò)90%信度檢驗(yàn)），而中層風(fēng)速（400、300、250、200、150 hPa）上升趨勢(shì)不顯著，但是這種分布是異于地面風(fēng)速趨勢(shì)的。上層的風(fēng)速（100、70、50、30、20、10 hPa）除10 hPa外，也都表現(xiàn)出與底層風(fēng)速類似的減弱趨勢(shì)。從整層的風(fēng)速趨勢(shì)垂直分布特征來(lái)看，只有接近地表的風(fēng)速表現(xiàn)出顯著的下降趨勢(shì)，這種趨勢(shì)和前人研究中的地表風(fēng)速變化相似。這種風(fēng)速的垂直分布特征不協(xié)調(diào)可能源于地面風(fēng)速本身受到地表粗糙度（城市化）等因素的影響。同時(shí)，底層風(fēng)速的顯著下降也可能受到近些年內(nèi)蒙古經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來(lái)的地貌改變對(duì)風(fēng)速的影響是不可忽視的因素。

表1給出了高空各等壓面和四季平均風(fēng)速趨勢(shì)和顯著性水平。春季通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的等壓面中，除1 000、925、850 hPa這三層表現(xiàn)出風(fēng)速減小的趨勢(shì)外，其他等壓面都表現(xiàn)出風(fēng)速增長(zhǎng)的趨勢(shì)（400、300、250、200、150、100 hPa），而夏季沒(méi)有等壓面通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。秋季通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的等壓面主要集中在中上層，和春季一樣表現(xiàn)出中層（700、600、500、200、150、100、70 hPa）處風(fēng)速下降的趨勢(shì)，而高層（50、30、20、10 hPa）處風(fēng)速呈現(xiàn)上升趨勢(shì)的特征。冬季的風(fēng)速都表現(xiàn)出減弱的趨勢(shì)，而且分別分布在1 000、925、850、20、10 hPa處?？偟膩?lái)說(shuō)，春季和秋季是變化趨勢(shì)最明顯的兩個(gè)季節(jié)，夏季的風(fēng)速幾乎沒(méi)有變化，而冬季的變化主要集中在最低層和最高層。

3.2 內(nèi)蒙古不同厚度層的風(fēng)速變化趨勢(shì)

圖2展示了1979—2019年內(nèi)蒙古對(duì)流層中下層、對(duì)流層上層、平流層下層的平均風(fēng)速和趨勢(shì)。圖中，黑色點(diǎn)實(shí)線為歷年觀測(cè)值，虛線為線性趨勢(shì)。從圖中可以看出，三層的風(fēng)速都未表現(xiàn)出顯著的變化趨勢(shì)，但僅就圖中所展示的趨勢(shì)可見(jiàn)，對(duì)流層中下層和平流層下層都有輕微的下降趨勢(shì)，而對(duì)流層上層則有輕微的上升趨勢(shì)。這樣的趨勢(shì)和圖1類似。從圖2風(fēng)速年分布可以看出，對(duì)流層中下層在1989年有一個(gè)明顯的年平均風(fēng)速高值，其值達(dá)到了11.72 m/s。而在其他年份，該層的風(fēng)速變化范圍主要在9～11 m/s波動(dòng)。對(duì)于對(duì)流層上層，其風(fēng)速范圍主要在22～26 m/s波動(dòng)，1990年前有三次相對(duì)偏高的年平均風(fēng)速，而有一次相對(duì)偏低的年平均風(fēng)速出現(xiàn)在2007年。平流層下層的變化幅度相對(duì)其他兩個(gè)厚度層更大，總體風(fēng)速在15～18 m/s波動(dòng)，但有三次相對(duì)偏低的風(fēng)速。

圖3給出了1979—2019年各季節(jié)不同厚度層的年平均風(fēng)速變化趨勢(shì)。圖中，TML表示對(duì)流層中下層，TT表示對(duì)流層上層，SL表示平流層下層;密實(shí)線柱代表通過(guò)90%信度檢驗(yàn)，稀實(shí)線柱表示未通過(guò)90%信度檢驗(yàn)。從其分布可以看出，通過(guò)了90%信度檢驗(yàn)的厚度層風(fēng)速變化趨勢(shì)分別為：春季的對(duì)流層上層呈現(xiàn)上升趨勢(shì)（0.076）;秋季的對(duì)流層中下層（-0.025）、對(duì)流層上層（-0.062）和平流層下層（-0.024）都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。值得注意的是，只有春季，所有的風(fēng)速都呈現(xiàn)顯著或并不顯著的上升趨勢(shì)，而其他三個(gè)季節(jié)，風(fēng)速都呈降低趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文基于NCEP/NCAR Reanalysis II逐月風(fēng)速資料，分析內(nèi)蒙古高層風(fēng)場(chǎng)變化趨勢(shì)，得出以下結(jié)論。1979—2019年以來(lái)，內(nèi)蒙古底層年平均風(fēng)速（1 000、925、850、700 hPa）有顯著降低的趨勢(shì)，但變化較小。中層風(fēng)速（400、300、250、200、150 hPa）有所增加，但是未通過(guò)0.1顯著性水平檢驗(yàn)。春季和秋季是變化趨勢(shì)最明顯的兩個(gè)季節(jié)，夏季的風(fēng)速幾乎沒(méi)有變化，冬季的變化主要集中在最低層和最高層。1979—2019年，內(nèi)蒙古對(duì)流層中下層、對(duì)流層上層、平流層下層的年平均風(fēng)速變化趨勢(shì)都未通過(guò)0.1顯著性水平檢驗(yàn)。春季的對(duì)流層上層風(fēng)速呈現(xiàn)上升趨勢(shì);秋季的對(duì)流層中下層、對(duì)流層上層和平流層下層的風(fēng)速都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊軍.內(nèi)蒙古風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的SWOT分析[J].中國(guó)電力教育，2012（8）：88-89.

[2]郭春燕.近50年內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)速變化周期及突變分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015（9）：154-158.

[3]王欽，曾波，鄧力.1981—2013年內(nèi)蒙古地區(qū)風(fēng)速的時(shí)空變化特征[J].內(nèi)蒙古師大學(xué)報(bào)（自然漢文版），2015（44）：674-679.

[4]王佳，韓見(jiàn)弘，楊彩云.內(nèi)蒙古商都化德風(fēng)區(qū)風(fēng)速氣候變化特征分析[J].北方環(huán)境，2013（8）：123-124.

[5]張宇.1976—2017年內(nèi)蒙古最大風(fēng)速時(shí)空特征分析[J].內(nèi)蒙古氣象，2019（4）：22-25.

[6]潘霞，高永，劉博，等.近36年呼和浩特地區(qū)風(fēng)速變化特征分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017（4）：15-21.

[7]任國(guó)玉，張愛(ài)英，王穎，等.我國(guó)高空風(fēng)速的氣候?qū)W特征[J].地理研究，2009（6）：1583-1592.

[8]王楠.近36年中國(guó)地面風(fēng)速及風(fēng)能的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2019：20-21.

[9]程思.中國(guó)近五十年風(fēng)速及風(fēng)能的時(shí)空變化特征[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2010：23-24.

[10]李剛，錢保貴，劉清芳，等.滇東南高空風(fēng)季節(jié)變化特征分析[C]//廣西氣象學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì).2011.

[11]趙洪偉，舒海龍，王倩，等.科爾沁草原高空風(fēng)場(chǎng)垂直特征及變化分析[J].沙漠與綠洲氣象，2020（1）：72-79.

[12]陳麗華.場(chǎng)區(qū)高空風(fēng)垂直分布規(guī)律的分析研究[C]//中國(guó)宇航學(xué)會(huì)發(fā)射試驗(yàn)專業(yè)委員會(huì)1997年會(huì).1997.

[13]劉杰，陳江云，吳思江，等.新疆地區(qū)平流層底層風(fēng)場(chǎng)環(huán)境變化特征及規(guī)律研究[C]//第四屆高分辨率對(duì)地觀測(cè)學(xué)術(shù)年會(huì).2017.

[14]唐靈，詹杰民，李毓湘，等.MM5模擬垂直風(fēng)剖面的準(zhǔn)確性探討及在垂向氣象場(chǎng)的分析應(yīng)用[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（6）：112-120.

[15]王穎，任國(guó)玉.中國(guó)高空溫度變化初步分析[J].氣候與環(huán)境研究，2005（4）：780-790.