1979—2019年內蒙古高空風速變化趨勢分析

袁建平 陸艷艷 周胡 張磊

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

關鍵詞：內蒙古;風速;對流層;平流層

中圖分類號：TV211.1文獻標識碼：A文章編號：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

內蒙古風電產業發展條件得天獨厚，風能資源的技術可開發容量居全國首位，而且具有分布范圍廣、年有效風速連續性好、品位穩定度高等優勢。截至2011年12月底，內蒙古風電并網裝機容量為1 100萬kW，居全國首位[1]。而我國高空天氣環流對低層天氣系統有著重要作用，內蒙古高空風速變化對研究內蒙古地表風速的減弱有重要參考價值，高空風速變化分析可以極大地幫助人們深入理解區域氣候變化機理。

前人已有不少涉及內蒙古風速變化的研究[2-6]。在高空風場的研究上，任國玉等人分析了全國范圍內不同等壓面下年、季節平均風速的氣候學特征[7]。有研究分析了1979—2014年中國風速及風能的長期變化趨勢，從平均風速和不同大小的風速兩方面分析了風速的時空變化特征，從有效風速頻率、主風向頻率、風功率密度及風功率密度的變異系數等方面分析了風能資源的可利用情況及穩定性[8-9]。李剛等人則分析蒙自探空測風資料，對滇東南地區的不同季節高空風向風速變化特征進行分析[10]，高空風場的研究方興未艾[11-14]。

雖然對內蒙古風速的研究較多，但以往的研究大多集中在對內蒙古地表風速的分析上，較少有對高層風場的探討，而研究高層風場的變化趨勢，可以為人們理解地面風速減弱現象提供一定的理論指導。因此，本文旨在通過分析不同厚度層風速的變化趨勢，為該地區合理利用風能資源提供有效的參考依據。

1 資料與定義

本文風速數據來自NCEP（National Centers for Environmental Prediction，美國國家環境預報中心） /NCAR （National Center for Atmospheric Research，美國國家大氣研究中心）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等壓面定為對流層中下層，將300、250、200、150 hPa等壓面定為對流層上層，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行趨勢分析，其特點是簡潔方便、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]表示所對應的時間，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]與其時間[t]之間的關系。由于式（1）右邊的變量是[x]對應的時間[t]，并不是其他變量，所以該方法屬于時間序列分析的范疇。式（2）中，[a]是回歸嘗試，[b]是回歸系數。[a]和[b]可以用最小二乘估計得到。

[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[b]與相關系數的關系，求出時間與變量的相關系數[r]。

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

相關系數[r]表示變量[x]與時間[t]之間線性相關的密切程度。當[r]=0時，回歸系數[b]為0，即用最小二乘估計確定的回歸直線平行于[x]軸，說明[x]的變化與時間[t]無關;當[r]>0時，[b]>0，說明[x]隨時間[t]的增加而表現出明顯的上升趨勢;當[r]<0時，[b]<0，說明[x]隨時間[t]的增加而表現出明顯的下降趨勢。[r]越趨近0，[x]與[t]之間的線性相關就越小;反之，[r]越偏大，[x]與[t]之間的線性相關就越密切。除此之外，人們需要對相關系數進行顯著性檢驗來判定線性趨勢的變化程度是否明顯，確定顯著性水平[α]，若[r]>[rα]，則表明[x]隨時間[t]的變化趨勢是顯著的，反之，則表明變化趨勢不顯著。

3 結果與討論

3.1 內蒙古等壓面風速變化趨勢

圖1是1979—2019年內蒙古從1 000 hPa到10 hPa共17層等壓面的平均風速變化趨勢。圖中，密實線柱表示通過90%信度檢驗，稀實線柱表示未通過90%信度檢驗。從圖中可以看出，底層風速（1 000、925、850、700 hPa）有顯著的降低趨勢（通過90%信度檢驗），而中層風速（400、300、250、200、150 hPa）上升趨勢不顯著，但是這種分布是異于地面風速趨勢的。上層的風速（100、70、50、30、20、10 hPa）除10 hPa外，也都表現出與底層風速類似的減弱趨勢。從整層的風速趨勢垂直分布特征來看，只有接近地表的風速表現出顯著的下降趨勢，這種趨勢和前人研究中的地表風速變化相似。這種風速的垂直分布特征不協調可能源于地面風速本身受到地表粗糙度（城市化）等因素的影響。同時，底層風速的顯著下降也可能受到近些年內蒙古經濟發展的影響，經濟發展所帶來的地貌改變對風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速趨勢和顯著性水平。春季通過顯著性檢驗的等壓面中，除1 000、925、850 hPa這三層表現出風速減小的趨勢外，其他等壓面都表現出風速增長的趨勢（400、300、250、200、150、100 hPa），而夏季沒有等壓面通過顯著性檢驗。秋季通過顯著性檢驗的等壓面主要集中在中上層，和春季一樣表現出中層（700、600、500、200、150、100、70 hPa）處風速下降的趨勢，而高層（50、30、20、10 hPa）處風速呈現上升趨勢的特征。冬季的風速都表現出減弱的趨勢，而且分別分布在1 000、925、850、20、10 hPa處。總的來說，春季和秋季是變化趨勢最明顯的兩個季節，夏季的風速幾乎沒有變化，而冬季的變化主要集中在最低層和最高層。

3.2 內蒙古不同厚度層的風速變化趨勢

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

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

4 結論

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

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