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1979—2019年内蒙古高空风速变化趋势分析

范文

袁建平陆艳艳周胡张磊

摘要：本文以内蒙古高空风速为研究对象，通过1979—2019年再分析风速资料，运用线性回归等方法分析该地区高空风速变化趋势特征。结果表明，内蒙古接近地表等压面（1 000～700 hPa）年平均风速有显著的微弱降低趋势。春秋两季变化趋势最明显，夏季的风速几乎没有变化，冬季变化主要集中在最低层和最高层。三个厚度层的年平均风速变化趋势均未通过90%信度检验。春季的对流层上层风速呈现上升趋势;秋季的对流层中下层、对流层上层和平流层下层的风速都呈现下降趋势。

关键词：内蒙古;风速;对流层;平流层

中图分类号：TV211.1文献标识码：A文章编号：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

內蒙古风电产业发展条件得天独厚，风能资源的技术可开发容量居全国首位，而且具有分布范围广、年有效风速连续性好、品位稳定度高等优势。截至2011年12月底，内蒙古风电并网装机容量为1 100万kW，居全国首位[1]。而我国高空天气环流对低层天气系统有着重要作用，内蒙古高空风速变化对研究内蒙古地表风速的减弱有重要参考价值，高空风速变化分析可以极大地帮助人们深入理解区域气候变化机理。

前人已有不少涉及内蒙古风速变化的研究[2-6]。在高空风场的研究上，任国玉等人分析了全国范围内不同等压面下年、季节平均风速的气候学特征[7]。有研究分析了1979—2014年中国风速及风能的长期变化趋势，从平均风速和不同大小的风速两方面分析了风速的时空变化特征，从有效风速频率、主风向频率、风功率密度及风功率密度的变异系数等方面分析了风能资源的可利用情况及稳定性[8-9]。李刚等人则分析蒙自探空测风资料，对滇东南地区的不同季节高空风向风速变化特征进行分析[10]，高空风场的研究方兴未艾[11-14]。

虽然对内蒙古风速的研究较多，但以往的研究大多集中在对内蒙古地表风速的分析上，较少有对高层风场的探讨，而研究高层风场的变化趋势，可以为人们理解地面风速减弱现象提供一定的理论指导。因此，本文旨在通过分析不同厚度层风速的变化趋势，为该地区合理利用风能资源提供有效的参考依据。

1 资料与定义

本文风速数据来自NCEP（National Centers for Environmental Prediction，美国国家环境预报中心） /NCAR （National Center for Atmospheric Research，美国国家大气研究中心）提供的1979年1月至2019年12月逐月再分析资料（NCEP/NCAR Reanalysis II），空间分辨率为2.5°×2.5°。

本文参考王颖等人[15]的定义，将850、700、500、400 hPa等压面定为对流层中下层，将300、250、200、150 hPa等压面定为对流层上层，将100、70、50 hPa等压面定为平流层下层。

2 研究方法

下面采用线性回归法进行趋势分析，其特点是简洁方便、易于理解。其间使用[xi]表示样本量为[n]的某一气候变量，用[ti]表示所对应的时间，建立[xi]與[ti]之间的一元线性回归方程。

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

式（1）可以看作是一种特殊的、最简单的线性回归形式。其含义是用一条合理的直线表示[x]与其时间[t]之间的关系。由于式（1）右边的变量是[x]对应的时间[t]，并不是其他变量，所以该方法属于时间序列分析的范畴。式（2）中，[a]是回归尝试，[b]是回归系数。[a]和[b]可以用最小二乘估计得到。

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

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

其中，[x]和[t]分别可以用公式表示为：

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

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

下面利用回归系数[b]与相关系数的关系，求出时间与变量的相关系数[r]。

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

相关系数[r]表示变量[x]与时间[t]之间线性相关的密切程度。当[r]=0时，回归系数[b]为0，即用最小二乘估计确定的回归直线平行于[x]轴，说明[x]的变化与时间[t]无关;当[r]>0时，[b]>0，说明[x]随时间[t]的增加而表现出明显的上升趋势;当[r]<0时，[b]<0，说明[x]随时间[t]的增加而表现出明显的下降趋势。[r]越趋近0，[x]与[t]之间的线性相关就越小;反之，[r]越偏大，[x]与[t]之间的线性相关就越密切。除此之外，人们需要对相关系数进行显著性检验来判定线性趋势的变化程度是否明显，确定显著性水平[α]，若[r]>[rα]，则表明[x]随时间[t]的变化趋势是显著的，反之，则表明变化趋势不显著。

3 结果与讨论

3.1 内蒙古等压面风速变化趋势

图1是1979—2019年内蒙古从1 000 hPa到10 hPa共17层等压面的平均风速变化趋势。图中，密实线柱表示通过90%信度检验，稀实线柱表示未通过90%信度检验。从图中可以看出，底层风速（1 000、925、850、700 hPa）有显著的降低趋势（通过90%信度检验），而中层风速（400、300、250、200、150 hPa）上升趋势不显著，但是这种分布是异于地面风速趋势的。上层的风速（100、70、50、30、20、10 hPa）除10 hPa外，也都表现出与底层风速类似的减弱趋势。从整层的风速趋势垂直分布特征来看，只有接近地表的风速表现出显著的下降趋势，这种趋势和前人研究中的地表风速变化相似。这种风速的垂直分布特征不协调可能源于地面风速本身受到地表粗糙度（城市化）等因素的影响。同时，底层风速的显著下降也可能受到近些年内蒙古经济发展的影响，经济发展所带来的地貌改变对风速的影响是不可忽视的因素。

表1给出了高空各等压面和四季平均风速趋势和显著性水平。春季通过显著性检验的等压面中，除1 000、925、850 hPa这三层表现出风速减小的趋势外，其他等压面都表现出风速增长的趋势（400、300、250、200、150、100 hPa），而夏季没有等压面通过显著性检验。秋季通过显著性检验的等压面主要集中在中上层，和春季一样表现出中层（700、600、500、200、150、100、70 hPa）处风速下降的趋势，而高层（50、30、20、10 hPa）处风速呈现上升趋势的特征。冬季的风速都表现出减弱的趋势，而且分别分布在1 000、925、850、20、10 hPa处。总的来说，春季和秋季是变化趋势最明显的两个季节，夏季的风速几乎没有变化，而冬季的变化主要集中在最低层和最高层。

3.2 内蒙古不同厚度层的风速变化趋势

图2展示了1979—2019年内蒙古对流层中下层、对流层上层、平流层下层的平均风速和趋势。图中，黑色点实线为历年观测值，虚线为线性趋势。从图中可以看出，三层的风速都未表现出显著的变化趋势，但仅就图中所展示的趋势可见，对流层中下层和平流层下层都有轻微的下降趋势，而对流层上层则有轻微的上升趋势。这样的趋势和图1类似。从图2风速年分布可以看出，对流层中下层在1989年有一个明显的年平均风速高值，其值达到了11.72 m/s。而在其他年份，该层的风速变化范围主要在9～11 m/s波动。对于对流层上层，其风速范围主要在22～26 m/s波动，1990年前有三次相对偏高的年平均风速，而有一次相对偏低的年平均风速出现在2007年。平流层下层的变化幅度相对其他两个厚度层更大，总体风速在15～18 m/s波动，但有三次相对偏低的风速。

图3给出了1979—2019年各季节不同厚度层的年平均风速变化趋势。图中，TML表示对流层中下层，TT表示对流层上层，SL表示平流层下层;密实线柱代表通过90%信度检验，稀实线柱表示未通过90%信度检验。从其分布可以看出，通过了90%信度检验的厚度层风速变化趋势分别为：春季的对流层上层呈现上升趋势（0.076）;秋季的对流层中下层（-0.025）、对流层上层（-0.062）和平流层下层（-0.024）都呈现下降趋势。值得注意的是，只有春季，所有的风速都呈现显著或并不显著的上升趋势，而其他三个季节，风速都呈降低趋势。

4 结论

本文基于NCEP/NCAR Reanalysis II逐月风速资料，分析内蒙古高层风场变化趋势，得出以下结论。1979—2019年以来，内蒙古底层年平均风速（1 000、925、850、700 hPa）有显著降低的趨势，但变化较小。中层风速（400、300、250、200、150 hPa）有所增加，但是未通过0.1显著性水平检验。春季和秋季是变化趋势最明显的两个季节，夏季的风速几乎没有变化，冬季的变化主要集中在最低层和最高层。1979—2019年，内蒙古对流层中下层、对流层上层、平流层下层的年平均风速变化趋势都未通过0.1显著性水平检验。春季的对流层上层风速呈现上升趋势;秋季的对流层中下层、对流层上层和平流层下层的风速都呈现下降趋势。

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