乌拉特中旗1971—2019年风气候特征分析

徐艳琴

（内蒙古气象信息中心，呼和浩特 010000）

近年来，随着极端气象事件的发生及气候资源的逐渐开发利用，国内外学者对近地层地表风的气候变化特征的关注越来越多. 如Pirazzoli和Tomasin探究地中海中部和亚得里亚海地区的近地表风速风向变化趋势，发现1951—1970年风的活动在减少，之后呈增加趋势［1］；Tuller等研究了加拿大西海岸地区的四个站点风速变化趋势，结果表明20世纪中后期加拿大西海岸大部分地区风速呈下降趋势［2］；Klink发现，美国明尼苏达州大多数气象观测站的年平均风速在20世纪60年代初到90年代中期呈下降趋势［3］；任国玉、王遵娅、Xu Ming等研究发现，我国的年平均风速存在显著减小的趋势，主要减小区域为西北、内蒙古、东北中南部地区［4-7］.在区域尺度上，韩柳、田莉等发现，近50 a中国北方地区的平均风速呈显著减小趋势，其中准噶尔盆地、高原东北部、内蒙古中部和东北平原的平均风速减小趋势最显著［8-9］；田莉、丁彩霞、罗万琦等的研究表明，西北地区风速呈下降趋势，存在局部突变［10-12］；甄敬、贾诗超、许超宗、刘强吉等对新疆地区平均风速、极大风速等进行了研究，发现其风速随时间变化趋势与全国风速变化趋势一致［13-16］；张宇、郭春燕等发现，内蒙古年平均风速、逐日最大风速均呈减小趋势，全区最大风速高值区为阿拉善东北部—巴彦淖尔市西北部［17-18］.

乌拉特中旗风能资源丰富，其风能资源占内蒙古有效风能资源的四分之一，是内蒙古自治区3个国家百万千瓦风电基地之一，也是重点畜牧业和重要农业区之一. 然而该地区气候干旱少雨，地表植被稀疏、土壤结构松散，在春秋季节大风和沙尘暴频发，给当地农牧区带来严重的经济损失. 本文基于乌拉特中旗1971—2019年风速、风向数据，对1971—2019年平均风速（2 min风速）、最大风速（逐日最大风速）、大风（日最大风速≥17.0 m·s-1）及风向变化规律进行探究，以期为乌拉特中旗风能资源开发利用、沙尘防治、工业厂区选址等领域提供参考.

1 数据与方法

1.1 研究区概况

乌拉特中旗位于中蒙边境交界处，地处内蒙古巴彦淖尔市东北部，地理坐标：107°16′E～109°42′E，41°07′N～41°28′N. 该研究区属大陆性干旱气候区，气候差异较大，具有高原寒暑剧变的特点，四季分明，夏季短促，冬季漫长，春季干燥多风，秋季温和凉爽；年均气温5.8 ℃，年最高气温38.7 ℃，年最低气温-29.1 ℃；年平均降水量198.6 mm，降水主要集中在夏季（7—8 月），多阵雨；年均日照时数3 100.2 h，年均日照百分率71%.

1.2 数据来源

依据气象数据的连续性及最长时段性等标准，选取乌拉特中旗国家气象站1971—2019 年的2 min 风速风向和日最大风速风向数据，所用气象数据来源于内蒙古自治区气象信息中心. 季节划分为春季（3—5 月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—翌年2月）.

1.3 研究方法

线性趋势分析［19］是气象上最常用的气象要素趋势分析方法，公式为：

式中：b为常数；a 为气候倾向率，即回归系数，a 的正负代表气象要素在计算时间内线性增加或减少，自变量x 为时间.

Mann-Kendall（M-K）检验法［20］是世界气象组织推荐并已经广泛运用于气象数据时间序列突变的一种非参数检验方法，该方法计算迅速、不受少数异常值干扰，也不需要样本遵从一定的分布.

2 结果分析

2.1 平均风速

2.1.1 平均风速特征分析 对乌拉特中旗近1971—2019年各月平均风速（图1（a））进行统计分析发现，乌拉特中旗平均风速年内变化呈明显双峰状分布，3—6 月和9—11月为波峰. 平均风速最大值出现，在4月，达到4.2 m·s-1，之后出现明显的减弱，最低值出现在1月，仅为2.9 m·s-1. 统计乌拉特中旗各季节平均风速可发现春季平均风速最大，为4.1 m·s-1，冬季平均风速最小，为3.0 m·s-1，四季平均风速的大小顺序为：春季＞夏季＞秋季＞冬季.

由图1（b）可见，近1971—2019年以来，乌拉特中旗平均风速整体呈下降趋势，每10 a减少5.1 m·s-1，最大值出现在1972年，最小值出现在2019年，多年平均值为3.7 m·s-1，波动范围为2.6～5.2 m·s-1. 图2给出了1971—2019年乌拉特中旗平均风速距平变化，可见平均风速的减弱趋势有显著的年代际波动，20 世纪70年代到90年初期，风速为正距平，之后转为负距平，转折前后风速增强和减弱的速率明显减小.

应用M-K突变检验法检测近1971—2019年乌拉特中旗平均风速时间序列的突变，给定显著性水平α=0.05（图略）. M-K检验结果与线性趋势结果一致，均呈明显减小趋势，1971—1973年平均风速呈不显著（P＞0.05）局部上升趋势，1977—1981年降幅显著（P＜0.05），1982年后降幅极显著（P＜0.01），1994年出现突变点.

图1 乌拉特中旗1971—2019年平均风速年内、年际变化Fig.1 Intra-year and inter-annual changes in average wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

图2 乌拉特中旗1971—2019年平均风速距平图Fig.2 Average wind speed anomaly in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

图3 乌拉特中旗1971—2019年平均风速玫瑰图Fig.3 Wind rose illustration of average wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

2.1.2 平均风向特征分析 依据16方位风向资料，从近1971—2019年平均风向年频率分布来看（图3），乌拉特中旗全年平均风向以S 为主，占总风向的11.32%，其次为NNE、NW、NE、NNW、SSW，出现频率分别为9.90%、9.49%、9.38%、8.79%、8.55%. 从季节来看（图4），春季以NNE 和NW 风为主，冬季以NW 风为主，夏季、秋季主导风向为S，这是由于乌拉特中旗处于中温带大陆性季风气候区，夏季受温带海洋气团影响，冬季受强大的西伯利亚大陆冷高压控制，因而夏季以偏南风为主，冬季以偏西北风为主.

2.2 最大风速

2.2.1 最大风速特征分析 乌拉特中旗1971—2019 年最大风速各月变化图（图5（a））显示，乌拉特中旗近1971—2019年的最大风速年内变化明显，其中：最大风速最大为5月，为9.3 m·s-1；4月次之，为9.2 m·s-1；最低值出现在1 月，仅为6.3 m·s-1，比5 月风速偏小32%；其他各月在6.4～8.3 m·s-1之间.

图4 乌拉特中旗1971—2019年各季度平均风速玫瑰图Fig.4 Wind rose illustration of average wind speed of the different seasons in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

从各季节来看，春季最大风速为9.0 m·s-1，夏季最大风速为7.9 m·s-1，秋季最大风速为7.0 m·s-1，冬季最大风速为6.6 m·s-1，在一年之中，春季风速最大，冬季风速最小.

由图5（b）可见，近1971—2019年以来，乌拉特中旗最大风速的年际变化曲线呈波动减小的趋势，线性倾向率为7.8 m·s-1·10 a-1，最大值（9.8 m·s-1）与最小值（3.9 m·s-1）出现年份同平均风速的最大最小值出现年份一致. 对近1971—2019年以年，乌拉特中旗最大风速进行距平分析（图6）可以发现，年最大风速可分为明显偏强期、明显偏弱期、一般偏强期及一般偏弱期. 1972—1981 年为明显偏强期，均为正距平分布，2002—2019年为明显偏弱期，均为负距平分布，明显偏强期年均最大风速均较近1971—2019年的年均最大风速偏强15%～29%，明显偏弱期的年均最大风速均较近1971—2019年的年均最大风速偏弱10%～23%. 1981—1991年、1993—1994年为一般偏强期，1992年、1995—2001年则为一般偏弱期.

图5 乌拉特中旗1971—2019年最大风速年内、年际变化Fig.5 Intra-year and inter-annual changes of maximum wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

图6 乌拉特中旗1971—2019年最大风速距平变化图Fig.6 Maximum wind speed anomaly in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

1971—2019 年乌拉特中旗最大风速的M-K 突变检验结果（图略）表明：1971—1973 年最大风速呈不显著（P＞0.05）局部上升趋势，1980—1981年降幅显著，1982年后降幅极显著，1993年发生突变，其结果与巴彦淖尔市年均最大风速突变年限为2000年以后的结论不一致，说明在大尺度范围上，风速变化存在着显著的空间差异［17］.

2.2.2 最大风速的风向特征分析 1971—2019年最大风速的风玫瑰图（图7）表明，乌拉特中旗全年最大风速的风向以NW、S、WNW为主，出现的频率分别为15.69%、14.43%、12.94%，其次为SSW和NNW，而E方向上风频率最少，仅占所有风向的0.55%. 从季节风玫瑰图（图8）来看，春季最大风速的主导风向为WNW，夏、秋、冬季的主导风向分别为S、S、NW.

图7 乌拉特中旗1971—2019年最大风速玫瑰图Fig.7 Wind rose illustration of maximum wind speed in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

2.3 大风

2.3.1 大风日数特征分析 1971—2019 年乌拉特中旗共出现大风日286 d，统计各月大风日数出现情况（图9（a））可以得出：大风主要集中发生在春季，3—5月大风日数占全年大风总日数的50.70%，8月大风最少发生，仅出现6 d.

从大风日数逐年变化图（图9（b））来看，1971—2019年大风日数呈现显著减小趋势，其M-K突变检测结果显示1982年发生突变. 大风日数变化可分为3个阶段：1971—1983年大风日数出现较多，年大风日数均大于10 d；1981—1994年平均大风日数仅为5 d；1995—2019年几乎无大风出现. 这种变化形势与乌拉特中旗气象观测站周围环境变化有关.

图8 乌拉特中旗1971—2019年最大风速各季度风玫瑰图Fig.8 Wind rose illustration of maximum wind speed of the different season in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

图9 乌拉特中旗1971—2019年大风出现日数年内、年际变化Fig.9 Intra-year and inter-annual changes of gale days in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

2.3.2 大风风向特征分析 统计大风发生时的风向（表1）可以发现，大风主导风向为偏西北风（WNW、NW、NNW），其中NW出现次数最多，占所有风向的44.06%，加上NNW和WNW，共占到所有风向的86%，而偏东风（ENE、E、ESE、SE）没有出现.

表1 乌拉特中旗1971—2019年大风风向频率Tab.1 Frequency of gale direction in Urat Zhongqi from 1971 to 2019

3 结论与讨论

1）乌拉特中旗平均风速年内变化呈双峰状分布，四季平均风速从大到小依次为春、夏、秋、冬，年际变化呈逐年振荡减小趋势，且在20世纪90年代以后发生突变，全年平均风向以S为主.

2）乌拉特中旗最大风速年内最大值出现在5月，最小值出现在1月. 季节变化呈春季最大、冬季最小，年际变化以0.8 m·s-1·a-1的速率逐年减小，于1993年发生突变，突变前后风速距平变化幅度明显减小，最大风速的全年主导风向为NW.

3）逐年大风日数的年际变化先剧烈后平缓，整体呈现减小趋势，1995—2019年几乎无大风出现. 季节变化呈春冬多、夏秋少，4月大风日数出现最多，8月最少. 大风主导风向为偏西北风.

风速风向与农业生产、能源开发、城市布局关系密切. 本文对乌拉特中旗风速风向的气候特征和突变特点进行了分析. 从分析结果看，风速风向的变化特征主要受季节交替、周围环境变化等因素的影响. 为进一步明确风速气候突变的原因，下一步工作将从土地利用、植被覆盖变化与风的定量关系出发，结合区域站和其他站数据，综合研究乌拉特中旗风速风向时空分布特征及变化原因.