基于SWAN模式的近10年南海北部波浪能資源研究*

鄭崇偉，鄭宇艷，陳洪春

(1.92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧大連 116041;2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，南京 211101;3.四川宜賓江安縣新振學(xué)校，四川宜賓 644221)

基于SWAN模式的近10年南海北部波浪能資源研究*

鄭崇偉1，2，鄭宇艷3，陳洪春3

(1.92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧大連 116041;2.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，南京 211101;3.四川宜賓江安縣新振學(xué)校，四川宜賓 644221)

利用QN(QuikSCAT/NCEP)混合風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)第三代海浪數(shù)值模式SWAN(Simulating Waves Nearshore)，得到中國(guó)南海北部1999年8月—2009年7月的海浪場(chǎng)，對(duì)該海域的波浪能資源進(jìn)行綜合分析，研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)南海北部海域蘊(yùn)藏著豐富的、適宜開(kāi)發(fā)的波浪能資源．

QN混合風(fēng)場(chǎng);SWAN;波浪能資源

R.Tornkvist［1］、K.Hulls［2］在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)利用有限的大洋船舶報(bào)資料和浮標(biāo)資料，分析了全球海洋沿岸波浪能資源的分布，他們的研究指出全球海域波浪能的富集區(qū)主要分布于北大西洋、太平洋東北部北美西海岸、澳大利亞南部沿岸以及南非的西南部沿岸等海域，而中國(guó)則屬于波浪能資源的貧乏區(qū)．任建莉等［3］在2008年對(duì)浙江嵊山海域的波浪資源進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域適合波浪資源的開(kāi)發(fā)與利用，王傳崑等［4］利用有限的觀測(cè)資料對(duì)中國(guó)的波浪能資源進(jìn)行過(guò)研究，前人的工作對(duì)中國(guó)波浪能的開(kāi)發(fā)和利用起到了巨大的推動(dòng)作用．本研究利用國(guó)際上較為先進(jìn)的第三代近岸海浪數(shù)值模式SWAN，對(duì)南海北部海域1999年8月—2009年7月的海浪場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到了較為精細(xì)、長(zhǎng)時(shí)間序列海浪資料，進(jìn)而對(duì)該海域的波浪能資源進(jìn)行精細(xì)化研究，為海浪發(fā)電的選址提供參考．海浪發(fā)電可提高邊遠(yuǎn)海島電力自給能力，且一般海島生態(tài)脆弱［5-6］，海洋能具有無(wú)污染、可再生、儲(chǔ)量大、分布廣的優(yōu)點(diǎn)，海浪發(fā)電必將發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)．

1 資料簡(jiǎn)介

1.1 風(fēng)場(chǎng)資料

本研究將QN混合風(fēng)場(chǎng)用作SWAN模式的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，所謂QN混合風(fēng)場(chǎng)是對(duì)QuikSCAT(衛(wèi)星散射計(jì))觀測(cè)數(shù)據(jù)和NCEP(全球天氣中心)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空混合分析的結(jié)果，其空間范圍為:88°S～88°N，經(jīng)度0°～360°，時(shí)間范圍從1999年8月—2009年7月，空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間分辨率為6小時(shí)．QN風(fēng)場(chǎng)具有很高的精度和時(shí)空分辨率，被廣泛用作模擬天氣過(guò)程的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)［7-8］．

1.2 實(shí)測(cè)海浪資料

隨著海洋探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星資料反演的有效波高誤差在10%以內(nèi)［9-10］．TOPEX/Poseidon(簡(jiǎn)稱T/P)高度計(jì)反演的有效波高常被視為實(shí)測(cè)資料，用作與模擬的有效波高進(jìn)行比較［11-12］．本研究將T/P高度計(jì)反演的有效波高用于模式的資料驗(yàn)證．

2 模擬方法及資料驗(yàn)證

2.1 模式簡(jiǎn)介

SWAN模式是荷蘭Delft理工大學(xué)在WAM模式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，通常用于近岸、湖泊以及江河口區(qū)［13］．

在笛卡爾坐標(biāo)系下，其控制方程通常采用如下形式:

式 (1)中，以二維波作用量N來(lái)描述隨機(jī)海浪場(chǎng)，θ為波向，cx、cy分別為x方向和y方向上的傳播速度，cθ為波向空間的群速度，cσ為頻率空間的群速度，S為源函數(shù)，它包括風(fēng)能輸入的線性增長(zhǎng)和指數(shù)增長(zhǎng)、白冠破碎引起的能量耗散、底摩擦耗散、波浪深度誘導(dǎo)破碎、三階波－波相互作用和四階波－波相互作用．近岸海浪由于海底地形復(fù)雜多變，因此一般需要考慮三波和四波之間的相互作用．SWAN模式中加入了淺水效應(yīng)處理方程，提高了模式在淺水海域的模擬能力［14］．且前人的研究也表明SWAN模式對(duì)中國(guó)近海的海浪具有較好的模擬能力［8，15-17］，因此本研究選擇SWAN模式對(duì)南海北部近10年的海浪場(chǎng)進(jìn)行模擬．

2.2 模擬方法及資料驗(yàn)證

選取計(jì)算范圍:15°N～26°N，105°E～126°E，計(jì)算時(shí)間為1999年08月01日00:00時(shí)至2009年07月31日18:00時(shí)，空間分辨率取0.25°×0.25°，模式計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取為900 s，每3小時(shí)輸出一次結(jié)果．

前人的研究表明SWAN模式對(duì)中國(guó)近海的海浪具有較好的模擬能力［8，15-17］，因此本研究?jī)H隨機(jī)選取了2個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)程和2個(gè)冷空氣過(guò)程來(lái)做資料驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)模擬的有效波高精度較高，在此不列出具體驗(yàn)證過(guò)程．

3 波浪能資源研究

本研究的波浪能流密度計(jì)算方法參考了美國(guó)EPRI(Electric Power Research Institute)［18］和Roger［19］的波浪資源評(píng)估算法．

式 (2)中，Pw為波浪能流密度，H1/3為有效波高 (1/3部分大波平均波高)，Tp為譜峰周期，為平均周期，Tp=1.2將模擬的海浪場(chǎng)數(shù)據(jù)代入公式 (2)，得到1999年08月01日—2009年07月31日逐3小時(shí)的波浪能流密度，對(duì)該海域近10年的能流密度做季節(jié)平均和年平均，分析南海北部海域能流密度的季節(jié)特征．

3.1 波浪能資源的四季分布特征

無(wú)論 MAM(March，April，May)、JJA(June，July，August)、SON(September，October，November)、DJF(December，January，F(xiàn)ebruary)還是年平均，南海北部能流密度的大值區(qū)均大致呈東北—西南走向，帶狀分布，中部海域大于近岸海域，其中高雄附近海域和北部灣海域常年為能流密度的相對(duì)低值區(qū)．傳統(tǒng)的估計(jì)中國(guó)波浪能流密度在2～7 kW/m左右［4］，由圖1可以看出中國(guó)波浪能資源的實(shí)際蘊(yùn)藏量大于傳統(tǒng)的估計(jì)值．MAM期間能流密度為全年最低，約3～7 kW/m;JJA期間約5～7 kW/m;SON則明顯增大，大部分海域能達(dá)到8～22 kW/m;DJF為全年最大，約12～30 kW/m．總的來(lái)看，大部分海域的年平均能流密度能達(dá)到6～20 kW/m．

圖1 南海北部海域MAM(a)，JJA(b)，SON(c)，DJF(d)期間及年平均 (e)波浪能流密度/kW·m－1Figure 1 Characteristics of wave energy density in MAM(a)，JJA(b)，SON(c)，DJF(d)and the annual(e)in the northern South China Sea

3.2 能級(jí)頻率

在波浪能資源的開(kāi)發(fā)與利用中，能級(jí)頻率是衡量波浪能資源豐富程度的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，通常認(rèn)為能流密度＞2 kW/m時(shí)為可用［3，20］，＞20 kW/m時(shí)為富集區(qū)［20］，本研究利用模式輸出的1999—2009年逐3小時(shí)的海浪資料，對(duì)能流密度＞2 kW/m出現(xiàn)的頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)．由圖2可見(jiàn)，南海北部大部分海域2 kW/m出現(xiàn)的頻率在4個(gè)代表月中都比較高，4月份相對(duì)較低，但也都在35%以上，7月份大部分海域在60%以上，1月和10月出現(xiàn)頻率更是達(dá)到80%以上．

圖2 1月 (a)、4月 (b)、7月 (c)、10月 (d)南海北部海域波浪能流密度≥2 kW/m出現(xiàn)的頻率/%Figure 2 Frequency of wave energy density larger than 2 kW/m in January(a)，April(b)，July(c)，October(d)in the northern South China Sea

3.3 波能資源開(kāi)發(fā)的有效時(shí)間

為了更加合理地分析波浪能資源開(kāi)發(fā)的利用率，本研究定義了波浪能開(kāi)發(fā)的有效時(shí)間——某一時(shí)刻，如果同時(shí)滿足波高在0.2～4 m之間，風(fēng)速小于13.9 m/s(7級(jí))，波浪能流密度＞2 kW/m，則將該時(shí)刻視為波浪能資源開(kāi)發(fā)的有效時(shí)間．目前，上海有關(guān)部門已研制成功波高0.2 m的情況下就能發(fā)電的發(fā)電裝置［21］，波高＞4 m會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的破壞力，往往導(dǎo)致儀器損毀，因此本研究選擇波高范圍在0.2～4 m之間;由于7級(jí)以上大風(fēng)具有較強(qiáng)的破壞力，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備的損壞甚至損毀，因此本研究選擇風(fēng)速范圍在7級(jí)以下;通常認(rèn)為波浪能流密度＞2 kW/m時(shí)才可用于發(fā)電［3，18］，因此本研究對(duì)能流密度也作了限制．

利用模式輸出的1999年8月—2009年7月逐3小時(shí)的海浪數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了南海北部海域有效時(shí)間出現(xiàn)的頻率，詳見(jiàn)圖3．海南島至呂宋島之間的海域?yàn)橛行r(shí)間的高頻海域，能達(dá)到65%以上，臺(tái)灣海峽在50%左右，北部灣最低，幾乎都在30%以下．由此可見(jiàn)，中國(guó)南海北部海域半數(shù)以上的時(shí)間為海浪發(fā)電的有效時(shí)間，利于開(kāi)展波浪發(fā)電．

4 結(jié)論

圖3 1999年8月—2009年7月南海北部海域波浪能資源開(kāi)發(fā)的有效時(shí)間出現(xiàn)的頻率/%Figure 3 Frequency of significant interval from August 1999 to July 2009 in the northern South China Sea

1)南海北部能流密度的大值區(qū)大致呈東北—西南走向，帶狀分布，中部海域大于近岸海域，其中高雄附近海域和北部灣海域常年為能流密度的相對(duì)低值區(qū)．大部分海域的年平均能流密度能達(dá)到 6～20 kW/m，大于傳統(tǒng)估計(jì)值．

2)南海北部能流密度＞2 kW/m出現(xiàn)的頻率整體較高，4月份相對(duì)較低，但也都在35%以上，7月份大部分海域在60%以上，1月和10月出現(xiàn)頻率更是達(dá)到80%以上．

3)南海北部海域半數(shù)以上的時(shí)間為海浪發(fā)電的有效時(shí)間，利于海浪發(fā)電．海南島至呂宋島之間的海域?yàn)橛行r(shí)間的高頻海域，能達(dá)到65%以上，臺(tái)灣海峽在50%左右，北部灣最低，幾乎都在30%以下．

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Research on Wave Energy Resources in the Northern South China Sea during Recent 10 Years Using SWAN Wave Model

ZHENG Chong-wei1，2，ZHENG Yu-yan3，CHEN Hong-chun3
(1．12 Unit，NO.92538 Army，116041，Dalian，Liaoning，China;2．Institute of Meteorology，PLA Univ.of Sci.＆ Tech.，211101，Nanjing，China;3．Xinzhen School in Sichuan Province，644221，Yibin，Sichuan，China)

The third-generation wave model SWAN(Simulating Waves Nearshore)was used to simulate the wave field in the northern South China Sea from August 1999 to July 2009 with wind input of QN(QuikSCAT/NCEP)blended wind field．Characteristics of wave energy resources were analyzed，by which it is found that the sea area is rich in wave energy resources suitable for the development of power generation from wave．

QN blended wind field;SWAN;wave energy resources

P743;TK7

A

1673-7105(2011)02-0054-06

2011-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (41076048)

鄭崇偉 (1983—)，男，四川宜賓人，碩士研究生，主要從事海氣相互作用研究， (E-mail)zhengzhang.xia@163.com．