浙江近海波浪能資源的初步研究

葉 欽，楊忠良，施偉勇

（國(guó)家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

0 引言

能源是人類生存和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，目前國(guó)際社會(huì)對(duì)加強(qiáng)開發(fā)既能緩解能源短缺又不對(duì)地球產(chǎn)生污染的新能源已形成共識(shí)，波浪能便是其中一種數(shù)量巨大、清潔、有利于人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的可再生新能源。

對(duì)波浪能的研究始于20世紀(jì)70年代，1975年，TOMKVIST［1］利用實(shí)測(cè)波浪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算了全球各地海洋沿岸波功率密度。1976年，PIERSO和SALFI［2］利用波浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式后報(bào)的12h1次的波浪數(shù)據(jù)，計(jì)算了北美洲西部沿岸的波功率密度。1977年，PANICKER［3］利用數(shù)值模式后報(bào)的北半球海洋的波浪數(shù)據(jù)，計(jì)算求得即時(shí)北半球海洋的總波功率為16.7×1012kW。1983年，馬懷書 等［4］采用氣候?qū)W方法，計(jì)算了我國(guó)近海和毗鄰海區(qū)的波浪能資源蘊(yùn)藏量。1984年，李陸平 等［5］利用黃海和渤海海面實(shí)況天氣圖資料，計(jì)算了渤、黃海波浪能資源蘊(yùn)藏量。1989年，王傳崑 等［6］利用全國(guó)55個(gè)波浪觀測(cè)代表站資料，對(duì)我國(guó)沿岸波浪能資源蘊(yùn)藏量進(jìn)行了最全面的估算。

浙江省是我國(guó)的海洋大省，其沿岸島嶼眾多，岸線資源豐富，同時(shí)蘊(yùn)含著豐富的波浪能資源，但由于目前對(duì)波浪的觀測(cè)尚非常有限，對(duì)其近海波浪能的計(jì)算與分析，僅停留在通過幾個(gè)波浪站觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估算。本文以2000年為例，采用數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)浙江近海海域進(jìn)行了全年連續(xù)模擬計(jì)算，并計(jì)算和統(tǒng)計(jì)了各時(shí)刻相應(yīng)波功率密度，以此對(duì)該海域波浪能資源的時(shí)空分布特征進(jìn)行了探討。

1 數(shù)值模擬方法及資料驗(yàn)證

1.1 風(fēng)場(chǎng)資料

本文采用QSCAT／NCEP混合風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為風(fēng)場(chǎng)資料，其空間范圍為88°S～88°N，180°W～180°E，空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間步長(zhǎng)為6h。QS－CAT／NCEP風(fēng)場(chǎng)具有相對(duì)較高的精度和時(shí)空分辨率，常被用作天氣過程波浪數(shù)值模擬的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)。

1.2 海浪模型及其檢驗(yàn)

本文選用荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)的第3代海浪模式——SWAN，它以波作用量平衡方程作為控制方程，模擬了波浪的風(fēng)輸入成長(zhǎng)機(jī)制，白冠破碎、底摩擦、深度誘導(dǎo)破碎等耗散機(jī)制，以及波波相互作用等。模型將風(fēng)場(chǎng)和邊界作為輸入條件，計(jì)算得到相應(yīng)各時(shí)刻每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的各波浪要素，即波高、周期和波向等。

本文采用2層嵌套技術(shù)（圖1），大區(qū)模擬范圍為10°～40°N、110°～140°E，分辨率為0.5°×0.5°，小區(qū)模擬范圍為26°～31°N、120°～124°E，分辨率為5′×5′，用SWAN模型對(duì)浙江省近海的波浪進(jìn)行模擬。

圖1 模型計(jì)算范圍示意圖Fig.1 Area of nested simulation grid

為了驗(yàn)證模型的可靠性，本文收集了東海18號(hào)浮標(biāo)（27.5°N、122.5°E）2006年8月8日2時(shí)—8月11日23時(shí)一次臺(tái)風(fēng)期間的實(shí)測(cè)資料，與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。由結(jié)果可見，模擬計(jì)算的有效波高Hs結(jié)果與浮標(biāo)資料吻合良好（圖2）。

本文以2000年（1月1日0時(shí)至12月31日23時(shí)）為例，根據(jù)上述模型設(shè)置進(jìn)行全年波浪計(jì)算，得到每6h輸出1次的各網(wǎng)格點(diǎn)有效波高和平均周期等波浪要素。

圖2 有效波高的模擬結(jié)果與東海18號(hào)浮標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果比較Fig.2 Comparison of significant wave heights of simulation results and observation data from DongHai No.18Buoy

2 波功率密度計(jì)算方法

本文參考2009年BEDARD［7］計(jì)算太平洋東部沿岸的波功率密度時(shí)，采用的美國(guó)EPRI（Electric Power Research Institute）［8］波浪資源評(píng)估公式，計(jì)算浙江近海的波功率密度：

式中：Pw為波功率密度，kW·m－1；Hs為有效波高，m；Tp為譜峰周期，s為平均周期，s。由Tp＝1.2的關(guān)系得到近似公式。

將數(shù)值模擬計(jì)算得到的2000年全年各時(shí)刻各網(wǎng)格點(diǎn)的有效波高和平均周期代入上述波功率密度Pw的計(jì)算公式，即得到對(duì)應(yīng)的波功率密度Pw（i，j，t）。

再將各網(wǎng)格點(diǎn)的波功率密度進(jìn)行全年和各月的時(shí)間平均，即可得到研究海區(qū)內(nèi)年平均和月平均波功率密度的空間分布：

式中：Nt為累積時(shí)間長(zhǎng)度，在這里表示累計(jì)輸出時(shí)刻總數(shù)。

選擇后文指定的空間范圍，將各時(shí)刻的Hs（i，j，t）（i，j，t）和Pw（i，j，t）進(jìn)行空間平均，即可得到在該空間范圍內(nèi)的平均有效波高、平均周期和波功率密度隨時(shí)間的變化：

式中：Ni和Nj分別為所選范圍內(nèi)x和y方向上的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)。上述3個(gè)量值在時(shí)間上一一對(duì)應(yīng)后即形成波功率密度隨波高和周期的聯(lián)合分布w（Hs，）。

將波浪分為不同等級(jí)，在不同級(jí)別的波高和周期范圍內(nèi)累加Pw（Hs，T）并除以累加個(gè)數(shù)Nt，即可得到相應(yīng)的波功率密度累積值（PHs·Tw）：

其與全年所有Hs和T范圍內(nèi)的Pw（Hs，T）累加值之比值，本文中暫稱其為波功率密度比。

3 浙江近海波功率密度特征

3.1 空間分布特征

根據(jù)上文所述計(jì)算方法，以2000年為例，首先分別對(duì)浙江近海年、月平均的波功率密度進(jìn)行空間分布分析（圖3～圖7），其中分別選擇4、7、10和1月作為春、夏、秋、冬四季的代表月?？傮w上浙江近海波功率密度分布具有以下特征：

（1）波功率密度外海大于近岸。近岸海域年均波功率密度一般為2～6kW·m－1，而外海海域則較大，一般在6kW·m－1以上，甚至可達(dá)十幾千瓦每米（圖3）。

圖3 浙江海域年平均波功率密度的空間分布（單位：kW·m－1）Fig.3 Distribution of the annual mean wave power of Zhejiang sea area（Unit：kW·m－1）

（2）海灣內(nèi)和海島間波功率密度較小。由于浙江省海岸線曲折漫長(zhǎng)，島嶼和海灣眾多，傳至近岸的波浪常因受水深變淺的影響和島嶼及陸地的阻擋，致使許多海灣和島嶼間的波功率密度均較小，一般不足2kW·m－1。另外，考慮到本文計(jì)算的分辨率，也不排除局部海區(qū)波功率密度較大的可能性。

（3）波功率密度季節(jié)變化較為明顯。由于浙江省海域處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，常年受季風(fēng)影響，波浪季節(jié)變化較為明顯。秋、冬季波功率密度較大，春、夏季較小。其中，外部海域波功率密度季節(jié)變化更為明顯，秋、冬季平均波功率密度最大可高達(dá)20kW·m－1以上，而春、夏季則遠(yuǎn)小于此值；近岸海域波功率密度季節(jié)變化相對(duì)較小，大多為2～6kW·m－1。

3.2 波功率密度隨波高和周期的聯(lián)合分布

許多波能裝置對(duì)波高和周期均具有較高的要求，為此有必要對(duì)波功率密度隨波高（Hs）和周期（T）變化的聯(lián)合分布進(jìn)行分析。為了便于比較分析，本文將浙江近海分為浙北、浙中和浙南3個(gè)海區(qū)（圖8），同時(shí)將有效波高和平均周期分別按照0.5m和0.5s間隔進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)。

圖8 浙北、浙中和浙南海區(qū)劃分圖Fig.8 Partition sketch map of three sea areas of Northern，Middle and Southern Zhejiang coastal waters

仍以2000年為例，首先統(tǒng)計(jì)出全年相應(yīng)波高和周期范圍內(nèi)波浪的出現(xiàn)頻率，然后按照前文所述方法統(tǒng)計(jì)相應(yīng)范圍內(nèi)的波功率密度比，在不同海區(qū)進(jìn)行比較分析（圖9～圖11）。其中a圖為各級(jí)波高和周期范圍內(nèi)波浪出現(xiàn)次數(shù)占全年所有波高和周期范圍內(nèi)總出現(xiàn)次數(shù)的百分比（波浪出現(xiàn)頻率），b圖為各級(jí)波高和周期范圍內(nèi)的波功率密度占全年所有波高和周 期范圍內(nèi)總波功率密度的百分比（波功率密度比）。

圖11 浙南海域波高和周期聯(lián)合分布（a）及波功率密度隨波高和周期的聯(lián)合分布（b）Fig.11 Joint distribution of wave height and period（a）and wave power joint distribution varied with wave height and period（b）in the sea area of Southern Zhejiang

由圖可見，各海區(qū)波功率密度比較大和波浪出現(xiàn)頻率較高的波高和周期范圍基本相近，但不完全一致。浙北海區(qū)波功率密度比在平均波功率密度為2～6kW·m－1的范圍內(nèi)較高，這與波浪出現(xiàn)頻率較高范圍較為吻合；浙中海區(qū)波功率密度比在平均波功率密度約為2～9kW·m－1的范圍內(nèi)較高，與波浪出現(xiàn)頻率較高的范圍基本符合；浙南海區(qū)波功率密度比在平均波功率密度約為4～16kW·m－1的范圍內(nèi)較高，與波浪出現(xiàn)頻率較高的范圍略有差異。

4 小結(jié)

浙江近海海域波浪能資源豐富，波功率密度總體分布由近岸向外海呈增大趨勢(shì)，近岸海域約為2～6kW·m－1，往外海逐漸增大。受季風(fēng)影響，波功率密度季節(jié)變化較為明顯，尤其是外海海域，秋、冬季平均功率密度最大可高達(dá)20kW·m－1以上，春、夏季則遠(yuǎn)小于此值；近岸海域波功率密度季節(jié)變化相對(duì)較小。

從波功率密度隨波高和周期的聯(lián)合分布看，波功率密度比和波浪出現(xiàn)頻率較高的波高和周期范圍基本相近，但不完全一致。其中浙北海區(qū)波功率密度比較高范圍和波浪出現(xiàn)頻率較高范圍較為接近，而其對(duì)應(yīng)平均波功率密度相對(duì)較低；浙南海區(qū)波功率密度比較高的范圍所對(duì)應(yīng)的平均波功率密度較高，而與波浪出現(xiàn)頻率較高的范圍則略有差異；浙中海區(qū)則介于兩者之間。

就資源開發(fā)而言，浙江近海各區(qū)域平均波功率密度普遍大于2kW·m－1，各海區(qū)波浪出現(xiàn)頻率和波功率密度比量值較高的范圍基本在1.0m≤Hs＜3.0m，2.5s≤T＜4.0s之間，是目前波浪能轉(zhuǎn)換裝置普遍所能吸收且能承受的波浪范圍，同時(shí)在該范圍內(nèi)波浪出現(xiàn)頻率與波功率密度比量值較高的波高和周期分布總體一致，即能量較大的波浪較多，由此可見浙江近海海區(qū)波浪能資源豐富且有利于開發(fā)與利用。

（References）：

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