近45年南海-北印度洋波浪能資源評估

鄭崇偉, 李訓(xùn)強, 潘 靜

(1. 解放軍理工大學(xué) 氣象學(xué)院, 江蘇 南京 211101; 2. 92538部隊氣象臺, 遼寧 大連 116041; 3. 中國科學(xué)院大氣物理研究所, 大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室, 北京 100029)

近45年南海-北印度洋波浪能資源評估

鄭崇偉1,2, 李訓(xùn)強1, 潘 靜3

(1. 解放軍理工大學(xué) 氣象學(xué)院, 江蘇 南京 211101; 2. 92538部隊氣象臺, 遼寧 大連 116041; 3. 中國科學(xué)院大氣物理研究所, 大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室, 北京 100029)

利用ERA-40海表10 m風(fēng)場驅(qū)動第三代海浪數(shù)值模式(WAVEWATCH-, Ⅲ簡稱WW3), 得到南海–北印度洋1957年9月~2002年8月的海浪資料, 計算該海域的波浪能, 分析波浪能流密度的四季分布特征、不同能級出現(xiàn)的頻率及波浪能流密度的穩(wěn)定性, 為海浪發(fā)電、海水淡化等選址提供依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn), 南海–北印度洋海域蘊藏著較為豐富的波浪能: (1)南海–北印度洋大部分海域的年平均波浪能流密度在2 kW/m以上, 大值區(qū)位于南海、孟加拉灣、索馬里附近海域。(2)南海–北印度洋海域波浪能流密度大于2 kW/m和大于4 kW/m出現(xiàn)的頻率都較高。(3)南海–北印度洋的波浪能流密度具有較好的穩(wěn)定性, 春季、秋季、冬季的穩(wěn)定性好于夏季, 南海的穩(wěn)定性好于北印度洋。

風(fēng)場驅(qū)動第三代海浪數(shù)值模式(WAVEWATCH-Ⅲ); 南海; 北印度洋; 波浪能; 能流密度; 穩(wěn)定性

1 研究背景

南海–北印度洋是全球重要的海上能源通道, 有著許多海上戰(zhàn)略通道, 是世界上最為繁忙的海上貿(mào)易通道之一, 具有重要的經(jīng)濟和軍事戰(zhàn)略意義, 而且儲有豐富的波浪能。在環(huán)境和資源嚴重困擾人類、全球眾多國家和地區(qū)都面臨能源危機的今天, 發(fā)展清潔能源是必然選擇, 這也是為應(yīng)對氣候變化, 各個國家采取的共同戰(zhàn)略之一。任建莉等[1-2]對嵊山海域的波浪資源進行過評估, Roger[3]在2009年通過風(fēng)場驅(qū)動第三代海浪數(shù)值模式(WAVEWATCH-III模式,簡稱 WW3)成功預(yù)報了太平洋東海岸的波浪能功率密度, 但國內(nèi)外對南海–印度洋波浪能的研究較少,研究也指出波浪能較其他清潔能源更具優(yōu)勢[4-5]。本文通過精確計算, 得到該海域長時間序列的海浪資料, 分析該海域的波浪能特征。海洋能的開發(fā)主要有兩個難點: 第一, 選址; 第二, 海洋能轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)置的轉(zhuǎn)換效率。本文主要分析了南海–北印度洋的波浪能特征, 可為海浪發(fā)電的選址提供依據(jù)。

2 資料簡介

ERA-40 海表10 m風(fēng)場來自ECMWF(歐洲中期天氣預(yù)報中心——European Centre for Medium-Range Weather Forecasts), 其時間分辨率為6 h, 空間分辨率為2.5°×2.5°。該數(shù)據(jù)的空間范圍覆蓋全球,時間范圍從1957年9月1日00:00~2002年8月31日18:00。

3 模擬方法及資料驗證

以 ERA-40海表風(fēng)場驅(qū)動 WW3, 計算范圍為10°S～30°N, 40°E～140°E, 地形分辨率取 0.5°×0.5°,計算時間從1957年9月1日00:00~2002年8月31日18:00。積分步長900 s, 每3 h輸出一次結(jié)果, 模擬的海浪資料已經(jīng)過梅勇等與ICOADS對比檢驗[6],精度較高, 前人的研究也表明WW3模式對大洋海浪具有較好的模擬能力[7-8], 在此不再重復(fù)驗證過程。

4 波浪能特征分析

4.1 波浪能的季節(jié)特征

本文采用美國EPRI(Electric power research institute)波浪資源評估的公式[9], 單位波峰寬度的波浪功率為:

式(1)中:H1/3為有效波高,Tp為譜峰周期,T為平均周期,Tp= 1 .2T。

在波浪能的評估中, 通常認為能流密度大于2 kW/m時為可用[1-2]。從圖1可以看出, 南海–北印度洋具有豐富的波浪能。春季, 波浪能流密度的大值區(qū)主要集中在: 南海大部分海域(約2~2.5 kW/m)、孟加拉灣大部分海域(約2 kW/m)、斯里蘭卡東部和東南部海域(約 2~2.5 kW/m)、索馬里附近海域(約 2 kW/m), 幾個大值中心的波浪能流密度大小較接近;夏季, 大值區(qū)主要集中在: 南海(約3~5 kW/m)、孟加拉灣海域(約10 kW/m)、阿拉伯海(約10~50 kW/m);秋季, 北印度洋的波浪能流密度基本都集中在 2~4 kW/m, 南海較大, 在 2~12 kW/m 左右; 冬季, 北印度洋的波浪能流密度基本都集中在2~4 kW/m, 此時南海的波浪能流密度為全年最大, 在4~18 kW/m左右; 年平均, 三個大值中心: 阿拉伯海(約 6~14 kW/m)、孟加拉灣(約 4 kW/m)、南海(約 4~8 kW/m)。從區(qū)域來看, 北印度洋在春季、秋季、冬季的波浪能流密度大小相近, 約 2 kW/m 左右, 夏季最大, 在10~50 kW/m左右; 南海的波浪能流密度則是春夏秋冬逐漸遞增的, 春季最小, 約 2~2.5 kW/m, 冬季為全年最大, 約4~18 kW/m。

4.2 不同等級波浪能出現(xiàn)頻率

在波浪能的評估中, 能流密度不同能級出現(xiàn)的頻率是衡量能量豐富程度的一個重要指標, 是波浪發(fā)電選址的重要參考依據(jù)之一。通常認為大于2 kW/m視為可用[10-11], 本文對1957~2002年逐3 h的能流密度進行統(tǒng)計, 發(fā)現(xiàn)大于 2 kW/m和大于4 kW/m出現(xiàn)的頻率較高, 波能蘊藏豐富。由圖2可見, 大于 2 kW/m出現(xiàn)頻率較高的海域主要集中在:南海中部(50%左右), 斯里蘭卡東部和東南部海域(50%~55%左右), 索馬里附近海域(50%~60%左右), 赤道中印度洋相對較低, 在 30%左右; 大于4 kW/m的分布情況與大于2 kW/m的分布較接近。

4.3 波浪能的穩(wěn)定性

波浪能的開發(fā)利用不僅僅關(guān)注一定等級能流密度出現(xiàn)的頻率, 更關(guān)注能流密度的穩(wěn)定性, 越是穩(wěn)定越有利于波浪能的采集與轉(zhuǎn)換, 在不穩(wěn)定的情況下可能會對發(fā)電設(shè)備造成損壞, 甚至損毀。本文通過計算每個網(wǎng)格點不同月份的變異系數(shù)來判斷波浪能流密度在不同月份的穩(wěn)定性, 變異系數(shù)越小穩(wěn)定性越好(見圖3)。變異系數(shù)的計算方法如下:

式(2)中:Cv為變異系數(shù),S為標準差:

圖1 南海–北印度洋近45年春、夏、秋、冬季平均及年平均波浪能流密度Fig. 1 Distributions of wave energy density in spring,summer, autumn, winter, and annual average

圖2 波浪能流密度能級頻率Fig. 2 Frequency of wave energy density

圖3 南海–北印度洋近45年的1月、4月、7月、10月波浪能流密度的變異系數(shù)Fig. 3 Distributions of Coefficient of variation of wave energy density in January, April, July, and October

北印度洋波浪能流密度的穩(wěn)定性: 春季, 穩(wěn)定性較好, 大部分海域波浪能流密度的變異系數(shù)都在0.6以下; 夏季的穩(wěn)定性為全年最差, 這應(yīng)該是由于夏季該海域經(jīng)常遭受熱帶氣旋侵襲造成的, 孟加拉灣和索馬里附近海域的穩(wěn)定性最差, 其余海域穩(wěn)定性相對較好; 秋季的穩(wěn)定性為全年最好, 變異系數(shù)基本都在0.3以下; 冬季的穩(wěn)定性也較好, 大部分海域的變異系數(shù)在0.6以下, 阿拉伯海東部海域穩(wěn)定性稍差, 變異系數(shù)在0.8左右。

南海波浪能流密度的穩(wěn)定性: 南海波浪能流密度四季都較穩(wěn)定, 春季、秋季、冬季波浪能流密度的變異系數(shù)基本都在0.4以下, 夏季相對稍差, 變異系數(shù)約0.3~0.6。

總的來看, 南海–北印度洋波浪能流密度的穩(wěn)定性都比較好, 南海的穩(wěn)定性好于北印度洋, 春季、秋季、冬季的穩(wěn)定性好于夏季。

5 結(jié)論

(1)南海–北印度洋的波浪能流密度具有三個明顯的大值中心: 南海、斯里蘭卡東部海域、索馬里附近海域。北印度洋在春季、秋季、冬季的波浪能流密度大小相近, 約 2 kW/m 左右, 夏季最大, 在10~50 kW/m左右; 南海的波浪能流密度則是春夏秋冬逐漸遞增的, 春季最小, 約 2~2.5 kW/m, 夏季約3~5 kW/m, 秋季在2~12 kW/m左右, 冬季為全年最大, 約4~18 kW/m。(2)整個南海–北印度洋海域波浪能流密度大于2 kW/m和大于4 kW/m出現(xiàn)的頻率都較高, 有利于波浪能資源的開發(fā)利用。(3)南海–北印度洋的波浪能流密度具有較好的穩(wěn)定性, 春季、秋季、冬季的穩(wěn)定性好于夏季, 南海的穩(wěn)定性好于北印度洋。(4)南海–北印度洋大部分海域蘊藏著較為豐富的波浪能, 且穩(wěn)定性好, 選擇合適的海域進行海浪發(fā)電、海水淡化等波浪能資源開發(fā)工作將具有廣闊的前景。

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Wave energy analysis of the South China Sea and the North Indian Ocean in recent 45 years

ZHENG Chong-wei1,2, LI Xun-qiang1, PAN Jing3
(1. Institute of Meteorology, People's Liberation Army University of Science＆Technology, Nanjing 211101, China;2. 12 Unit, NO.92538 Army of People's Liberation Army, Dalian 116041, China; 3. National Key Laboratory of Numerical Modelling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics, the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

Sep.,25,2010

WW3(WAVEWATCH-Ⅲ); the South China Sea; the North Indian Ocean; wave energy; wave energy density; stability

The third-generation wave model WAVEWATCH-Ⅲ (W W3)was used to simulate the wave from 1957 to 2002 with the input of ERA-40 wind data in the South China Sea and Indian Ocean. The primary characteristics of wave energy were calculated. The South China Sea and North Indian Ocean were rich in wave energy; We found(1) wave energy density in most areas was larger than 2 kW/m, large areas located in the South China Sea, Bengalese Gulf and waters around Somali; (2) frequency of wave energy density > 2 kW/m was high; (3) the wave energy density in the South China Sea and North Indian Ocean had good stability, the stability in spring, autumn and winter being better than that in summer and the stability in the South China Sea being better than that in the North Indian Ocean.

TK7; P743.2

A

1000-3096(2012)06-0101-04

2010-09-25;

2012-02-28

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(2010CB950400); 中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(KZCX2-YW-Q11-03)

鄭崇偉(1983-), 男, 四川宜賓人, 碩士, 主要從事波候及波浪能研究, E-mail: 364704410@qq.com

(本文編輯：劉珊珊)