基于QN混合風場的東中國海風能資源分析

鄭崇偉， 莊卉， 郭隨平， 賈本凱

（1.解放軍理工大學氣象海洋學院，南京 211101；2.92538部隊氣象臺，遼寧大連 116041；3.海軍航空兵學院，河北 邢臺 054100）

1QN混合風場簡介

目前，陸上風力發(fā)電技術已較成熟，海上風力發(fā)電只是在少數(shù)歐洲國家較為成熟，我國的海上風能開發(fā)尚屬初級階段[1-2]。美國1980年采用國內(nèi)975個氣象站的地面測風資料，繪制了美國風能資源分布圖，1986年又增加了270多個氣象站觀測資料，得到美國的陸上風能資源分布圖[1]。中國氣象局分別在20世紀80年代和90年代開展了兩次風能資源普查，均是對氣象站歷史測風資料的統(tǒng)計分析，最后給出了中國陸上風能資源分布圖。王曉亮等[3]利用上海沿海5個站點風要素資料，對上海海域可開發(fā)的風能儲量進行了計算，結果表明東海大橋附近海域、崇明島以東海域、南匯和橫沙東灘以東海域、遠海風電場為豐富區(qū)，風能資源儲量約為3 373.1×104kW；杭州灣北岸奉賢海域為較豐富區(qū)，風能儲量約為38.3×104kW，長江口水域為可利用區(qū)。但由于受各種因素限制，以往多是基于非常有限的觀測資料，在陸上或近岸展開的，較少對海上的風能資源展開分析[4]，而深遠海、邊遠海島的風能資源開發(fā)利用具有更為迫切的需要和實用價值。本文利用1999年8月~2009年7月期間的QN （QuikSCAT/NCEP）混合風場資料，計算了東中國海的風能密度，并就其特征進行分析，以期為我國的海上風能資源開發(fā)利用提供參考。

QN混合風場是對全球天氣中心 （NCEP，National Centers for Environmental Prediction）分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星散射計 （QuikSCAT）觀測數(shù)據(jù)進行時空混合分析的結果，其空間分辨率為0.5°×0.5°，時間分辨率為 6 h， 其空間范圍為： 88°S～88°N， 180°W～180°E，時間范圍從1999年8月~2009年7月。QN風場具有很高的精度和時空分辨率[5-6]，常被用作模擬海浪過程的驅(qū)動場，且效果明顯好于NCEP風場[7-9]。本文選擇QN混合風場用以東中國海的風能資源分析。

2 東中國海風能資源評估

2.1 風能密度的計算方法

風能密度定義為垂直于氣流的單位截面上風的功率，計算方法[10-13]為：

式中，W為風能密度；V為風速；ρ為空氣密度。

2.2 海表風速、風能密度的分布特征

利用1999年8月1日00:00~2009年7月31日18:00逐6 h的QN混合風場資料，對海表風速、風能密度分別進行多年平均，分析年平均海表風速、風能密度的空間分布特征，如圖1所示。

東中國海的海表風速和風能密度的空間分布特征具有較好的一致性，均表現(xiàn)出離岸大近岸小、南部大北部小的特點。

（1）海表風速。由北往南，風速逐漸遞增，渤海的年平均風速最小，基本在5.0 m/s以內(nèi)，黃海北部海域在4.0~5.0 m/s，黃海中部的年平均風速為5.5 m/s左右，黃海南部在6.0 m/s左右，東海為6.5~7.5 m/s左右。

（2）風能密度。渤海中部的風能密度在150 W/m2左右，渤海近岸則在100 W/m2以內(nèi)，黃海北部為100~200 W/m2，黃海中部在200~250 W/m2，黃海南部為250~300 W/m2，到了東海，風能密度明顯增大，大部分海域在300 W/m2以上，琉球群島附近海域在400 W/m2以上，臺灣海峽中部高達450 W/m2以上，風能密度的空間分布特征與海表風速的空間分布特征大體一致。

2.3 風能密度的月變化特征

圖1 東中國海年平均海表風速、風能密度

圖2 渤海、渤海海峽、黃海、東海風能密度的月變化特征

分別將渤海、渤海海峽、黃海、東海的風能密度進行多年月平均，分析幾個重點海域風能密度的月變化特征，如圖2所示。由圖2可見，幾個海域中，東海的風能密度最大，黃海的風能密度次之，渤海海峽的風能密度再次，渤海的風能密度最低，與圖1b相符。幾個海域的風能密度均表現(xiàn)出 “V”形月變化特征，波峰處出現(xiàn)在11月至來年2月，這期間東海的風能密度基本在460 W/m2以上，黃海在310 W/m2以上，渤海海峽在240 W/m2以上，渤海在100 W/m2以上，即這個季節(jié)東中國海的風能資源較為豐富；6月~7月為風能密度的波谷，這期間渤海的風能密度在30~40 W/m2，渤海海峽和黃海的風能密度在70 W/m2左右，東海在180 W/m2左右。

2.4 大風頻率、有效風速出現(xiàn)頻率

大風往往會對海洋工程、航海等造成嚴重影響，甚至災害，本文利用1999年8月~2009年7月的逐6 h的QN風場資料，統(tǒng)計了東中國海的6級以上大風頻率 （圖3a），為防災減災、海上風能資源開發(fā)利用提供參考。通常將風速在3~25 m/s之間定義為風能資源開發(fā)有效風速[6]，簡稱有效風速。本文利用近10年逐6 h的QN風場資料，統(tǒng)計了東中國海風能資源開發(fā)有效風速出現(xiàn)頻率 （圖3b）。

由圖3a可見，整個東中國海6級以上大風出現(xiàn)的頻率比較低，大部分海域在16%以內(nèi)。渤海的6級以上大風頻率在4%以內(nèi)；黃海北部海域出現(xiàn)頻率略高于渤海，但也都在8%以內(nèi)，黃海中南部在8%~14%；到了東海，6級以上大風出現(xiàn)頻率明顯增加，達到16%左右，尤其是對馬海峽至長江口一帶，這應該是由于黃渤海的海域較為狹小，而東海海域則較為寬廣，具有廣闊的光滑下墊面所致；臺灣海峽為大風頻率的高值中心，在16%~18%。由圖3b可見，除了部分近岸，整個東中國海有效風速出現(xiàn)的頻率整體較高，渤海大部分海域在50%~70%，黃海北部和黃海中部在60%~80%，黃海南部海域和東海則基本在80%以上，由此可見，東中國海全年至少有半數(shù)以上時間的風速是有可用于風能資源開發(fā)的，這對于海上風能資源開發(fā)是極為有利的。

2.5 風能密度等級頻率

通常認為風能密度低于50 W/m2時為貧乏區(qū)，在50 W/m2以上時為可用區(qū)，100 W/m2以上屬于較豐富區(qū)，200 W/m2以上屬于豐富區(qū)[1]。利用近10 a逐6 h的風能密度資料，統(tǒng)計了東中國海風能密度大于50 W/m2、 大于 100 W/m2、 大于 150 W/m2、 大于200 W/m2出現(xiàn)的頻率，見圖4。

50 W/m2以上出現(xiàn)頻率：各海域出現(xiàn)頻率整體較高，有利于海上風能資源開發(fā)，渤海出現(xiàn)頻率明顯低于東海和黃海，約20%~50%，黃海北部海域較渤海有所增加，為30%~70%，黃海中南部則基本在50%以上，東海出現(xiàn)頻率最高，基本在80%以上。

圖3 東中國海6級以上大風頻率、風能資源開發(fā)有效風速出現(xiàn)頻率 （單位：%）

100 W/m2以上出現(xiàn)頻率較50 W/m2以上略有降低，渤海為10%~35%，黃海北部為20%-45%，黃海中南部為50%~60%，東?；径荚?0%以上。

150 W/m2以上出現(xiàn)頻率比100 W/m2以上出現(xiàn)頻率約降低5%~10%。

200 W/m2以上出現(xiàn)頻率：渤海在20%以內(nèi)，黃海北部在30%以內(nèi)，黃海中南部為30%~40%，東海在40%以上。

3 結論與展望

（1）東中國海的海表風速和風能密度的空間分布特征具有較好的一致性，均表現(xiàn)出離岸大近岸小、南部大北部小的特點。渤海的年平均風速在5.0 m/s以內(nèi)，黃海北部海域在4.0~5.0 m/s，黃海中部為5.5 m/s左右，黃海南部在6.0 m/s左右，東海為6.5~7.5 m/s左右；渤海中部的風能密度在150 W/m2左右，渤海近岸則在100 W/m2以內(nèi)，黃海北部為100~200 W/m2，黃海中部在 200~250 W/m2，黃海南部為250~300 W/m2，東海大部分海域在300 W/m2以上。風速和風能密度的高值中心分布于琉球群島附近海域和臺灣海峽，年平均風速在7.0 m/s以上，年平均風能密度在400 W/m2以上。

（2）整個東中國海6級以上大風出現(xiàn)頻率比較低，基本都在16%以內(nèi)，出現(xiàn)頻率由北往南逐漸遞增，臺灣海峽為大風頻率的高值中心，在16%~18%。除了部分近岸，整個東中國海有效風速出現(xiàn)的頻率整體較高，渤海大部分海域在50%~70%，黃海北部和黃海中部在60%~80%，黃海南部海域和東海則基本在80%以上。

（3）各海域50 W/m2以上風能密度出現(xiàn)頻率整體較高，渤海約20%~50%，黃海北部海域為30%~70%，黃海中南部則基本在50%以上，東海出現(xiàn)頻率最高，基本在80%以上。渤海200 W/m2以上出現(xiàn)頻率在20%以內(nèi)，黃海北部在30%以內(nèi)，黃海中南部為30%~40%，東海在40%以上。

綜上所述，我國的渤海風能資源相對黃海和東海較貧乏，但仍處于可開發(fā)范圍，東海和黃海屬于風能資源的較富集區(qū)，在我國大力開展海上風力發(fā)電、風力提水、制熱等風能資源開發(fā)工作將具有廣闊前景。

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