中國海波浪能資源分析

聞斌，薛彥廣，張芳苒，趙越超

(61741部隊北京100094)

1 引言

利用海洋能源，是當(dāng)今世界能源研究的方向。特別是在能源關(guān)系到國家安全，地球礦物能源逐漸枯竭及環(huán)境狀況日益惡化的形勢下，如何有效利用資源豐富、可再生的海洋資源，顯得十分重要。海水的波浪運(yùn)動產(chǎn)生巨大的能量，據(jù)估算，世界海洋中的波浪能達(dá)700億千瓦，占全部海洋能量的94%，是各種海洋能中的“首戶”。我國陸地海岸線長達(dá)18000多公里、大小島嶼6960多個，波浪能資源十分豐富[1]。2009年3月，我國首座岸式海洋波浪能發(fā)電工業(yè)示范電站“汕尾100 kW”岸式波力發(fā)電站的正常運(yùn)行，標(biāo)志著我國波浪力發(fā)電技術(shù)達(dá)到實用水平[2]。

在WAM海浪模式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的WAVEWATCH-Ⅲ模式對控制方程、程序結(jié)構(gòu)、數(shù)值和物理的處理方法等做了改進(jìn)，使得該模式在考慮波-流相互作用和風(fēng)浪物理機(jī)制方面更加合理。WAVEWATCH-Ⅲ模式的推出大大提高了波浪數(shù)值計算的精度。齊義泉等[3]以NOAA/NCEP再分析風(fēng)場資料為輸入，利用WAVEWATCH-Ⅲ模式模擬了1996年南海海域的海面風(fēng)浪場，通過與T/P 高度計有效波高資料的對比發(fā)現(xiàn),模式模擬值與之符合較好。IL-JU MOON 等[4]應(yīng)用WAVEWATCH-Ⅲ對1998年發(fā)生在美國東海岸的颶風(fēng)Bonnie 進(jìn)行了數(shù)值后報,通過與NOAA 的3 個波浪浮標(biāo)（FPSN7、B41002 和B44014）資料的對比發(fā)現(xiàn)，后報值與實測值符合非常好。以上實例充分證明了無論對一般過程還是臺風(fēng)過程，WAVEWATCH-Ⅲ模式都具有較好的波浪場數(shù)值計算能力。

為摸清我國波浪能資源分布狀況，給開發(fā)利用波浪能提供科學(xué)可靠的依據(jù)，本文以1999—2009年連續(xù)10年的QSCAT/NCEP混合風(fēng)場數(shù)據(jù)為輸入,利用WAVEWATCH-Ⅲ模式對中國海海浪進(jìn)行計算，得到了較為精細(xì)、長時間序列海浪資料。根據(jù)模擬結(jié)果對中國海的波浪能資源進(jìn)行研究，得出中國海波浪能的地理分布特征及季節(jié)變化情況。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）地形資料：本文使用ETOPO2v2 全球地形地貌數(shù)據(jù)（U.S.Department of Commerce,National OceanicandAtmosphericAdministration,NationalGeophysicalDataCenter,2006.2-minuteGriddedGlobalReliefData）。該數(shù)據(jù)集所提供的地形分辨率最高達(dá)到了2′×2′，本文取用其中的0.25°×0.25°數(shù)據(jù)作為模型實際使用的地形資料。

（2）風(fēng)場資料：模式中使用的風(fēng)場為Quick-SCAT/NCEP 混合風(fēng)場，時間范圍從1999年8月—2009年7月連續(xù)10年。所謂混合風(fēng)場就是對高分辨率的QuickSCAT 衛(wèi)星散射計觀測數(shù)據(jù)（QSCAT）和美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的再分析風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行時-空混合分析的結(jié)果，大體的方法就是保留了QSCAT 的沿軌風(fēng)場數(shù)據(jù)而在其空白區(qū)域加入低波NCEP分析數(shù)據(jù)場。該混合風(fēng)場具有很高的時空分辨率：時間間隔為6 h，空間分辨率為0.5°×0.5°，覆蓋了全球從88°S—88°N的范圍，被廣泛用作模擬天氣過程的驅(qū)動場[5]。

（3）衛(wèi)星高度計資料：本文使用的衛(wèi)星高度計資料來自美國國家航空航天局（NASA），由美國和法國合作于2001年12月7日發(fā)射的Janson-1 衛(wèi)星及其雷達(dá)高度計系統(tǒng)測量所得，測量到的有效波高的精度為0.5 m 或10%，該測量數(shù)據(jù)完全達(dá)到了定量觀測對測量誤差的要求（Chambers 等[6]，2003）。本文將高度計反演的有效波高用于模擬的資料驗證。

3 海浪模擬過程

3.1 海浪模型

海浪的計算采用WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式。模式的基本控制方程為[7]：

S 代表與海浪譜有關(guān)的源和匯的總和，在球坐標(biāo)下可寫為：

式中，R是地球半徑；Uλ和Uφ分別是平均海流在經(jīng)、緯方向的分量；λ，φ分別為經(jīng)、緯度。模式源函數(shù)項中包括風(fēng)能量輸入項Sin，波波非線性相互作用項Snl和耗散（白冠）項Sds，在淺水區(qū)考慮了底摩擦Sbot，用公式表示為：

該模式直接計算波波非線性相互作用，不對譜形預(yù)加任何約束，而且能夠處理風(fēng)速、風(fēng)向的驟然變化。模式的數(shù)值計算主要采用分步計算法。首先考慮水深在時間上的變化以及對應(yīng)波數(shù)網(wǎng)格上的變化，這樣撇開水面變化的影響后，對余下的片段計算來說，波數(shù)網(wǎng)格就是不變的，水深也是準(zhǔn)穩(wěn)定的。最后的片段計算則考慮了物理空間上的傳播、波數(shù)空間上的傳播和源函數(shù)項。這種分裂格式的使用可以顯著提高矢量計算和并行計算的效率。此外，模式在波數(shù)和方向的二維譜空間上計算，為計算非線性相互作用的經(jīng)濟(jì)性考慮，采用頻率分段方法。由頻率和頻散關(guān)系換算出波數(shù)在各個格點的值，從而波數(shù)空間的網(wǎng)格是隨水深而變化的，這就克服了由于水深變淺所帶來的譜空間分辨率降低的問題。

3.2 模型設(shè)置

計算區(qū)域為100°—130°E，0°—42°N，網(wǎng)格分辨率為0.25°×0.25°。其中東邊界為開邊界，南、西、北邊界為近似的閉邊界。在閉邊界處的條件是：對即將跨過和離開海岸線的波浪，邊界是完全吸收波能的；在開邊界處，采取和閉邊界處相似的邊界條件，傳向邊界點處的波能在該點被吸收。在頻率和方向的二維譜空間上，設(shè)定頻率分布從0.0418 Hz 至0.41 Hz 共25 個頻段，波向共24 個，分辨率為15°。對于初始條件，本文使用有限風(fēng)區(qū)的JONSWAP譜，譜值由局地風(fēng)速和風(fēng)向給出。

圖1 jason-1衛(wèi)星軌道交叉點（“×”表示）位置示意圖

圖2 有效波高觀測值與模擬值對比序列圖

圖3 有效波高觀測值與模擬值散點分布圖

模式采用OpenMP 并行算法，傳播計算步長為1800 s,源函數(shù)的積分時間步長為600 s。采用網(wǎng)格輸出計算結(jié)果，時間間隔每3 h一次。

3.3 計算結(jié)果及驗證

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文使用Jason-1衛(wèi)星高度計2002—2008年在中國海32個衛(wèi)星軌道交叉點（位置見圖1）的觀測波高，共計9480 個觀測值，對模擬結(jié)果按照時間和空間進(jìn)行提取，得到與交叉點時空相匹配的有效波高模擬值。從有效波高的對比結(jié)果看，相關(guān)系數(shù)為0.86，平均相對偏差為0.31 m，模擬的有效波高與觀測值基本一致。圖2為所選取的衛(wèi)星軌道交叉點上有效波高觀測與模擬值的對比序列（為使圖直觀清楚，這里只選取1400個對比點），圖3為所有觀測值與模擬值對比散點分布圖。

圖4 中國海年平均波能功率密度分布（單位kW/m）

4 波浪能資源分析

4.1 波浪能量及功率密度的評估計算方法

波浪能量為波浪運(yùn)動攜帶的能量，其中包括波浪運(yùn)動中水質(zhì)點以一定速度運(yùn)動所具有動能和水質(zhì)點運(yùn)動離開平衡位置相對于水面的垂直位移所具有的勢能，用E表示，單位為j；波能功率密度是波浪在傳播方向上單位時間內(nèi)通過單位波峰寬度上的能量，用P 表示，單位為kW/m。根據(jù)美國EPRI（Electric Power Research Institute）的波浪能功率密度算法[8]，式中，P 為波能功率密度，H13為有效波高，為平均周期。將模擬的海浪場數(shù)據(jù)代入波浪能功率密度計算公式，得到中國海1999年8月—2009年7月逐3 h的波浪能功率密度，本文通過對該海域波浪能功率密度進(jìn)行月平均和年平均，分析中國海各海區(qū)的波浪能功率密度的分布情況以及各季節(jié)變化特征。

圖5 中國海月平均波能功率密度分布（單位/（kW/m））

4.2 波浪能資源地理分布特征

圖4 為中國海年平均波能功率密度分布圖，可以看出，中國海波能功率密度分布呈南高北低的態(tài)勢，沿岸低，遠(yuǎn)海高。其中南海波能資源最為豐富，大部海域波能功率密度都在10 kW/m以上，高值區(qū)位于南海東北部，可達(dá)24 kW/m 以上，在電能極為匱乏的南沙群島海域，波能功率密度達(dá)到了15 kW/m以上；東海的波能資源較為豐富，波能功率密度在10—25 kW/m 之間；黃海次之，在3—9 kW/m 之間；渤海的波能功率密度最低，在3 kW/m以下。

圖6 中國海能級頻率分布

4.3 波浪能資源季節(jié)分布特征

這里以1、4、7、10月份平均波能功率密度分布作為代表（見圖5），來研究中國海四季波能分布特征。從圖5可看出，冬季（1月），受冷空氣影響，中國海海區(qū)風(fēng)高浪急，是波能資源最為豐富的季節(jié)，黃海至南海海域大都在10 kW/m以上，南海海區(qū)最大可達(dá)35 kW/m以上，渤海由于受地理位置和海冰等因素影響，波能功率密度較低；春季（4月），由于風(fēng)力較弱，整個中國海波能功率密度都在10 kW/m以下，極大值區(qū)位于臺灣海峽和呂宋海峽，也僅在7—9 kW/m之間，為波能資源最少的季節(jié)；夏季（7月），受熱帶氣旋等因素影響，中國海波能功率密度分布特征和其他季節(jié)相比明顯不同，呈東高西低的態(tài)勢，極大值區(qū)由南海東北部北移至臺灣以東海域，最大值可達(dá)22 kW/m，東海取代南海成為該季節(jié)波能資源最為豐富的海區(qū)。秋季（10月），受熱帶氣旋和冷空氣共同影響，中國海波能資源僅次于冬季，極大值區(qū)回移至南海東北部，可達(dá)28 kW/m?？偟膩碚f，除春季外，其它三個季節(jié)波能資源都較為豐富。

4.4 能級頻率

在波浪能資源的開發(fā)與利用中，能級頻率是衡量波浪能資源豐富程度的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，通常認(rèn)為波浪能功率密度＞2 kW/m時為可用，＞20 kW/m時為富集區(qū)。根據(jù)上述計算結(jié)果對波能功率密度＞2 kW/m 和＞20 kW/m 出現(xiàn)的頻率分別進(jìn)行了統(tǒng)計，見圖6。由圖6可看出，南海大部海域2 kW/m以上出現(xiàn)的頻率都在70%以上，高值區(qū)位于南海東北部，超過80%；東海次之，在60%—80%之間，黃海在35%—50%之間，渤海最低，在30%以下。

根據(jù)富集區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，東海南部至南海大部，＞20 kW/m 出現(xiàn)的頻率較高，在20%以上，為波能資源富集區(qū)，我國中北部海域20 kW/m出現(xiàn)的頻率較低，在10%以下。

5 結(jié)論

（1）中國海波能功率密度分布呈南高北低的態(tài)勢，近岸低于中部海域。南海波能資源最為豐富，東海次之，渤海最低；

（2）冬季中國海的波能資源最為豐富，秋季次之，春季由于海區(qū)風(fēng)力較弱，是波能資源最少的季節(jié)。夏季，中國海波能密度分布特征和其他季節(jié)相比明顯不同，呈東高西低的態(tài)勢，極大值區(qū)從南海東北部北移至臺灣以東海域；

（3）南海大部海域＞2 kW/m（可用）出現(xiàn)的頻率都在70 %以上，東海為60 %—80 %之間，黃海在35%—50%之間，渤海最低，在30%以下。東海南部至南海大部，＞20 kW/m（富集）出現(xiàn)的頻率在20 %以上，渤黃海20 kW/m 出現(xiàn)的頻率較低，在10%以下。

[1]許富祥.海洋波浪能資源估算方法研究進(jìn)展及展望[C]//中國可再生能源學(xué)會海洋學(xué)專業(yè)委員會第三屆學(xué)術(shù)會討論會論文集.北京：海洋出版社,2010;227-234.

[2]齊義泉,朱伯承,施平,等.WWATCH 模式模擬南海海浪場的結(jié)果分析[J].海洋學(xué)報,2003,25(4):1-9.

[3]Moon I J, Ginis I, Hara T, et al. Numerical simulation of sea surface directional wave spectra under hurricane wind forcing [J].Journal of Physical Oceanography,2003,33:1683-1706.

[4]李明悝,候一筠.利用QuickSCAT/NCEP混合風(fēng)場及WAVEWATCH模擬東中國海風(fēng)浪場[J].海洋科學(xué)，2005，29（6）：9-12.

[5]Chambers D P,Ries J C,Urban T J.Calibration and verification of Jason-1 using along-track residual with TOPEX[J].Marine Geodesy,2003,26(3-4):305-317.

[6]Hendrik L.Tolman.User manual and system documentation of WAVEATCH-III version 2.22,.[Z].Technology Note 214,NOAA/NEW/NCEP/OMB,2002,133.

[7]HagermanG.Guidelinesforpreliminaryestimationofpowerproductionbyoffshorewave energy devices.[EB/OL].[2003-08-10].http://www.epri.com/oceanenergy.