21世紀(jì)海上絲綢之路：海洋新能源大數(shù)據(jù)建設(shè)研究
——以波浪能為例

鄭崇偉，李崇銀

(1.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101；2.海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018； 3.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100029)

21世紀(jì)海上絲綢之路：海洋新能源大數(shù)據(jù)建設(shè)研究
——以波浪能為例

鄭崇偉1,2，李崇銀1,3

(1.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101；2.海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018； 3.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100029)

文章構(gòu)建國(guó)內(nèi)外首份“21世紀(jì)海上絲綢之路”波浪能資源大數(shù)據(jù)框架,主要包括波浪能氣候背景特征、波浪能等級(jí)區(qū)劃、波浪能短期預(yù)報(bào)、涌浪能特征、資源長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和資源中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)6大模塊；按照三維網(wǎng)格和時(shí)間序列實(shí)現(xiàn)波浪能信息的全面數(shù)字化和全息化存儲(chǔ),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制并實(shí)現(xiàn)四維可視化。研究成果可廣泛運(yùn)用于海上風(fēng)能和海流能等海洋新能源的大數(shù)據(jù)建設(shè)，為國(guó)家和參與“21世紀(jì)海上絲綢之路”建設(shè)的決策人員、研究人員和工程人員提供數(shù)據(jù)支撐和決策支持，助力“21世紀(jì)海上絲綢之路”新能源開發(fā)。

21世紀(jì)海上絲綢之路；一帶一路；海洋新能源；大數(shù)據(jù)；波浪能

在煤、石油等常規(guī)能源日益緊缺的當(dāng)今世界，包括我國(guó)在內(nèi)的諸多國(guó)家提倡應(yīng)用清潔能源，節(jié)能減排，以有效應(yīng)對(duì)氣候變化、緩解能源危機(jī)，這也是各個(gè)國(guó)家采取的共同戰(zhàn)略之一[1]。海洋新能源的開發(fā)利用將成為“海上絲路”建設(shè)的新亮點(diǎn)。

清潔、無污染、可再生、儲(chǔ)量大、分布廣、全天候等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得波浪能成為各發(fā)達(dá)國(guó)家追逐的焦點(diǎn)。海浪發(fā)電是波浪能主要的開發(fā)利用方式。此外，波浪能還可以廣泛應(yīng)用于海水淡化、提水、制氫等。顯然，波浪能開發(fā)有益于緩解人類的資源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)、增強(qiáng)邊遠(yuǎn)海島和戰(zhàn)略支點(diǎn)的生存能力和可持續(xù)發(fā)展能力、提高“海上絲路”沿線居民生活質(zhì)量、增強(qiáng)對(duì)海洋的掌控能力、促進(jìn)海島旅游開發(fā)和深遠(yuǎn)海開發(fā)等都有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，前景廣闊。

資源開發(fā)，評(píng)估先行，只有充分掌握資源特征，方可實(shí)現(xiàn)有序開發(fā)利用。海洋數(shù)據(jù)是展開資源評(píng)估的重要基礎(chǔ)。近年來，隨著觀測(cè)手段的日益豐富、數(shù)值模式的迅猛發(fā)展，海洋數(shù)據(jù)也呈爆炸式增長(zhǎng)，“大數(shù)據(jù)”進(jìn)入人們的視線。如何從體量大、信息密度低的海洋大數(shù)據(jù)中提取新能源評(píng)估所關(guān)注的有用信息，并且建立海洋新能源大數(shù)據(jù)，成為合理、高效展開資源開發(fā)的關(guān)鍵。目前全球的海洋新能源大數(shù)據(jù)較為匱乏，不利于新能源開發(fā)的高效展開。本研究基于前期的研究成果，構(gòu)建首份“海上絲路”波浪能資源大數(shù)據(jù)，期望可以助力“海上絲路”海洋新能源的有序、高效開發(fā)利用。

1 方法介紹

從體量大、信息密度低的海洋大數(shù)據(jù)中提取新能源評(píng)估所關(guān)注的有用信息，并建立海洋新能源大數(shù)據(jù)，是合理、高效展開資源開發(fā)的關(guān)鍵。本研究旨在構(gòu)建國(guó)內(nèi)外首份貼近實(shí)際需求、查詢使用便捷、理論體系完善的“海上絲路”波浪能資源大數(shù)據(jù)。

2015年，筆者推出“中國(guó)南海島礁建設(shè)”專題研究[2-4]，3篇稿件同時(shí)刊發(fā)于《中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)》自然科學(xué)版，成果可為國(guó)家海島建設(shè)提供科技支撐、輔助決策。2015年起，筆者在國(guó)內(nèi)外率先推出“經(jīng)略21世紀(jì)海上絲綢之路”專題研究[5-7]，12篇科技論文相繼在《海洋開發(fā)與管理》《北京大學(xué)學(xué)報(bào)》《廈門大學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表，系統(tǒng)地分析了“海上絲路”的海洋環(huán)境特征、資源特征和法律護(hù)航等。

本研究基于前期的研究成果，旨在構(gòu)建國(guó)內(nèi)外首份“海上絲路”波浪能資源大數(shù)據(jù)，并詳述其6大模塊：①資源氣候背景特征；②資源等級(jí)區(qū)劃；③資源短期預(yù)報(bào)；④涌浪能特征；⑤資源長(zhǎng)期變化趨勢(shì)；⑥資源中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。將上述6大模塊按照三維網(wǎng)格、時(shí)間序列，實(shí)現(xiàn)波浪能信息的全面數(shù)字化和全息化存儲(chǔ)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，構(gòu)建了“海上絲路”波浪能資源大數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其四維可視化(圖1)。數(shù)據(jù)定期更新，如遇重要情況，即時(shí)更新。該項(xiàng)成果可全面保障波浪能開發(fā)的選址、業(yè)務(wù)化運(yùn)行、中長(zhǎng)期規(guī)劃，助力波浪能的有序、高效開發(fā)利用。未來可將該方案廣泛運(yùn)用于海上風(fēng)能、海流能等海洋新能源大數(shù)據(jù)建設(shè)，助力“海上絲路”新能源開發(fā)。

2 “海上絲路”波浪能資源大數(shù)據(jù)建設(shè)

2.1 波浪能氣候背景特征

(1)波浪能的時(shí)空分布特征。前人對(duì)波浪能的氣候特征分析做出了很大貢獻(xiàn)，但在系統(tǒng)性方面有待完善。在波浪能評(píng)估中，除了要關(guān)注傳統(tǒng)的能流密度大小、資源儲(chǔ)量、資源穩(wěn)定性外，還需要關(guān)注資源的可利用率、富集程度、月際差異等關(guān)鍵要素。

(2)聚焦“海上絲路”的波浪能。波浪能源的開發(fā)是項(xiàng)浩大的工程，由于缺乏波浪能的動(dòng)力特征研究，阻滯了海浪發(fā)電、海水淡化等資源的進(jìn)一步開發(fā)利用。本研究通過前期研究，詳查了“海上絲路”的波浪能資源，全面涵蓋能流密度大小、資源的可利用率、富集程度、月際差異、資源穩(wěn)定性、資源總儲(chǔ)量、資源有效儲(chǔ)量、資源技術(shù)開發(fā)量等，同時(shí)也分析了上述要素的年平均值、區(qū)域性差異、季節(jié)性差異。

圖1 “海上絲路”波浪能資源大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(3)重要節(jié)點(diǎn)的波浪能。重要節(jié)點(diǎn)是人類邁向深藍(lán)的重要依托，其通常以島礁為依托，電力、淡水困境長(zhǎng)久以來一直是世界性難題。因地制宜，合理利用波浪能展開海浪發(fā)電、海水淡化等，有利于幫助重要節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電力、淡水自給自足，保護(hù)島礁脆弱的生態(tài)，從而增強(qiáng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的生存能力、可持續(xù)發(fā)展能力。這就意味著，波浪能的開發(fā)最終要落實(shí)到某一個(gè)或一系列重要節(jié)點(diǎn)，充分掌握重要節(jié)點(diǎn)的波浪能特征是前提。但現(xiàn)有研究的空間分辨率整體偏低，容易遺漏關(guān)鍵區(qū)域，無法聚焦重要節(jié)點(diǎn)。鄭崇偉等[8]曾指出：站點(diǎn)波浪能評(píng)估應(yīng)該全面、系統(tǒng)，需涵蓋波浪能流密度、資源可利用率(可用波高出現(xiàn)的頻率)、資源的豐富程度(能級(jí)頻率)、波浪能的主要來向(波能玫瑰圖)、不同海況對(duì)研究海域波浪能總量的貢獻(xiàn)情況、波浪能的穩(wěn)定性、波浪能的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)、波浪能資源的儲(chǔ)量(總儲(chǔ)量、有效儲(chǔ)量、技術(shù)開發(fā)量)。此外，還需要積極關(guān)注破壞性較強(qiáng)的海洋環(huán)境要素，如極值波高、極值風(fēng)速、(強(qiáng))風(fēng)向頻率、(強(qiáng))浪向頻率、大風(fēng)大浪頻率等[5]。鄭崇偉等[6]還以“海上絲路”某重要島礁的波浪能評(píng)估作為實(shí)例展開了分析，形成了一套島礁波浪能評(píng)估體系，可廣泛運(yùn)用于“海上絲路”的重要節(jié)點(diǎn)波浪能評(píng)估。

2.2 波浪能等級(jí)區(qū)劃

波浪能等級(jí)區(qū)劃是海浪發(fā)電、海水淡化等選址的主要依據(jù)。合理的等級(jí)區(qū)劃可將波浪能一系列復(fù)雜的要素特征進(jìn)行融合，最后得到查詢便捷、貼近實(shí)際的波浪能等級(jí)區(qū)劃圖。前人對(duì)波浪能的時(shí)空分布特征分析奠定了基礎(chǔ)，但是關(guān)于波浪能等級(jí)區(qū)劃的工作幾近空白。整體來看，現(xiàn)有研究主要是將波浪能各要素進(jìn)行展示，并未形成合理的等級(jí)區(qū)劃，不能很好地為波浪能工程選址提供定量的決策支持。2014年，鄭崇偉等[9]率先制訂了一套涵蓋有效波高、能流密度、資源可利用率等資源要素的波浪能等級(jí)區(qū)劃方案，并繪制了第一張覆蓋全球海域的波浪能等級(jí)區(qū)劃圖。在此基礎(chǔ)上，鄭崇偉等構(gòu)建了一套能夠綜合考慮資源特征、海洋環(huán)境、成本效益的波浪能等級(jí)區(qū)劃方案，并成功運(yùn)用于“海上絲路”的波浪能等級(jí)區(qū)劃，可為波浪能開發(fā)的宏觀、微觀選址提供決策支持。

2.3 波浪能短期預(yù)報(bào)

波浪能的短期預(yù)報(bào)可以保障海浪發(fā)電、海水淡化等工作的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。目前，關(guān)于海洋環(huán)境短期預(yù)報(bào)的研究較為豐富，但是關(guān)于海洋新能源的研究則極為稀少，不利于資源開發(fā)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。鄭崇偉等[10]曾以預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)目前國(guó)際先進(jìn)的海洋模式WW3，構(gòu)建了波浪能的短期預(yù)報(bào)模型，并以中國(guó)海域展開了實(shí)例研究，取得了較好的預(yù)報(bào)效果。波浪能短期預(yù)報(bào)的內(nèi)容主要包括未來3～7 d逐小時(shí)的能流密度(可根據(jù)需求提高時(shí)間分辨率)、逐日資源總儲(chǔ)量、逐日資源有效儲(chǔ)量、逐日資源技術(shù)開發(fā)量、未來1周的資源儲(chǔ)量、資源來向特征等。除整個(gè)區(qū)域的波浪能短期預(yù)報(bào)，還需做好重要節(jié)點(diǎn)的波浪能短期預(yù)報(bào)。該方案為“海上絲路”的波浪能短期預(yù)報(bào)探明了方向。

2.4 涌浪能特征

涌浪的能量巨大、穩(wěn)定性好，近年來國(guó)際上對(duì)涌浪發(fā)電愈發(fā)重視，近期一家澳大利亞公司Oceanlin開展了涌浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)，涌浪發(fā)電正成為新的熱點(diǎn)。由于將風(fēng)浪、涌浪分離的資料極度稀缺，以往的研究多是針對(duì)混合浪的研究，對(duì)涌浪能的研究十分稀少。鄭崇偉等[9]曾利用來自ECMWF(歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心)將風(fēng)浪和涌浪分離的近45年(1957年9月至2002年8月)的ERA-40海浪再分析資料，評(píng)估了全球海域的風(fēng)浪能、涌浪能、混合浪能。2017年，鄭崇偉等[11]利用ERA-40海浪再分析資料，采用EOF、超前滯后相關(guān)、源頭追溯法等多種手段，率先定量計(jì)算了印度洋涌浪能的傳播路徑、速度、起點(diǎn)和終點(diǎn)，為提高波浪能的預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)能力打下理論基礎(chǔ)。

2.5 資源長(zhǎng)期變化趨勢(shì)

目前，關(guān)于海洋氣象要素變化趨勢(shì)的研究較為豐富，但海洋新能源變化趨勢(shì)的研究極為匱乏，而這又密切關(guān)系到資源開發(fā)的中長(zhǎng)期規(guī)劃、波浪能的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)[12]。鄭崇偉等[13]于2015年分析了中國(guó)海域的波浪能長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)在近24年期間(1988-2011年)，中國(guó)海域大部分區(qū)域的波浪能流密度、有效波高呈顯著的遞增趨勢(shì)，該變化趨勢(shì)表現(xiàn)出較大的區(qū)域性、季節(jié)性差異。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)海域的波浪能流密度、有效波高的遞增趨勢(shì)是由于6級(jí)以上大風(fēng)頻率的遞增現(xiàn)象造成的。此外，李崇銀等[14-20]曾指出東亞冬季風(fēng)的年際變化與ENSO現(xiàn)象有很好的聯(lián)系。這就意味著可以探尋Nino3指數(shù)與波浪能長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的關(guān)系，從而為提高波浪能的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)能力提供理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的分析資源長(zhǎng)期變化趨勢(shì)主要是關(guān)注能流密度的變化趨勢(shì)，在實(shí)際的波浪能開發(fā)中，資源的穩(wěn)定性關(guān)系到采集和轉(zhuǎn)換效率及裝備壽命，可用波高出現(xiàn)頻率反映波浪能的可利用率，能級(jí)頻率反映波浪能的富集程度。本研究通過前期的工作，全面分析了“海上絲路”波浪能各要素的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，包括能流密度的大小、資源的穩(wěn)定性、可用波高的頻率、能級(jí)頻率的變化趨勢(shì)，可為提高波浪能開發(fā)的中長(zhǎng)期規(guī)劃能力、波浪能的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)能力提供理論支持。

2.6 資源中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)

波浪能的中長(zhǎng)期預(yù)估可以彌補(bǔ)短期預(yù)報(bào)的不足，為制訂中長(zhǎng)期計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。目前關(guān)于氣象海洋要素中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的研究較為豐富，但極少有對(duì)波浪能展開中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。鄭崇偉等設(shè)計(jì)了一套波浪能中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)方案：利用CMIP5風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)海浪模式，對(duì)未來的波浪能展開預(yù)測(cè)，并以中國(guó)近海的波浪能預(yù)估作為實(shí)例研究。利用CMIP5風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)WW3海浪模式，模擬得到2015年逐3 h的海浪場(chǎng)，對(duì)2015年中國(guó)海波浪能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)值與多年平均狀態(tài)的波浪能進(jìn)行對(duì)比，可以很清晰地看出2015年的波浪能與多年平均狀態(tài)波浪能的差異，從而為資源開發(fā)的中長(zhǎng)期規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。在未來的研究中，可將該方案廣泛推廣：將模擬區(qū)域擴(kuò)大、時(shí)間序列延長(zhǎng)，如對(duì)2020—2049年全球海域的波浪能展開預(yù)估、對(duì)2020—2099年“海上絲路”波浪能展開預(yù)估等。該方案為“海上絲路”的波浪能中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)探明了方向。

3 結(jié)語與展望

本研究旨在構(gòu)建一套貼近實(shí)際需求、查詢使用便捷、理論體系完善的“海上絲路”波浪能資源大數(shù)據(jù)。該方案可廣泛運(yùn)用于海上風(fēng)能、海流能等海洋新能源大數(shù)據(jù)建設(shè)，為參與“海上絲路”建設(shè)的決策人員、研究人員、工程人員提供數(shù)據(jù)支撐。未來還可將波浪能大數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)等(如GIS)相結(jié)合，構(gòu)建“海上絲路”波浪能資源綜合應(yīng)用平臺(tái)，有效保障海洋新能源開發(fā)的選址、業(yè)務(wù)化運(yùn)行、中長(zhǎng)期規(guī)劃。此外，該平臺(tái)設(shè)置預(yù)留模塊，在運(yùn)行過程中可根據(jù)實(shí)際需求添加專項(xiàng)任務(wù)，建設(shè)成為能夠滿足多樣化任務(wù)需求，為國(guó)家決策提供科技支撐的波浪能綜合應(yīng)用平臺(tái)。最終將國(guó)家戰(zhàn)略落到實(shí)處，切實(shí)呼應(yīng)黨中央提出的加強(qiáng)“一帶一路”學(xué)術(shù)研究、理論支撐、話語體系的建設(shè)要求，助力邁向深藍(lán)。

目前，筆者也即將推出“‘海上絲綢之路’海洋環(huán)境與資源研究”系列叢書，8本英文專著將在Springer以連載的形式發(fā)行。研究?jī)?nèi)容涵蓋“海上絲路”重要節(jié)點(diǎn)建設(shè)、海洋新能源評(píng)估、海上搜救、海洋環(huán)境研究、法律護(hù)航等領(lǐng)域。叢書的出版有助于增強(qiáng)我國(guó)的海洋建設(shè)能力，對(duì)南海局勢(shì)的掌控能力，提高邊遠(yuǎn)海島的生存能力，幫助人類緩解能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)，提升“海上絲路”沿線居民的生活質(zhì)量，保護(hù)參與“海上絲路”建設(shè)國(guó)家的利益及積極性等起到有益貢獻(xiàn)，為國(guó)家決策提供全方位科技支撐和輔助決策。期待與更多同行攜手共建“海上絲路”，提高我國(guó)在海洋開發(fā)領(lǐng)域之話語權(quán)，吸引更多國(guó)家和地區(qū)積極參與“海上絲路”建設(shè)，用科技創(chuàng)新服務(wù)推動(dòng)“海上絲路”建設(shè)，助力我國(guó)引領(lǐng)人類社會(huì)的共同繁榮進(jìn)步，貢獻(xiàn)“海之夢(mèng)”“中國(guó)夢(mèng)”。

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[19] 李崇銀.大氣低頻振蕩[M].北京：氣象出版社，1991.

[20] 李崇銀.氣候動(dòng)力學(xué)引論[M].2版.北京：氣象出版社，2000.

21stCenturyMaritimeSilkRoad:BigDataConstructionofNewMarineResources:WaveEnergyasaCaseStudy

ZHENG Chongwei1,2,LI Chongyin1,3

(1.College of Meteorology and Oceanography,National University of Defense Technology,Nanjing 211101,China;2.Dalian Naval Academy,Dalian 116018,China;3.National Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG),Institute of Atmospheric Physics,the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029，China)

This study built the wave energy big data of the 21stMaritime Silk Road,which included the climate characteristics of wave energy,energy grade division,short-term forecasting of the wave energy,characteristic of swell energy,long term trend of wave energy and mid-long term prediction of wave energy.This data is the first wave energy big data at home and abroad.In the future,this method can be widely used in the building of marine new energy big data,such as offshore wind energy,ocean current energy and so on,to provide data support and decision support for the decision makers,researchers and engineers that participating in the construction of the 21stMaritime Silk Road,thus to make positive contribution to the marine new energy development.

21stcentury Maritime Silk Road，The Belt and Road，Marine new resources，Big data，Wave energy

2017-09-01；

2017-11-11

河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(SKLEC-KF201707);高端科技創(chuàng)新智庫(kù)青年項(xiàng)目“‘21世紀(jì)海上絲綢之路’及其戰(zhàn)略支點(diǎn)的海洋動(dòng)力資源評(píng)估”(DXB-ZKQN-2016-019);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41490642);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2013CB956203).

鄭崇偉,工程師,博士研究生,研究方向?yàn)楹Ｑ竽苜Y源評(píng)估和物理海洋學(xué)

李崇銀,教授，研究員,中國(guó)科學(xué)院院士,研究方向?yàn)樘鞖鈿夂蜃兓捌鋭?dòng)力學(xué)

P74；TP30

A

1005-9857(2017)12-0061-05