“21世紀(jì)海上絲綢之路”：未來(lái)40年波浪能長(zhǎng)期預(yù)估

鄭崇偉， 裴順強(qiáng)， 李偉

(1.海軍大連艦艇學(xué)院 航海系，遼寧 大連 116018； 2.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 LASG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029； 3.中國(guó)海洋大學(xué) 山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 4.中國(guó)氣象局辦公室，北京 100081)

“21世紀(jì)海上絲綢之路”(簡(jiǎn)稱“海上絲路”)將給人類共同進(jìn)步帶來(lái)重要機(jī)遇，但沿線國(guó)家(地區(qū))的電力供應(yīng)能力整體薄弱，嚴(yán)重制約著“海上絲路”建設(shè)高效展開(kāi)。波浪能、海上風(fēng)能等可再生能源開(kāi)發(fā)有益于緩解資源危機(jī)、保護(hù)海洋生態(tài)、幫助邊遠(yuǎn)海島打破電力困境、促進(jìn)深遠(yuǎn)海開(kāi)發(fā)[1-5]。

掌握資源特征是實(shí)現(xiàn)波浪能合理開(kāi)發(fā)的前提。早在20世紀(jì)70年代，Glendenning等[6]就利用有限的觀測(cè)資料，計(jì)算全球沿岸的波浪能流密度(wave power density, WPD)。Wan等[7]利用衛(wèi)星資料分析指出西北太平洋的波浪能冬季最豐富。鄭崇偉等[8]采用數(shù)值模擬方法率先關(guān)注南海-北印度洋的波浪能特征。Reguero等[9]發(fā)現(xiàn)波浪能與北極濤動(dòng)等有著密切的相關(guān)。鄭崇偉等[10]實(shí)現(xiàn)了“海上絲路”的波浪能宏觀等級(jí)區(qū)劃，及斯里蘭卡海域的微觀區(qū)劃，可為資源開(kāi)發(fā)的選址提供決策支持。姜波等[11]采用數(shù)值模擬方法，分析了渤海、黃海、東海的波浪能時(shí)空特征。鄭崇偉等[12]利用ERA-interim資料分析了“海上絲路”的波浪能氣候特征和歷史變化趨勢(shì)。我國(guó)科學(xué)家在海洋能發(fā)電裝置方面也做了大量工作[13]，為海洋能發(fā)電做出了積極貢獻(xiàn)。

前人在波浪能氣候特征分析、等級(jí)區(qū)劃等方面做了大量工作，但目前關(guān)于波浪能長(zhǎng)期預(yù)估的研究稀缺，而這又密切關(guān)系到資源開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期規(guī)劃[14]。本文利用CMIP5(the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project)風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3海浪模式，模擬得到2020—2059年的全球海浪場(chǎng)，對(duì)“海上絲路”未來(lái)40 a的波浪能進(jìn)行預(yù)估，為資源開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

CMIP5風(fēng)場(chǎng)來(lái)自政府間氣候變化委員會(huì)，其空間范圍為89°S～89°N，1.25°～358.75°E，時(shí)間范圍為2006—2100年，空間分辨率為2.5°×2.0°，時(shí)間分辨率為6 h。CMIP5數(shù)據(jù)被國(guó)內(nèi)外廣泛運(yùn)用于各個(gè)氣象要素的預(yù)測(cè)[15]。

ERA-interim資料來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心，時(shí)間分辨率為6 h；本文選擇0.25°×0.25°的空間分辨率；空間范圍為90°S～90°N，180°W～180°E；時(shí)間范圍從1979年1月1日00：00至今，本文選擇的時(shí)間序列為1979—2014年。該資料具有較高可信度，得到廣泛認(rèn)可和運(yùn)用[16]。

1.2 方法介紹

以CMIP5風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3，模擬得到2020—2059年全球海浪場(chǎng)，從中截取南海-北印度洋，進(jìn)而對(duì)未來(lái)40年的“海上絲路”波浪能展開(kāi)預(yù)估?；?979—2014年的ERA-interim海浪資料，計(jì)算得到多年平均歷史狀態(tài)下的“海上絲路”波浪能。將未來(lái)與歷史的波浪能進(jìn)行對(duì)比，為資源開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。Dobrynin等[17]、Hemer等[18]和Casas-Prat等[19]曾利用CMIP5資料對(duì)海浪場(chǎng)展開(kāi)長(zhǎng)期預(yù)估，表明利用預(yù)估風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)海浪模式獲取未來(lái)海浪資料這種方法是可行的。

關(guān)于波浪能的短期預(yù)報(bào)或長(zhǎng)期預(yù)估，通常主要是關(guān)注WPD。本文構(gòu)建的波浪能長(zhǎng)期預(yù)估模型則系統(tǒng)覆蓋WPD、可利用率、富集程度、穩(wěn)定性、月際差異等一系列關(guān)鍵指標(biāo)。WPD的大小是波浪能最直觀的體現(xiàn)，因此首先關(guān)注的要素是WPD。鄭崇偉等[12]將1.3～4.0 m有效波高定義為波浪能開(kāi)發(fā)的可用波高(簡(jiǎn)稱可用波高)，有必要通過(guò)統(tǒng)計(jì)可用波高頻率(EWHO)來(lái)展現(xiàn)資源可利用率。通常認(rèn)為WPD大于20 kW/m為豐富[20]，可通過(guò)統(tǒng)計(jì)20 kW/m以上能級(jí)頻率(RLO)來(lái)展現(xiàn)資源富集程度。資源穩(wěn)定性密切關(guān)系到采集和轉(zhuǎn)換效率，甚至影響裝置壽命。資源穩(wěn)定性通常是通過(guò)計(jì)算能流密度的變異系數(shù)(Coefficient variation，Cv)、月變化指數(shù)來(lái)展現(xiàn)[21]。

1.3 未來(lái)海浪數(shù)據(jù)獲取

以RCP4.5情景下的CMIP5風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)WW3，對(duì)未來(lái)40年全球海域的海浪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。選取計(jì)算范圍：180°W～180°E，89°S～89°N，空間分辨率取0.25°×0.25°，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取為900 s，每3 h輸出一次結(jié)果，計(jì)算時(shí)間為2020—2059年。

本文還利用CMIP5驅(qū)動(dòng)WW3，模擬得到2006—2014年的海浪場(chǎng)，計(jì)算得到這期間的年平均WPD；利用ERA-interim資料，得到同期的WPD。對(duì)比分析2種數(shù)據(jù)在共同時(shí)段的異同，發(fā)現(xiàn)空間分布特征整體一致。在阿拉伯海，模擬WPD普遍小于基于ERA-interim的WPD；在孟加拉灣，2種資料得到的WPD基本接近；在南海，模擬WPD整體高于基于ERA-interim的WPD。意味著下文的波浪能預(yù)估中，阿拉伯海的波浪能存在比實(shí)際情況樂(lè)觀的可能，南海則相反。未來(lái)有必要探析阿拉伯海/南海的波浪能被低估/高估的原因，提升預(yù)估效果。

2 波浪能預(yù)估

2.1 波浪能流密度

利用1979—2014年逐6 h的ERA-interim海浪數(shù)據(jù)，根據(jù)WPD算法，計(jì)算得到1979—2014年逐6 h的WPD數(shù)據(jù)。將1979—2014年所有2月的WPD做平均，得到多年平均的2月WPD。同樣的方法分別得到過(guò)去和未來(lái)多年平均狀態(tài)下的2月、8月、年平均WPD，如圖1所示。

圖1 “海上絲路”歷史狀態(tài)及未來(lái)40 a平均的波浪能流密度Fig.1 Historical WPD and future 40 years WPD in the Maritime Silk Road

1)2月(代表冬季，下同)，不論過(guò)去還是未來(lái)，南海的WPD都明顯大于北印度洋，這是由于南海冬季的冷空氣強(qiáng)于北印度洋造成的。在孟加拉灣，過(guò)去的WPD呈圓弧形向北凸起，但未來(lái)的WPD等值線主要呈東西帶狀分布，意味著未來(lái)40 a的2月南印度洋向孟加拉灣傳播的涌浪存在減弱的跡象。此外，南海未來(lái)的WPD明顯高于過(guò)去，阿拉伯海未來(lái)的WPD比歷史狀態(tài)也有所增加，意味著這2個(gè)海域未來(lái)存在冷空氣加強(qiáng)的跡象。

2)8月(代表夏季，下同)，南海未來(lái)的WPD與過(guò)去基本接近。孟加拉灣未來(lái)的WPD則明顯高于過(guò)去；22 kW/m以上的WPD基本覆蓋整個(gè)孟加拉灣，范圍明顯比過(guò)去更廣，意味著未來(lái)40 a的8月南印度洋向孟加拉灣傳播的涌浪存在加強(qiáng)的跡象。在阿拉伯海，未來(lái)的WPD則小于過(guò)去，意味著阿拉伯海的西南季風(fēng)存在減弱的跡象。

3)年平均，南海和孟加拉灣未來(lái)的年平均WPD高于歷史狀態(tài)，阿拉伯海則相反。歷史WPD：阿拉伯海最大，孟加拉灣次之，南海相對(duì)最小。阿拉伯海大部分區(qū)域在12 kW/m以上，該海域的WPD主要是由于西南季風(fēng)主導(dǎo)。孟加拉灣東西海岸的WPD較低，基本在4 kW/m以內(nèi)，中部區(qū)域相對(duì)較大，等值線呈圓弧形向北凸起；該區(qū)域的WPD是由于南印度洋北傳的涌浪所致，與Zheng等[2]的結(jié)論一致。未來(lái)WPD：等值線的空間分布特征與歷史狀態(tài)大體一致。南海、孟加拉灣、阿拉伯海3個(gè)區(qū)域未來(lái)40年平均的WPD基本接近，與歷史狀態(tài)(南海的WPD明顯低于北印度洋)顯著不同。阿拉伯海的WPD低于過(guò)去，12 kW/m以上范圍明顯小于過(guò)去。在孟加拉灣，南印度洋涌浪北傳的現(xiàn)象依然非常明顯。在南海，未來(lái)40 a的WPD明顯大于歷史狀態(tài)，中北部大部分區(qū)域在12 kW/m以上，從等值線的分布特征來(lái)看，一方面存在冷空氣增強(qiáng)的可能，另一方面是由于太平洋的涌浪傳播所致。

2.2 資源可利用率

利用1979年2月逐6 h的海浪數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到該月0.25°×0.25°每個(gè)格點(diǎn)上的EWHO，同理得到1979—2014年每年2月的EWHO，而后得到多年平均的2月EWHO。同樣的方法得到過(guò)去和未來(lái)多年平均狀態(tài)下的2月、8月、全年的EWHO，如圖2所示。

圖2 “海上絲路”歷史狀態(tài)及未來(lái)40 a平均的EWHOFig.2 Historical EWHO and future 40 years EWHO in the Maritime Silk Road

1)2月，南海未來(lái)的EWHO基本在80%以上，高于歷史狀態(tài)。孟加拉灣未來(lái)的EWHO則低于歷史狀態(tài)。阿拉伯海未來(lái)的EWHO高于歷史狀態(tài)，其中索馬里海域60%以上的范圍明顯比歷史狀態(tài)廣。

2)8月，南海的EWHO小于歷史狀態(tài)。不論歷史還是未來(lái)，該季節(jié)北印度洋的資源可利用率樂(lè)觀(幾乎整個(gè)北印度洋的EWHO都在90%以上)。

3)全年，不論南海還是北印度洋，未來(lái)的EWHO整體比歷史狀態(tài)樂(lè)觀。歷史EWHO：大部分區(qū)域的EWHO在40%以上。阿拉伯?；驹?0%～50%，索馬里附近海域可達(dá)70%。孟加拉灣的EWHO則明顯高于阿拉伯海和南海，灣頂在50%以上，中南部在60%以上；孟加拉灣EWHO等值線的分布特征也展現(xiàn)著涌浪的北傳現(xiàn)象。南海大部分區(qū)域在40%～50%，北部灣、泰國(guó)灣和低緯海域?yàn)榈椭祬^(qū)。未來(lái)EWHO：南海-北印度洋大部分區(qū)域未來(lái)40 a平均的EWHO在50%以上，空間分布特征與歷史平均狀態(tài)保持了較好的一致性，只是在數(shù)值上普遍比歷史狀態(tài)高出10%～20%，表明未來(lái)40 a的資源可利用率整體趨于樂(lè)觀。

2.3 資源富集程度

利用1979年2月逐6 h的WPD數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到該月0.25°×0.25°每個(gè)格點(diǎn)上的RLO，同理得到1979—2014年每年2月的RLO，而后得到多年平均的2月RLO。同樣的方法分別得到過(guò)去和未來(lái)多年平均狀態(tài)下的2月、8月、全年的RLO，如圖3所示。

1)2月，不論歷史還是未來(lái)，南海的RLO都比北印度洋樂(lè)觀。南海未來(lái)的RLO基本在26%以上，高于歷史狀態(tài)。孟加拉灣未來(lái)和過(guò)去的RLO都在10%以內(nèi)。阿拉伯海未來(lái)的RLO比過(guò)去有所增加。

2)8月，南海過(guò)去和未來(lái)的RLO接近。幾乎整個(gè)北印度洋未來(lái)的RLO都在60%以上，明顯比歷史狀態(tài)樂(lè)觀。

3)全年，從歷史狀態(tài)來(lái)看，阿拉伯海最大(大部分區(qū)域在20%以上，中心接近40%)，孟加拉灣次之(東西部海域在10%以內(nèi)，中部相對(duì)較大，等值線呈圓弧形向北凸起)，南海相對(duì)最低(基本在20%以內(nèi))。對(duì)比歷史于未來(lái)不難發(fā)現(xiàn)，“海上絲路”未來(lái)的RLO整體高于歷史狀態(tài)的RLO，尤其是南海和孟加拉灣。

2.4 資源穩(wěn)定性

利用1979年2月逐6 h的WPD計(jì)算該月的Cv，同理得到過(guò)去36年每年2月的Cv，而后得到多年平均歷史狀態(tài)的2月Cv。同樣的方法得到歷史狀態(tài)和未來(lái)40 a平均的2、5、8、11月的Cv，如圖4所示。Cv越小，穩(wěn)定性越好。整體來(lái)看，阿拉伯海未來(lái)2月和8月的穩(wěn)定性比歷史狀態(tài)差，5月和8月則相反；孟加拉灣和南海未來(lái)的穩(wěn)定性好于歷史狀態(tài)。

圖4 “海上絲路”歷史狀態(tài)及未來(lái)的變異系數(shù)Fig.4 Historical coefficient variation and future coefficient variation in the Maritime Silk Road

歷史Cv：整體來(lái)看，離岸穩(wěn)定性好于近岸，北印度洋穩(wěn)定性好于南海。這是由于離岸的涌浪指標(biāo)(涌浪在混合浪中所占的比例)大于近岸，北印度洋的涌浪指標(biāo)大于南海所造成的。北印度洋為開(kāi)闊海域，受南印度洋北傳的涌浪影響較大，而南海則屬于相對(duì)封閉海域，因此，北印度洋的涌浪指標(biāo)通常會(huì)大于南海，涌浪指標(biāo)越大，能量穩(wěn)定性越好。

未來(lái)Cv：2月，阿拉伯海的穩(wěn)定性相對(duì)最差，孟加拉灣相對(duì)最好。5月，孟加拉灣和南海的穩(wěn)定性好于阿拉伯海。8月，南海的穩(wěn)定性最差，阿拉伯海相對(duì)最好。11月，南海的穩(wěn)定性最差，孟加拉灣相對(duì)最好。

2.5 波浪能的月際差異

Mv反映了波浪能的月際差異，Mv越小，表明資源的月際差異越小，越有利于資源開(kāi)發(fā)。參考Cornett[21]的算法，計(jì)算得到1979—2014年逐年的Mv，而后得到多年平均的Mv，見(jiàn)圖5(a)。同理，得到未來(lái)40年平均的Mv，見(jiàn)圖5(b)。整體來(lái)看，阿拉伯海和南海未來(lái)的Mv小于歷史狀態(tài)，表明資源的月際差異趨于縮??；孟加拉灣的Mv與歷史狀態(tài)接近，表明資源的月際差異趨于平緩，對(duì)波浪能開(kāi)發(fā)是有利的。

圖5 “海上絲路”歷史狀態(tài)的Mv及未來(lái)40 a平均的MvFig.5 Historical Mv and future 40 years Mv in the Maritime Silk Road

歷史Mv：阿拉伯海波浪能的月際差異最大，這是由于該區(qū)域夏季西南季風(fēng)非常強(qiáng)勁，平均風(fēng)速可達(dá)6級(jí)，而季風(fēng)過(guò)渡季節(jié)的風(fēng)速較弱，導(dǎo)致最強(qiáng)月份和最弱月份的波浪能出現(xiàn)較大差異。南海波浪能的月際差異小于阿拉伯海。孟加拉灣波浪能的月際差異相對(duì)最小，這是由于孟加拉灣的夏季風(fēng)和冬季風(fēng)強(qiáng)度都不大，因而波浪能不會(huì)出現(xiàn)顯著的月際差異。孟加拉灣中南部的月際差異明顯小于東北部，這是由于孟加拉灣中南部常年受到向北傳播的涌浪的影響，南印度洋北傳的涌浪整體穩(wěn)定，導(dǎo)致孟加拉灣中南部的波浪能的月際差異小于東北部。

未來(lái)Mv：空間分布特征與多年平均值較為接近。阿拉伯海的月際差異最大，南海次之，孟加拉灣的月際差異相對(duì)最小。在阿拉伯海，3.0以上Mv的范圍較多年平均狀態(tài)明顯縮小。在南海，Mv的數(shù)值明顯小于多年平均值。孟加拉灣的Mv與多年平均值則較為接近。

3 結(jié)論

1)“海上絲路”未來(lái)40 a平均的WPD為12～20 kW/m；南海、孟加拉灣、阿拉伯海3個(gè)區(qū)域未來(lái)40年平均的WPD大小基本接近，與歷史狀態(tài)(南海的WPD明顯低于北印度洋)明顯不同；南海和孟加拉灣未來(lái)40年平均的WPD明顯高于歷史平均值，阿拉伯海則低于歷史平均值。

2)未來(lái)40 a，“海上絲路”波浪能的可利用率基本在50%以上，普遍比歷史平均狀態(tài)高出10%～20%。未來(lái)40 a，“海上絲路”的波浪能富集程度也比歷史狀態(tài)樂(lè)觀，尤其是南海和孟加拉灣。

3)未來(lái)40 a平均狀態(tài)下，2月，阿拉伯海波浪能的穩(wěn)定性相對(duì)最差，孟加拉灣相對(duì)最好。5月，孟加拉灣和南海的穩(wěn)定性好于阿拉伯海。8月，南海的穩(wěn)定性最差，阿拉伯海相對(duì)最好。11月，南海的穩(wěn)定性最差，孟加拉灣相對(duì)最好。

4)阿拉伯海波浪能未來(lái)的月際差異(Mv)最大，南海次之，孟加拉灣的Mv相對(duì)最小。未來(lái)40 a，阿拉伯海3.0以上Mv的范圍較歷史狀態(tài)明顯縮??；南海Mv的數(shù)值明顯小于歷史平均值；孟加拉灣的Mv與歷史平均值則較為接近。

本文對(duì)未來(lái)40 a“海上絲路”的波浪能進(jìn)行了預(yù)估，未來(lái)可將研究區(qū)域擴(kuò)展、時(shí)間延長(zhǎng)，例如對(duì)未來(lái)100 a全球的波浪能進(jìn)行預(yù)估。由于運(yùn)算量巨大，本文僅預(yù)估了RCP4.5情景下的波浪能，未來(lái)可根據(jù)具體需求，參照本文的方法，對(duì)RCP2.6、RCP6.0和RCP8.5不同情景下的波浪能進(jìn)行預(yù)估，并對(duì)比不同情景下資源的異同，為波浪能開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期規(guī)劃提供更為詳盡的參考。