基于海上風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)建海洋水文同步實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的思考

蔡樹(shù)群, 牛建偉, 何映暉, 陳學(xué)彬, 張永康, 許潔馨, 陳植武,林世檉,5, 謝皆爍

1. 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458;

3. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院, 廣東 廣州 510225;

4. 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006;

5. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;

6. 中國(guó)科學(xué)院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 510301

風(fēng)力發(fā)電是指利用大自然的風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電裝置以獲取電能的方法。由于風(fēng)能是一種清潔無(wú)公害、環(huán)保的可再生能源, 且自然界的風(fēng)能蘊(yùn)量巨大, 因此風(fēng)力發(fā)電日益受到世界各國(guó)的重視。早在20 世紀(jì)初, 國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始了小規(guī)模陸上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)。近年來(lái), 隨著對(duì)電能的巨大需求以及對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)利用, 海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)迅猛發(fā)展。

南海是位于東亞季風(fēng)區(qū)的半封閉邊緣海, 深受季風(fēng)的影響, 冬季以東北季風(fēng)為主、夏季則以西南季風(fēng)占優(yōu), 同時(shí)南海也是熱帶氣旋/臺(tái)風(fēng)頻繁過(guò)境的海域, 風(fēng)能資源豐富。此外, 南海海盆底地形變化陡峭、礁盤(pán)星羅棋布, 南海北部海域受西太平洋黑潮入侵的影響, 水體層結(jié)顯著, 導(dǎo)致南海成為一個(gè)多尺度動(dòng)力過(guò)程非常豐富的海區(qū), 除了常見(jiàn)的波浪、潮流、海流之外, 還存在不同時(shí)空尺度的渦旋、內(nèi)波、鋒面、渦絲、湍流混合等從中尺度到小尺度的動(dòng)力過(guò)程——對(duì)這些動(dòng)力過(guò)程時(shí)空變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)不僅具有十分重要的物理海洋學(xué)理論研究意義, 而且對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的選址、海洋資源開(kāi)發(fā)和海洋工程等都具有重要的參考價(jià)值。但是, 這些中小尺度動(dòng)力過(guò)程的研究嚴(yán)重依賴(lài)于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析研究。幾十年來(lái), 盡管?chē)?guó)內(nèi)外海洋科學(xué)家在南海進(jìn)行過(guò)大量的科學(xué)考察實(shí)驗(yàn),掌握了眾多現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料, 但是由于南海海盆寬廣、每次科考的研究目標(biāo)各不相同等原因, 歷史現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料的數(shù)量、時(shí)限和數(shù)據(jù)同步性存在很多缺陷, 難以很好地把握南海中小尺度動(dòng)力過(guò)程的生成和演變規(guī)律。

目前, 已經(jīng)有研究表明, 海上風(fēng)電場(chǎng)投入運(yùn)行后, 海上的風(fēng)機(jī)樁基實(shí)際上可起到類(lèi)似人工魚(yú)礁聚集魚(yú)類(lèi)的作用, 德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家都啟動(dòng)或探索海上風(fēng)力發(fā)電與海水養(yǎng)殖的結(jié)合, 我國(guó)山東省也在去年啟動(dòng)了國(guó)內(nèi)首個(gè)“海上風(fēng)電+海洋牧場(chǎng)”示范項(xiàng)目,提升海水養(yǎng)殖與海上風(fēng)電融合發(fā)展。有鑒于此, 本文提出了利用海上風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)建海洋水文同步實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的觀點(diǎn), 以促進(jìn)海上風(fēng)電與海洋水文科學(xué)研究的融合發(fā)展。

1 南海海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的進(jìn)展

1.1 海上風(fēng)電概況

人類(lèi)的發(fā)展離不開(kāi)能源, 尋求清潔環(huán)保、取之不竭的可再生能源一直是人們的夢(mèng)想, 而利用風(fēng)能發(fā)電是可再生能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、發(fā)展最快的清潔能源。1897 年, 著名的空氣動(dòng)力學(xué)鼻祖、丹麥的Poul la Cour 通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)成功發(fā)明了風(fēng)力發(fā)電機(jī), 隨后陸上風(fēng)電迅猛發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和海洋資源的開(kāi)發(fā), 陸上風(fēng)電場(chǎng)的成功經(jīng)驗(yàn)開(kāi)始往海上延伸。1991 年, 同樣是丹麥獨(dú)占鰲頭, 建成了全球首個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)——Vindeby 海上風(fēng)電場(chǎng)。之后歐美、日本等各國(guó)的海上風(fēng)電技術(shù)日臻發(fā)展。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)發(fā)布的歐洲海上風(fēng)電報(bào)告表明(中國(guó)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)網(wǎng), 2020), 2019 年歐洲新增502 臺(tái)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組, 涉及10 個(gè)已成功并網(wǎng)的海上風(fēng)電項(xiàng)目, 新增裝機(jī)容量共計(jì)3627MW, 海上風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量達(dá)7.8MW。相比之下, 我國(guó)的陸上、海上風(fēng)電技術(shù)相對(duì)發(fā)展落后, 直到2010 年, 上海的東海大橋項(xiàng)目的投產(chǎn)才標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)電實(shí)現(xiàn)零的突破。據(jù)報(bào)道, 2019 年, 我國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)198 萬(wàn)千瓦, 累計(jì)裝機(jī)593 萬(wàn)千瓦(國(guó)家能源局, 2020)。

海上風(fēng)電場(chǎng)的選址十分重要, 因?yàn)椴⒉皇撬械暮^(qū)都適合建設(shè)海上風(fēng)電。根據(jù)我國(guó)《海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)建設(shè)管理辦法》[2016]394 號(hào)規(guī)定: 海上風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)當(dāng)按照生態(tài)文明建設(shè)要求, 統(tǒng)籌考慮開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和資源環(huán)境承載能力, 原則上應(yīng)在離岸距離不少于10km、灘涂寬度超過(guò)10km 時(shí)海域水深不得少于10m 的海域。除此之外, 海上風(fēng)電場(chǎng)選址最主要的考量是風(fēng)力資源, 一般要求海區(qū)的年平均風(fēng)速大于6m·s-1; 其次是海底的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定(包括地震的活躍程度、底地形坡度、海床的沖淤變化程度等等)以及水動(dòng)力環(huán)境(包括流場(chǎng)、波浪的強(qiáng)度)是否適宜; 再者, 還要考慮風(fēng)電場(chǎng)的水深、離岸距離(這主要是出于工程投資成本和技術(shù)可行性的考量, 初期的風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址的水深一般不超過(guò)20m, 但由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展且遠(yuǎn)海風(fēng)能資源更加穩(wěn)定, 歐洲海上風(fēng)電正向遠(yuǎn)海深水區(qū)發(fā)展, 水深和離岸距離逐步增加。2019 年歐洲在建的海上風(fēng)電場(chǎng)平均水深為33m、平均距離為 59km, 其中水深最深的漂浮式項(xiàng)目Hywind demo 風(fēng)電場(chǎng)所在水深甚至可達(dá)幾百米;Hornsea One 等風(fēng)電場(chǎng)的離岸距離都超過(guò)100km)及極端氣象條件(例如臺(tái)風(fēng)、雷電天氣等)對(duì)工程建設(shè)的影響; 最后還要考慮與當(dāng)?shù)睾Ｑ蠊δ軈^(qū)劃及相關(guān)規(guī)劃的符合性、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境和敏感目標(biāo)(包括鳥(niǎo)類(lèi)、漁業(yè)資源等)避開(kāi)海底管道和電纜、航道、錨地和其他重要設(shè)施, 等等。

南海處于典型的季風(fēng)盛行海區(qū), 風(fēng)力資源十分豐富, 北部有寬廣的、底地形變化相對(duì)平緩且地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的大陸架, 海區(qū)水動(dòng)力環(huán)境變化復(fù)雜但各地差異較大, 但總體來(lái)說(shuō), 經(jīng)論證遴選, 仍不失為一個(gè)較好的海上風(fēng)電場(chǎng)。

1.2 廣東省的南海海上風(fēng)電場(chǎng)概況

作為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的大省, 廣東省自2017 年起已經(jīng)將海上風(fēng)電定位為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。按照2018 年《廣東省海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃(2017—2030 年)(修編)》(廣東省發(fā)展改革委, 2018), 廣東省規(guī)劃海上風(fēng)電場(chǎng)址23 個(gè), 總裝機(jī)容量達(dá)6685 萬(wàn)千瓦。但是據(jù)目前不完全統(tǒng)計(jì), 廣東省經(jīng)論證在建的海上風(fēng)電項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)到26 項(xiàng)(表1), 主要分布在珠江口、南海北部近海附近的大陸架上。

表1 廣東省目前在建的南海海上風(fēng)電項(xiàng)目Tab. 1 Current offshore wind power projects under construction in Guangdong Province

海上風(fēng)電場(chǎng)主要由海上風(fēng)電機(jī)組、海底電纜、升壓站三部分構(gòu)成, 它一般依據(jù)所在海域的地質(zhì)環(huán)境、水動(dòng)力和沖淤環(huán)境、用海原則及工程投資性?xún)r(jià)比等要素, 由若干臺(tái)各自獨(dú)立的風(fēng)電機(jī)組按照不同的平面方案設(shè)計(jì)構(gòu)成的陣列式風(fēng)電機(jī)組,每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能通過(guò)海底電纜接入升壓站, 升壓后再通過(guò)海底電纜輸送到陸上集控中心并接入電網(wǎng)系統(tǒng)。其中, 每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組作為一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng), 它是由海上風(fēng)機(jī)、塔架和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)三部分構(gòu)成的。目前, 根據(jù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的不同, 海上風(fēng)機(jī)主要分為固定式風(fēng)機(jī)和漂浮式風(fēng)機(jī)(樊天慧等, 2019)。其中, 固定式風(fēng)機(jī)是將基座固定在海床上, 包括重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、沉箱基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)等各種類(lèi)型的風(fēng)機(jī); 而漂浮式風(fēng)機(jī)則是將風(fēng)機(jī)建在浮動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)上, 由錨泊系統(tǒng)固定于海床, 包括由單個(gè)浮式立柱(Spar)式風(fēng)機(jī)、由多個(gè)浮式立柱和斜撐連接的系泊系統(tǒng)組成的半潛式風(fēng)機(jī), 以及由多個(gè)垂直系泊的浮式立柱組成的張力腿(tension-leg platform, TLP)式風(fēng)機(jī)等多種類(lèi)型(圖1)。

圖1 海上風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)的5 種常見(jiàn)形式從左至右分別是固定式單樁基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)、漂浮式spar、半潛式和TLPFig. 1 Five common forms of offshore wind power platforms. From left to right, they are fixed types including single pile and multi-piles, floating types including spar, semi-submersible platform, and Tension-Leg Platform, respectively

2 南海北部海洋水文動(dòng)力現(xiàn)象及其現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)存在的問(wèn)題

2.1 南海北部海洋水文動(dòng)力現(xiàn)象概況

海洋是一個(gè)包含大尺度(量級(jí)為1000km)環(huán)流、中尺度(量級(jí)為100km)渦旋/內(nèi)波、次中尺度(量級(jí)為1～10km)渦絲/鋒面和小尺度(量級(jí)為0.1～1cm)湍流混合等多尺度動(dòng)力過(guò)程的復(fù)雜非線性系統(tǒng)(Skákala et al, 2019)。幾乎所有海洋水文動(dòng)力現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)都有賴(lài)于包含衛(wèi)星遙感在內(nèi)的海洋觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

南海北部是一個(gè)典型的具有多種時(shí)空尺度動(dòng)力過(guò)程的海區(qū)。來(lái)自珠江口幾大口門(mén)徑流的沖淡水向南注入南海北部, 沖淡水羽狀流受徑流大小、潮流、風(fēng)以及廣東沿岸流的不同影響而形成離岸向外擴(kuò)展、向西沿岸擴(kuò)展、向東離岸擴(kuò)展、東西沿岸對(duì)稱(chēng)擴(kuò)展等多種不同形態(tài)分布(Ou et al, 2007; Chen et al,2016)。一般認(rèn)為, 冬季沿岸流向西, 夏季沿岸流向東(Su, 2004)。在廣東沿岸流的外側(cè), 受東亞季風(fēng)影響, 南海北部的陸坡的海流也呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化: 冬季以西南向海流為主、而夏季則以東北向海流為主。在夏季, 由于受局地海底地形、岸線形狀以及西南季風(fēng)與珠江沖淡水聯(lián)合效應(yīng)共同作用, 粵東沿岸會(huì)出現(xiàn)上升流(Wang et al, 2014)。同時(shí), 黑潮在流經(jīng)呂宋海峽時(shí), 其以不同方式、程度和強(qiáng)度入侵南海北部, 使得南海北部環(huán)流更為復(fù)雜。受風(fēng)應(yīng)力旋度、黑潮入侵和地形等因素的影響, 南海北部中尺度渦現(xiàn)象活躍、呈現(xiàn)復(fù)雜的多渦結(jié)構(gòu)(He et al,2018); 這些渦旋一旦形成, 一般以羅斯貝波的形式向西傳播。此外, 來(lái)自西太平洋的潮波經(jīng)過(guò)呂宋海峽傳入南海時(shí), 潮流在穿越呂宋海峽之間的島嶼和變化陡峭的海底雙海脊過(guò)程中會(huì)形成振幅巨大的內(nèi)潮及強(qiáng)非線性?xún)?nèi)孤立波(Cai et al, 2012)。除此之外,由于南海又是受臺(tái)風(fēng)頻繁過(guò)境影響的海區(qū), 由此引起海表風(fēng)場(chǎng)的突變會(huì)在海洋上混合層激發(fā)近慣性振蕩, 隨之引起密躍層附近水體的擾動(dòng)而產(chǎn)生具有局地慣性頻率的近慣性?xún)?nèi)波(Xu et al, 2019)。因此, 南海北部復(fù)雜的環(huán)流/渦旋/內(nèi)波等多尺度動(dòng)力過(guò)程及其非線性相互作用, 導(dǎo)致流場(chǎng)十分復(fù)雜, 水體混合強(qiáng)烈、垂向?qū)咏Y(jié)強(qiáng)度日變化乃至季節(jié)性變化顯著;而水體層結(jié)強(qiáng)度的變化又反過(guò)來(lái)影響內(nèi)波的強(qiáng)度和垂向結(jié)構(gòu)。

圖2 南海北部海洋多尺度動(dòng)力過(guò)程及廣東海上風(fēng)電場(chǎng)位置示意圖白色圓圈表示風(fēng)電場(chǎng)所在大概位置, 實(shí)線箭頭表示冬季的海流, 虛線箭頭表示夏季的海流, 淡灰色區(qū)域表示水深淺于200m 的海域[審圖號(hào)為GS(2016)1609 號(hào)]Fig. 2 Diagram of oceanic multi-scale dynamic processes in the northern South China Sea and the locations of offshore wind power projects in Guangdong Province. The white dots denote the approximate sites of offshore wind power projects, the solid arrows denote the currents in winter whilst the dashed arrows denote the currents in summer, and the light grey area indicates that the water depth there is shallower than 200m

2.2 南海北部水文現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)存在的問(wèn)題

近年來(lái)海洋水文觀測(cè)技術(shù)迅猛發(fā)展, 但仍然可以歸納為如下幾個(gè)方面: (1)浮標(biāo)和潛標(biāo)技術(shù), 包括集常用的氣象水文傳感器于一身、具備先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和通信的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的定點(diǎn)觀測(cè)浮標(biāo)/潛標(biāo), 以及漂流浮標(biāo)Argos 和ARGO 探測(cè)浮標(biāo)等; (2)依托沿岸或石油平臺(tái)作為固定式的海洋觀測(cè)平臺(tái)的岸基臺(tái)站觀測(cè)技術(shù), 也包括最近新發(fā)展的高頻地波雷達(dá)觀測(cè)技術(shù); (3)利用船舶作活動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行海洋大面調(diào)查和觀測(cè)的船基海洋觀測(cè)技術(shù); (4)利用航空遙感和衛(wèi)星遙感進(jìn)行大尺度觀測(cè)的海洋遙感技術(shù); (5)將自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)于河口或近海海底的海床基觀測(cè)技術(shù); (6)包括載人潛器、無(wú)人有纜遙控潛器和水下滑翔機(jī)等用于水下環(huán)境監(jiān)測(cè)的自航式海洋觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)(蔡樹(shù)群 等, 2007)。

但是如上所述, 南海存在復(fù)雜的多空間、多時(shí)間尺度變化的動(dòng)力現(xiàn)象, 針對(duì)不同動(dòng)力現(xiàn)象開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間和空間采樣分辨率存在很大差異。例如, 利用聲學(xué)多普勒流速儀來(lái)觀測(cè)海流或內(nèi)潮波,采樣的頻率設(shè)計(jì)為每小時(shí)1 次就足夠了, 但如果用來(lái)觀測(cè)內(nèi)孤立波, 采用的頻率則最好不超過(guò)每?jī)煞昼?次。這是由它們之間迥異的時(shí)間尺度決定的。此外,每種海洋觀測(cè)技術(shù)手段都有其缺陷, 例如浮標(biāo)和潛標(biāo)技術(shù)、海床基觀測(cè)技術(shù)以及自航式海洋觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)都存在致命的電源供應(yīng)難題; 岸基臺(tái)站觀測(cè)技術(shù)只能觀測(cè)近岸的環(huán)境要素; 船基海洋觀測(cè)技術(shù)只能觀測(cè)到有限的點(diǎn)、面或?qū)哟蔚沫h(huán)境要素, 且受制于臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣/海況的影響; 海洋遙感技術(shù)可以進(jìn)行大尺度、快速、同步地觀測(cè), 特別是最近美國(guó)國(guó)家航空航天局和法國(guó)國(guó)家空間研究中心計(jì)劃于2021 年發(fā)射升空新的傳感器計(jì)劃Surface Water and Ocean Topography, 其對(duì)高程測(cè)量的精度可達(dá)到0(1)km, 這非常有助于觀測(cè)中小尺度動(dòng)力過(guò)程, 但是遙感觀測(cè)也只能獲取某些時(shí)刻海表上層的一些海面高度、海流、溫度或大振幅內(nèi)波的信息。

因此, 盡管之前對(duì)南海北部多尺度動(dòng)力過(guò)程的研究取得了不少成果, 特別是對(duì)大中尺度的海流、渦旋的生成和演變規(guī)律有較為清晰的了解, 但是對(duì)一些中小尺度動(dòng)力過(guò)程的研究仍然處于初始階段,這主要在于我們無(wú)法獲得陣列式、長(zhǎng)期(持續(xù)一年以上)定點(diǎn)連續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料, 導(dǎo)致對(duì)一些海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程的研究無(wú)法獲取突破性的進(jìn)展。而要獲得這些資料, 利用浮標(biāo)、潛標(biāo)或海床基觀測(cè)技術(shù)是首選的手段, 但如何保證其電源的持續(xù)供應(yīng)是一個(gè)難題。近幾年來(lái), 我國(guó)海洋科學(xué)家已經(jīng)在黃海、東海、南海和西沙等4 個(gè)觀測(cè)研究站建成中國(guó)近海海洋科學(xué)觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)多學(xué)科觀測(cè)系統(tǒng), 觀測(cè)研究站主要由觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)、組合潛標(biāo)系統(tǒng)、自動(dòng)氣象站、島礁外緣水位計(jì)、島上自動(dòng)氣象站、島上實(shí)驗(yàn)室、島嶼外緣坐底式觀單元、上層和深層海洋環(huán)境觀測(cè)單元以及多學(xué)科觀測(cè)單元組成。但是, 這些觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)站點(diǎn)所涵蓋的海域仍然非常有限, 同時(shí)除了需要解決陸上電源的供應(yīng)外, 布放離岸的浮標(biāo)、潛標(biāo)還要避免受人為的破壞或者過(guò)往船只的磕碰, 特別是對(duì)于潛標(biāo), 為了避免被漁民的漁網(wǎng)纏住,一般要將設(shè)置在最上面的觀測(cè)儀器離海面50m 左右,即做成一個(gè)不露出海面的潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng), 但這樣的后果是無(wú)法觀測(cè)到海面50m 以淺的觀測(cè)數(shù)據(jù), 這無(wú)疑極大地影響對(duì)海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程的信息提取和現(xiàn)象解讀。

圖3 附著在固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上的觀測(cè)潛標(biāo)的側(cè)面投影圖Fig. 3 Profile of the observational mooring attached at the base of offshore wind power

對(duì)于南海北部的在建風(fēng)電場(chǎng), 每個(gè)工程項(xiàng)目的場(chǎng)址涉海面積一般在幾十至100km2以?xún)?nèi)、至少包含幾十臺(tái)乃至上百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組, 每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組之間的樁柱距離約幾十米; 如果依托每臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)配置水文傳感器、數(shù)據(jù)采集和通信的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),那么每臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)就是一個(gè)定點(diǎn)的觀測(cè)浮標(biāo)/潛標(biāo);在保證電源持續(xù)供應(yīng)的情況下, 每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)就是一個(gè)陣列式的、長(zhǎng)期(持續(xù)一年以上)定點(diǎn)連續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)平臺(tái)(圖3)。相比依托漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 依托固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠避免因海流、波浪等引起觀測(cè)儀器搖曳, 進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量誤差。不過(guò), 無(wú)論是以固定式風(fēng)機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 還是依托漂浮式風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 都需要至少能保證其電源的長(zhǎng)期持續(xù)供應(yīng), 并更好地避免受人為破壞,從而持續(xù)觀測(cè)到從海面至海底全水深的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù);同時(shí)依托風(fēng)機(jī)露出水面的部分來(lái)安裝先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和通訊系統(tǒng), 就可以實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境參數(shù)的觀測(cè)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸, 形成一個(gè)依托風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的海洋水文同步實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)。這對(duì)于研究海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程的科學(xué)家無(wú)疑是一大福音。

3 利用海上風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)建海洋水文同步實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的思考

綜上所述, 如果能夠利用目前海上風(fēng)電場(chǎng)的大批量建設(shè), 構(gòu)建一個(gè)依托風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的海洋水文同步實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng), 除了可以取得一大批量的長(zhǎng)期定點(diǎn)、同步的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)之外, 至少還可以在下述幾個(gè)方面的海洋科學(xué)研究熱點(diǎn)問(wèn)題取得突破性的研究成果。

1) 珠江口沖淡水羽狀流的擴(kuò)散范圍。由于沖淡水在向外海流動(dòng)過(guò)程中不斷地與南海咸水混合, 其擴(kuò)散范圍深受徑流、潮流、風(fēng)以及廣東沿岸流的影響, 僅憑有限的浮標(biāo)/潛標(biāo)或大面站現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)、有限時(shí)段的遙感圖片及數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)研究, 無(wú)法透徹地揭示珠江口沖淡水羽狀流的向粵東或粵西擴(kuò)展的長(zhǎng)期、連續(xù)變化趨勢(shì)。倘若能夠利用伶仃洋、粵東和粵西現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng), 建設(shè)依托風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的海流、溫鹽等的同步實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 上述難題將迎刃而解。

2) 內(nèi)孤立波在粵東陸架陸坡區(qū)的破碎、失穩(wěn)和能量轉(zhuǎn)換。源自呂宋海峽并向東經(jīng)過(guò)東沙群島的內(nèi)孤立波在傳播至南?；洊|陸坡區(qū)時(shí), 由于層結(jié)強(qiáng)度減弱、底地形變化等原因會(huì)發(fā)生形態(tài)變化、失穩(wěn)、破碎等現(xiàn)象, 這些現(xiàn)象是如何發(fā)生的？發(fā)生的具體地點(diǎn)在哪里？其失穩(wěn)、破碎后的能量以何種形式耗散或轉(zhuǎn)換？通過(guò)依托風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的海流、溫鹽的同步實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 我們可以獲得大量長(zhǎng)期定點(diǎn)、同步的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù), 從而揭示這些動(dòng)力過(guò)程和規(guī)律。

3) 南海北部沿岸的風(fēng)暴潮增水。以往關(guān)于南海北部沿岸風(fēng)暴潮增水特征和規(guī)律的研究大都是依據(jù)個(gè)別沿岸觀測(cè)站的資料并結(jié)合數(shù)值模式。但由于潮波、波浪在傳播靠近沿岸時(shí)會(huì)發(fā)生折射、反射等現(xiàn)象, 使得對(duì)風(fēng)暴潮增水的研究更加復(fù)雜。借助在相對(duì)開(kāi)闊的陸架海域依托風(fēng)機(jī)建立的海流、溫鹽、波浪、水位等同步實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng), 可以對(duì)風(fēng)暴潮增水進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè), 從而獲得未受折射、反射影響的近海風(fēng)暴潮增水規(guī)律, 之后再結(jié)合沿岸觀測(cè)站的風(fēng)暴潮增水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模式的研究, 有望充分揭示風(fēng)暴潮增水在近海、沿岸的特征和演變規(guī)律。

4) 小尺度多聯(lián)通區(qū)域的波浪-海流相互作用。海上石油平臺(tái)樁柱間的波浪-海流相互作用及其載荷一直是海洋科學(xué)和海洋工程中面臨的難點(diǎn)話(huà)題,以往的研究大多借助室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的物模試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)值模擬的方法, 但其結(jié)論缺乏足夠多的海上現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。在開(kāi)闊海域中, 風(fēng)電場(chǎng)有序排列的固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)(樁柱)恰好形成一個(gè)小尺度多聯(lián)通區(qū)域的波浪-海流相互作用的天然平臺(tái)。如果能借助這些平臺(tái)的海流、波浪、水位等同步實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè), 就可以結(jié)合數(shù)值模式來(lái)揭示平臺(tái)樁柱間的波浪折射、衍射和反射規(guī)律, 以及波浪-海流相互作用的規(guī)律及其對(duì)平臺(tái)的載荷。

5) 海洋動(dòng)力-生物地球化學(xué)過(guò)程的耦合交叉研究。海洋動(dòng)力過(guò)程對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽和浮游生物的水平和垂向分布有重要影響。作為延伸, 如果在依托風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的海洋水文同步實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)中增加對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽、浮游動(dòng)植物的同步觀測(cè), 不僅有利于研究海洋動(dòng)力過(guò)程對(duì)浮游動(dòng)植物、營(yíng)養(yǎng)鹽的影響和調(diào)制作用,強(qiáng)化海洋動(dòng)力-生物地球化學(xué)過(guò)程的耦合交叉研究,還可以為海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模式的參數(shù)化方案的優(yōu)化和改進(jìn)提供大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)積累, 促進(jìn)海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)的學(xué)科發(fā)展。

誠(chéng)然, 利用海上風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)建海洋水文同步實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)也可能存在以下問(wèn)題或風(fēng)險(xiǎn)。

1) 觀測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建必須實(shí)現(xiàn)征得風(fēng)電場(chǎng)企業(yè)業(yè)主的同意, 需爭(zhēng)取獲得國(guó)家層面上的政策支持或雙方合作申請(qǐng)“產(chǎn)學(xué)研”相關(guān)項(xiàng)目, 在互惠互利的基礎(chǔ)進(jìn)行協(xié)商以達(dá)到雙贏。同時(shí), 由于每個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)一般只包含纜繩、海流、溫鹽等傳感器, 體積小, 不會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的申請(qǐng)用海面積或權(quán)屬造成影響, 但在風(fēng)電場(chǎng)的工程設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)需進(jìn)行綜合考慮和論證,以便觀測(cè)系統(tǒng)得以合理安裝。

2) 由于風(fēng)機(jī)水下結(jié)構(gòu)和觀測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期置于海底, 為了避免海洋生物的附著對(duì)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)精度的影響, 建議對(duì)風(fēng)機(jī)和觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行定期同步維護(hù)。

3) 萬(wàn)一由于風(fēng)太小或臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)等原因?qū)е嘛L(fēng)電供應(yīng)電力不足, 觀測(cè)系統(tǒng)的電力可以通過(guò)觀測(cè)儀器自行攜帶的電池進(jìn)行供電, 保證觀測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。