海上絲綢之路波浪能的時空特征分析

段閃華, 姜明波, 薄文波, 李醒飛,5, 楊少波,5

(1.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學青島海洋技術研究院，山東 青島 266200；3. 中國人民解放軍61540部隊，陜西 西安 710054；4. 海軍研究院海洋環(huán)境研究所，天津300000；5.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266003)

引 言

當今時代，煤、石油等不可再生資源愈發(fā)緊缺，能源危機日益嚴重，各國能源研究者紛紛將矛頭對準海洋能源[1]。占地球面積71% 的海洋資源十分豐富，發(fā)展?jié)摿薮?，擁有眾多的生物資源、礦產資源和動力資源[2]。海上絲綢之路(是2013年10月習近平總書記訪問東盟時提出的戰(zhàn)略構想，以點帶線，以線帶面，增進周邊國家和地區(qū)的交往，串起連通東盟、南亞、西亞、北非、歐洲等各大經濟板塊的市場鏈，發(fā)展面向南海、太平洋和印度洋的戰(zhàn)略合作經濟帶，以亞歐非經濟貿易一體化為發(fā)展的長期目標。)主要由南海和北印度洋兩大海域組成，是重要的海上資源通道，擁有眾多海上交通路線，發(fā)展?jié)摿薮骩3]，同時海上絲綢之路海域沿線國家相對落后的經濟發(fā)展，開發(fā)不及時的能源，不完善的基礎設施等眾多不利因素制約著沿線和邊遠海島經濟的發(fā)展[4]，本研究針對這一現(xiàn)狀，對南海和北印度洋海域的波浪能資源分布特征進行系統(tǒng)分析和評估，為海上絲綢之路的波浪能開發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)，助力海上絲綢之路的發(fā)展。

由于波浪能資源具有安全、無污染、分布廣、可再生等眾多優(yōu)點，各國學者對波浪能的不同方面進行了很多研究。2012年鄭崇偉等以ERA-40風場數(shù)據(jù)為驅動場驅動WAVEWATCH-III模型對南海-北印度洋海域的有效波高進行模擬，并對波浪能的波候特征進行分析，包括波浪的變化趨勢、周期和Nino3指數(shù)，指出北印度洋的海表風速和有效波高都存在一個 26.0 a的長周期震蕩[5]；2013年鄭崇偉對波浪能資源發(fā)展前景和波浪發(fā)電裝置進行了分析和介紹[2]；2014年宗芳伊等采用SWAN模式對1986年—2005年的南海海域有效波高進行模擬，計算分析了波浪能流密度特征[6]；2015年鄭崇偉等從科學研究的角度首次系統(tǒng)和精細化地分析了海上絲綢之路的海洋環(huán)境特征[7]；2016年高占勝等采用一元線性回歸方法對南海-北印度洋海域的有效波高在1957年9月—2002年8月的長期變化趨勢進行計算[8]。2017年鄭崇偉等構建了首份海上絲綢之路的波浪能大數(shù)據(jù)庫，主要包括波浪能氣候背景、變化趨勢、涌浪特征等六個方面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化[9]；2018年劉敏等[10]對西北太平洋2017年秋季的混合浪、涌浪和風浪的變化特點進行分析并計算了波浪能的空間分布；2019年鄭崇偉等[11]利用ERA-Interim海浪再分析資料，對海上絲綢之路的波浪能資源的氣候特征及長期變化趨勢進行分析。

為推進海上絲綢之路沿線海域波浪能的開發(fā)和建設提供豐富的基礎數(shù)據(jù)，本文采用2009年—2018年的ERA5海浪逐時資料對海上絲綢之路的有效波高(significant wave height，SWH)分布、可用波高月際變化、波浪能流密度(wave power density，WPD)分布、WPD月際變化、波浪能級頻率月際變化、波浪能有效儲量月際變化和波浪能穩(wěn)定性(變異系數(shù)、月變化指數(shù)和季節(jié)變化指數(shù))進行計算，不僅為海上絲綢之路海域的海上風力發(fā)電、海浪發(fā)電、風力海浪聯(lián)合發(fā)電等資源開發(fā)工作提供依據(jù)和指導，而且為海水淡化、供熱、海上養(yǎng)殖、海上浮標、燈塔、潛艇和海上孤島提供能源中繼站，為海上航行蓄力，為人類探索提供有力支撐，共同促進人類可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 資料與方法

1.1 資料介紹

ERA5是歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)推出的迄今較為強大的全球氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)集第五代工具，是繼ERA-interim之后推出的新產品。該數(shù)據(jù)幾乎包含了描述波浪的所有參數(shù)，其中包括極值波高、極值波周期、涌浪、SWH、平均周期、平均波向等，使用的是ECMWF綜合預測系統(tǒng)(IFS)的CY41R2中的4D-Var數(shù)據(jù)同化產生，同化數(shù)據(jù)為ERS-1/2、ENVISAT、Jason-1、Jason-2、CRYOSAT-2和SARAL衛(wèi)星數(shù)據(jù)[12-18]。采用的波浪資料是2009—2018年的逐時數(shù)據(jù)，選取范圍是15°S ～ 30°N，30°E ～ 130°E，空間分辨率是0.5°×0.5°，包含SWH、平均周期和平均波向等。

1.2 數(shù)據(jù)有效性

衛(wèi)星數(shù)據(jù)是近年來用于驗證SWH的熱點數(shù)據(jù)[19-20]，由于其覆蓋范圍廣、分辨率高和時間范圍長等優(yōu)點被大量用于海浪資料的研究和應用上。前人[21-22]的工作表明衛(wèi)星數(shù)據(jù)對SWH數(shù)據(jù)的驗證是可靠的，本文利用Jason-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)對ERA5的SWH數(shù)據(jù)進行驗證，Jason-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)、歐洲氣象衛(wèi)星開發(fā)組織(EUMETSAT)和法國宇航局(CNES)聯(lián)合推出，搭載AMR-2 被動式微波輻射計(Advanced Microwave Radiometer-2)和Poseidon-3B雙頻(5.3 GHz和13.6 GHz)高度計，可提供連續(xù)的具有統(tǒng)一的精度和覆蓋性的數(shù)據(jù)[23-24]。

1.3 本文方法

驗證ERA5再分析數(shù)據(jù)SWH的可靠性，采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率是1° × 1°，ERA5數(shù)據(jù)分辨率為0.5° × 0.5°，不必插值，選擇對整個海域的整數(shù)經度和緯度的日平均數(shù)據(jù)進行驗證。本文對整個研究海域分別計算了2017年日平均SWH的相關系數(shù)(CC)、偏差(Bias)、均方根誤差(RMSE)，公式分別如下所示。

(1)

(2)

(3)

計算結果如圖1所示，可以看出，整個海域的SWH的相關系數(shù)都在0.9以上，說明ERA5再分析數(shù)據(jù)SWH與高度計數(shù)據(jù)在變化趨勢上是一致的，具有很好的相關性；偏差有正有負，但數(shù)值都較小，說明ERA5數(shù)據(jù)和高度計數(shù)據(jù)在數(shù)值上很接近。整體來看，ERA5再分析數(shù)據(jù)的SWH具有很好的可靠性，適宜進行波浪能分析和評估。

圖1 有效波高驗證結果 (a) ～ (c)分別是CC、Bias、RMSE

2 波浪能特征分析

2.1 有效波高分布特征

利用2009—2018年的ERA5波浪逐時資料對海上絲綢之路海域的SWH進行計算，分別計算了SWH季節(jié)分布(上一年12月—2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，下同)和10年平均分布，如圖2所示。

其實不過是個游戲，可是看著萬姐虔誠的樣子，我倒怕真算出個不好的，讓她失望。我說：“那東西都是玩兒的，不準，還不如我在網上給你搜搜，看看有沒有你女兒的消息。”

圖2 海上絲綢之路海域有效波高分布特征 (a)—(e)分別是冬季、春季、夏季、秋季、10年平均(單位：m)

冬季，南海的SWH明顯高于北印度洋海域，在1.8 ～ 2.1 m之間，等值線呈東北—西南走向。阿拉伯海和孟加拉灣的SWH大部分在0.9 ～ 1.2 m 之間；春季，南海的SWH低于北印度洋海域，大部分在1.2 m以上，北印度洋海域SWH逐漸增大，比冬季SWH略高，大部分在1.2 m 以上，從等值線向北凸起的部分看出，孟加拉灣的SWH是南印度洋的涌浪北傳所致[25]；夏季，西南季風盛行，阿拉伯海的SWH基本在 2.1 m 以上，最高值可達3.3 m。孟加拉灣的SWH次之，在 2.1 ～ 2.4 m 之間。南海的SWH明顯小于阿拉伯海和孟加拉灣，大部分1.2 m 以上；秋季，南海的SWH明顯高于北印度洋，大部分在 1.5 m 以上，最高值可達2.4 m。孟加拉灣的SWH小于南海，在 1.2 ～ 1.8 m 之間。阿拉伯海的SWH相對最小，在1.2 m左右。從年平均值來看，阿拉伯海、孟加拉灣和南海的SWH數(shù)值大致相同，都在1.5 ～ 1.8 m之間。

整體來看，海上絲綢之路海域SWH具有明顯的季節(jié)特征，南海秋季和冬季SWH較高；阿拉伯海和孟加拉灣海域夏季SWH最高，春季和秋季的SWH次之，冬季SWH較低。

2.2 可用有效波高月際變化特征

通常SWH大于1.3 m時可用于波浪能開發(fā)，4.0 m以上SWH具有較大的破壞能力，會縮短波浪能裝置的使用壽命，鄭崇偉等[26]將1.3 ～ 4.0 m的SWH定義為波浪能開發(fā)的可用波高(簡稱“可用波高”)，可用波高出現(xiàn)的頻率( effective wave height occurrence，EWHO)反映出波浪能的可利用率。利用2009—2018年ERA5逐時的SWH數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了海上絲綢之路海域各個月份的EWHO。以1月份為例，將10年所有1月的SWH數(shù)據(jù)的可用波高進行統(tǒng)計，得到海上絲綢之路海域1月份的EWHO。海上絲綢之路海域1—12月的EWHO，如圖3所示。海上絲綢之路海域的EWHO整體呈單峰型月際分布特征，峰值出現(xiàn)在6—9月，EWHO在40 %以上，5、10月—翌年2月次之，EWHO在30 %左右，3月和4月最低，EWHO在27 % ～ 28 %。

圖3 海上絲綢之路海域各個月份的波浪能開發(fā)可用波高出現(xiàn)的頻率

2.3 波浪能流密度分布特征

WPD是評價波浪能資源分布狀況最直接的要素，可直觀地表示研究區(qū)域波浪能資源的空間和時間分布狀況[11,27-28]。利用2009—2018年的ERA5逐時數(shù)據(jù)計算每個網格點的季節(jié)平均和10年平均的波浪能流密度，采用公式 (4) 對WPD進行計算，在公式 (4) 中，Pw是WPD，H1/3是SWH，是平均波周期，計算結果如圖4所示。

(4)

冬季，在冷空氣的影響下[15]，南海的WPD明顯高于北印度洋海域，基本在10 kW/m以上，等值線呈東北—西南走向。北印度洋海域的WPD整體偏低，大部分在3 kW/m 以上；春季，南海的WPD低于北印度洋海域，大部分在5 kW/m 以上，北印度洋海域WPD逐漸增大，比冬季WPD略高，大部分在5 kW/m 以上，從等值線向北凸起的部分看出，孟加拉灣的WPD是南印度洋的涌浪北傳所致，這與鄭崇偉等[24]的結論一致；夏季，西南季風盛行，阿拉伯海的WPD基本在 25 kW/m 以上，最高值可達55 kW/m。孟加拉灣的WPD次之，在 20 kW/m 以上。南海的WPD明顯小于阿拉伯海和孟加拉灣，大部分在5 kW/m 以上；秋季，氣候逐漸向冬季靠近，冷空氣逐漸增強，南海的WPD明顯高于北印度洋，大部分在15 kW/m 以上，最高值可達35 kW/m。孟加拉灣的WPD小于南海，基本在 10 kW/m 以上。阿拉伯海的WPD相對最小，在5 ～ 10 kW/m 之間。從年平均值來看，阿拉伯海的WPD最大(12 ～ 24 kW/m)，孟加拉灣次之(12 ～ 21 kW/m)，南海相對最小(9 ～ 12 kW/m)。

整體來看，海上絲綢之路海域WPD具有明顯的季節(jié)特征，南海秋季和冬季WPD較高，主要受冷空氣和西南季風影響[11]；北印度洋海域上，阿拉伯海和孟加拉灣海域夏季WPD最高，春季和秋季的WPD次之，冬季WPD較低，這是因為南印度洋的涌浪常年向孟加拉灣傳播，夏季，阿拉伯海域強勁的西南季風產生的涌浪抑制南印度洋的涌浪向阿拉伯海傳播，西南季風占主導地位；冬季，夏馬風產生向南傳播的涌浪影響了南印度洋向阿拉伯海域傳播的涌浪[26,29]。

2.4 波浪能流密度月際變化特征

在對WPD季節(jié)特征的分析基礎上，對WPD的月際變化特征進行計算和分析，可以清晰地觀察2009—2018年的WPD的月平均值變化趨勢，將海上絲綢之路海域10年所有 1 月份的WPD做平均，得到0.5° × 0.5° 每個網格點上10年平均的1月WPD，然后再進行區(qū)域平均，得到海上絲綢之路海域10年平均的1月WPD，同樣的方法得到海上絲綢之路海域10年平均2—12月WPD，如圖5所示。整體來看，海上絲綢之路海域的WPD呈單峰型月際變化特征。6—8月的WPD明顯高于其余月份，都在9.9 kW/m以上。WPD最大值出現(xiàn)在7月，月平均WPD在14.0 kW/m。

圖5 海上絲綢之路海域波浪能流密度月際變化特征(單位：kW/m)

2.5 波浪能級頻率分布特征

不同等級WPD出現(xiàn)的頻率直觀體現(xiàn)出波浪能的豐富程度，利用2009—2018年逐時的WPD數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了海上絲綢之路海域各個月份的2 kW/m以上的能級頻率(available level occurrence，ALO)和20 kW/m以上能級頻率(rich level occurrence，RLO)，如圖6所示。整體來看，海上絲綢之路海域的ALO常年都在50 % 左右；RLO在6—9月較高，其余月份較低。由圖6(a)可知，頻率最大值(53 %)的ALO出現(xiàn)在7—8月和12月—翌年1月；3—4月的ALO為最低值，頻率為49 %。由圖6(b)可知，11月—翌年4月的RLO整體偏低，頻率基本在10 % 以內；5、9、10月略高；峰值出現(xiàn)在6—8月，頻率在27 %～30 %。

圖6 海上絲綢之路海域各個月份的能級頻率

2.6 波浪能資源有效儲量

(5)

圖7 海上絲綢之路海域各個月份的波浪能有效儲量

2.7 波浪能的穩(wěn)定性

波浪具有間歇性、隨機性和不可調控性等特點[31]，因此需要對波浪能的穩(wěn)定性進行計算和分析。利用2009—2018年逐時的WPD數(shù)據(jù)，參照Cornett[32]的計算方法，計算海上絲綢之路每個網格點在冬季、春季、夏季、秋季的變異系數(shù)(圖略)，以及月變化指數(shù)圖8(a)和季節(jié)變化指數(shù)圖8(b)。變異系數(shù)、月變化指數(shù)和季節(jié)變化指數(shù)數(shù)值越小，穩(wěn)定性越好。公式如下所示：

(6)

(7)

(8)

(9)

從波浪能的季節(jié)Cv看出：北印度洋冬季和秋季的Cv數(shù)值比春季和夏季小，穩(wěn)定性更好；北印度洋的Cv數(shù)值整體上比南海小，在1.0左右，大部分海域的Cv在0.6以下，南海的Cv在0.8以上，秋季Cv數(shù)值最高，冬季Cv數(shù)值最低。從Mv來看，如圖8(a)，阿曼周圍海域和南海明顯小于孟加拉灣，斯里蘭卡周圍海域的Mv在7.0左右。Sv的空間分布特征與Mv十分接近，只是有些海域在數(shù)值上略小于Mv。

圖8 海上絲綢之路海域波浪能流密度的穩(wěn)定性系數(shù)

3 結 論

本文利用2009—2018年的ERA5海浪逐時數(shù)據(jù)資料，計算分析海上絲綢之路波浪能資源的時空分布特征，得到以下結論：

(1)受冷空氣影響，南海的SWH在冬季和秋季高于北印度洋海域，數(shù)值在1.5 ～ 2.4 m之間，春季和夏季的SWH偏低。夏季，受西南季風影響，阿拉伯海的SWH最高，最高值可達3.3 m，冬季、春季和秋季阿拉伯海的SWH較低，在0.9 ～ 1.5 m之間。夏季，孟加拉灣的SWH最高，SWH在2.4 m左右，冬季、春季和秋季孟加拉灣的SWH在1.2 ～ 1.8 m之間。從海上絲綢之路海域SWH年平均分布來看，阿拉伯海、孟加拉灣和南海的SWH在1.5 ～ 1.8 m之間，數(shù)值大致相等。

(2)根據(jù)對EWHO的每個月的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，海上絲綢之路海域的EWHO呈單峰型月際分布特征，峰值出現(xiàn)在6—9月，數(shù)值在40 % 以上，最低值出現(xiàn)在3—4月，數(shù)值在27 % ～ 28 %。

(3)從海上絲綢之路的WPD的季節(jié)分布看出，冬季和秋季南海的WPD較高，呈東北—西南走向，WPD數(shù)值在15 ～ 35 kW/m 左右，春季和夏季WPD偏低，在10 ～ 15 kW/m左右。阿拉伯海的WPD在夏季最高，最高值可達55 kW/m，其余季節(jié)WPD偏低。孟加拉灣的WPD 在夏季最高，數(shù)值在20 ～ 25 kW/m之間，春季和秋季次之，冬季最低。WPD的季節(jié)分布情況和SWH的季節(jié)分布情況一致。

(4)從海上絲綢之路的WPD年平均分布看出，阿拉伯海的WPD 最高(12 ～ 24 kW/m)，孟加拉灣次之(12 ～ 21 kW/m)，南海相對最小(9 ～ 12 kW/m)。阿拉伯海的 WPD 主要由西南季風的影響所致；南海的 WPD 主要由冷空氣的影響所致，其次是西南季風；孟加拉灣的 WPD 主要是由南印度洋的涌浪北傳所致。

(5)海上絲綢之路海域的WPD 呈單峰型月際分布特征，6—8月明顯高于其他月份，都在9.9 kW/m 以上，最高月份7月達到14.0 kW/m。

(6)海上絲綢之路的 ALO 數(shù)值整體相差不大，基本在50 % 上下浮動，ALO最大值是53 %，出現(xiàn)在7、8、12、1月。海上絲綢之路的RLO呈明顯的單峰型分布特征，6—8月的RLO最高，在27 % ～ 30 %，11月—翌年4月，RLO較低，在10 % 以下。

(7)從海上絲綢之路的有效儲量的月變化分布看，6—8月有效儲量最高，在3×103kW·h/m以上，3—4月的有效儲量最低，在0.5×103kW·h/m以下。

(8)海上絲綢之路北印度洋的Cv小于南海，穩(wěn)定性較高，北印度洋大部分海域Cv數(shù)值在0.6以下，南海的Cv數(shù)值在0.8以上。Sv的空間分布特征與Mv十分接近，只是有些海域的Sv數(shù)值上略小于Mv。