基于CCMP 再分析風(fēng)場(chǎng)資料的南海海洋風(fēng)能資源評(píng)估研究

丁 杰，吳國(guó)偉，陳家慶，姜 波

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

海洋風(fēng)能作為一種可再生的清潔資源具有十分廣闊的開(kāi)發(fā)前景，是目前增長(zhǎng)最快的可再生能源技術(shù)之一。2020 年歐盟委員會(huì)發(fā)布的《海上可再生能源戰(zhàn)略》指出，預(yù)計(jì)到2030 年歐盟整體海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到6×107kW[1]。目前中國(guó)已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，能源需求問(wèn)題日益突出[2]。隨著海上風(fēng)電技術(shù)日益成熟，為了海洋風(fēng)能資源實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化利用，從“十二五”期間開(kāi)始，國(guó)家主管部門出臺(tái)了一系列扶植政策。2020 年9 月，中國(guó)明確提出2030 年“碳達(dá)峰”與2060 年“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，在此背景下沿海各地方積極推動(dòng)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，使風(fēng)電開(kāi)發(fā)由近岸逐步向中遠(yuǎn)海、邊遠(yuǎn)海島延伸，因此海洋風(fēng)能資源評(píng)估作為風(fēng)力發(fā)電和電站選址的先決條件尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海上風(fēng)能資源分布進(jìn)行了評(píng)估研究。?？》嫉萚3]利用2005—2011 年星載合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）遙感影像，反演出了浙江近岸海域10 m 風(fēng)場(chǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，資源評(píng)估結(jié)果表明離岸50 km 范圍內(nèi)風(fēng)功率密度100～300 W/m2，南部海域風(fēng)資源量最豐富。孫英偉等[4]利用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心和美國(guó)賓州大學(xué)研究的第五代中尺度氣象模式（Mesoscale Model 5，MM5）和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的再分析初始場(chǎng)資料，對(duì)大連近海地區(qū)進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估，研究表明風(fēng)能年可利用時(shí)間在7 500 h 左右。WAN Y 等[5]利用歐洲中期預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF） 再分析數(shù)據(jù)集（Re-Analysis-Interim，ERA-interim）評(píng)估了南海波浪能和風(fēng)能聯(lián)合開(kāi)發(fā)的可行性和潛力，研究表明3個(gè)風(fēng)資源優(yōu)勢(shì)地區(qū)為臺(tái)灣海峽、呂宋海峽和中南半島東南海域。鄭崇偉[6-8]利用近37 年ERA-interim數(shù)據(jù)集評(píng)估了“21 世紀(jì)海上絲綢之路”地區(qū)風(fēng)能的季節(jié)、空間的長(zhǎng)期變化特征，研究表明大部分海域風(fēng)能功率密度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，月變化指數(shù)和季節(jié)變化指數(shù)無(wú)顯著變化趨勢(shì)，資源穩(wěn)定性較好。DVORAK M J 等[9]利用MM5 中尺度模式計(jì)算和評(píng)估了加利福尼亞地區(qū)風(fēng)能資源分布及開(kāi)發(fā)潛力，研究表明北部地區(qū)80 m 風(fēng)資源最好，中部地區(qū)更適合大規(guī)模采用海上浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

以往的學(xué)者對(duì)風(fēng)能評(píng)估研究做出了諸多研究成果，然而針對(duì)南海風(fēng)能資源的年、季節(jié)空間分布和變化詳細(xì)評(píng)估研究較少，本文利用1988—2011 年的海表風(fēng)速（Cross Calibrated Multi-platform，CCMP）再分析風(fēng)場(chǎng)資料，分析了我國(guó)南海10 m 高度風(fēng)能資源的年、季節(jié)變化趨勢(shì)特征，估算了南海風(fēng)能資源的總蘊(yùn)藏量和技術(shù)可開(kāi)發(fā)量，計(jì)算了可采用固定式和浮式進(jìn)行風(fēng)力開(kāi)發(fā)的面積。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與驗(yàn)證

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文海洋風(fēng)能資源評(píng)估采用CCMP（V1.1）再分析風(fēng)場(chǎng)資料，數(shù)據(jù)來(lái)自ESE（Earth Science Enterprise）[10-11]，可 從https：//earthdata.nasa.gov/eosdis/daacs/podaac 下載。數(shù)據(jù)集融合了快速散射計(jì)衛(wèi)星（Quick Scaterometer，QUIKSCAT）、日本高級(jí)地球觀測(cè)衛(wèi)星-2（Advanced Earth Obserbing Satellite-2nd Generation，ADEOS-Ⅱ）、熱帶測(cè)雨衛(wèi)星微波成像儀（Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager，TRMM/TMI）、多波段微波輻射掃描儀（Special Sensor Microwave Imager，SSM/I）、高級(jí)微波掃描輻射計(jì)（Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System，AMSR-E）等資料[12]。水深數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)航海圖書出版社公開(kāi)出版的南海海域航海圖（圖號(hào)：17010、17020、17300、17310、 17600、 17900、 18050、 18100、 18200、18300、18400、18500、18600、18700、25030），通過(guò)矢量化獲取離散矢量水深點(diǎn)，經(jīng)插值后提取得到50 m、220 m 等深線。

1.2 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CCMP 再分析風(fēng)場(chǎng)資料的有效性，利用3 個(gè)觀測(cè)風(fēng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比定量分析，以相關(guān)系數(shù)（R）、偏差（Bias）和均方根誤差（RMSE），3 個(gè)指標(biāo)作為誤差分析的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)風(fēng)站位見(jiàn)表1。

表1 實(shí)測(cè)風(fēng)站位表

相關(guān)系數(shù)公式見(jiàn)式（1）。

式中，xi和yi分別表示站位測(cè)量值和CCMP 值；xˉ和yˉ分別表示站位測(cè)量和CCMP 的平均值。

表2 給出了3 個(gè)風(fēng)觀測(cè)站與CCMP 數(shù)據(jù)的R、Bias 和RMSE 計(jì)算結(jié)果。由表可知，R 在0.67 以上，Bias 在-1.79～-0.43 m/s 之間，RMSE 在2.11～2.69 m/s 之間。結(jié)果表明，CCMP 資料風(fēng)速值偏小，但整體與觀測(cè)值符合較好，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)資料的可靠性。

表2 實(shí)測(cè)站與CCMP 風(fēng)速值之間的相關(guān)系數(shù)、偏差和均方根誤差

2 研究區(qū)域

南海位于中國(guó)大陸的南部，屬熱帶和亞熱帶區(qū)域，南北縱跨約2 000 km，東西橫越約1 000 km，總面積約350 萬(wàn)平方公里，是中國(guó)近海中面積最大、水最深的海區(qū)，平均水深1 212 m，最大深度5 559 m，是太平洋與印度洋之間的海上走廊，同時(shí)也是我國(guó)極其重要的戰(zhàn)略運(yùn)輸生命線。

本文研究的空間范圍0°—24°N、105°E—122°E，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為6 h，時(shí)間跨度為1988 年1 月1 日至2011 年12 月31 日共24 a。為方便后續(xù)特征值統(tǒng)計(jì)分析與計(jì)算，將研究區(qū)域內(nèi)劃分為7 個(gè)海區(qū)，海區(qū)劃分依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《近海預(yù)報(bào)海區(qū)劃分》[13]。圖1 表示了研究區(qū)域范圍和海區(qū)劃分對(duì)應(yīng)編號(hào)，北部灣（A），南海西北部（B），南海東北部（C），南海中西部（D），南海中東部（E），南海西南部（F），南海東南部（G）。

圖1 研究區(qū)域和海區(qū)劃分

3 風(fēng)能資源評(píng)估方法

3.1 風(fēng)功率密度

風(fēng)功率密度是與風(fēng)向垂直的單位面積中風(fēng)所具有的功率，是衡量一個(gè)地區(qū)風(fēng)能大小，評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)風(fēng)能資源潛力的重要指標(biāo)[14]。設(shè)定時(shí)段的平均風(fēng)功率密度表達(dá)式如下[15]。

式中，PWP為平均風(fēng)功率密度，單位W/m2；n 在設(shè)定時(shí)段內(nèi)的記錄數(shù)；ρ 為空氣密度，單位kg/m3；vi為第i 個(gè)記錄的風(fēng)速，單位m/s。

3.2 平均風(fēng)速

平均風(fēng)速為給定時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)風(fēng)速的平均值，給定時(shí)間從幾秒到數(shù)年不等[14]。平均風(fēng)速按下式計(jì)算[16]。

3.3 有效風(fēng)時(shí)

有效風(fēng)時(shí)為24 a 風(fēng)速在3～5 m/s 年平均小時(shí)數(shù)[14]。

3.4 蘊(yùn)藏量

將年平均風(fēng)功率密度按照個(gè)50 W/m2間隔遞增分級(jí)劃分等值線，風(fēng)能蘊(yùn)藏量公式按下式計(jì)算[14]。

式中，E 為風(fēng)能蘊(yùn)藏量，單位kW；N 為風(fēng)功率密度等級(jí)；Si為年平均風(fēng)功率風(fēng)分布圖中各功率密度等值線間面積；Pi為各風(fēng)功率密度等值線間風(fēng)功率代表值，根據(jù)需要Pi以50 W/m2間隔等級(jí)遞增，代表值可取為：

P1=25 W/m2（0～50 W/m2區(qū)域風(fēng)功率密度代表值），P2=75 W/m2（50～100 W/m2區(qū)域風(fēng)功率密度代表值），依次類推。

3.5 技術(shù)可開(kāi)發(fā)量

考慮到風(fēng)機(jī)葉片面實(shí)際掃過(guò)的面積，年平均功率大于等于150 W/m2的區(qū)域風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量乘以0.785[16]。

4 南海風(fēng)能資源評(píng)估

南海風(fēng)能資源分布和統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2 至圖8，其中冬季為12 月至翌年2 月平均值；春季為3—5月平均值；夏季為6—8 月平均值；秋季為9—11月平均值。

4.1 風(fēng)功率密度

從多年平均空間分布上來(lái)看（圖2），南海大部分海域的風(fēng)功率密度在200 W/m2以上（屬于風(fēng)能資源豐富區(qū)）[13-14]，大值區(qū)分布于呂宋海峽—中南半島東南海域一線，呈東北—西南走向，這一區(qū)域的風(fēng)功率密度基本都在300 W/m2以上，呂宋海峽附近海域更是高達(dá)500 W/m2以上；低值區(qū)分布于近岸海域和赤道附近低緯度海域，風(fēng)功率密度基本在100 W/m2以下，屬于風(fēng)能資源貧乏區(qū)。

圖2 南海年平均風(fēng)功率密度分布圖（1988—2011 年）

從各海區(qū)年平均風(fēng)功率密度統(tǒng)計(jì)上看（表3），C 區(qū)平均值413.67 W/m2，最大值可達(dá)601.68 W/m2，風(fēng)功率密度在所有海區(qū)中最高；A 區(qū)平均值128.41 W/m2，最大值247.04 W/m2，風(fēng)功率密度最低；各區(qū)最小值均未超過(guò)100 W/m2。

表3 各海區(qū)年平均風(fēng)功率密度統(tǒng)計(jì)

由圖3 可知，冬季的風(fēng)功率密度為四季中最大，大值區(qū)呈東北—西南走向（500 W/m2以上），這是由于南海受冬季東北季風(fēng)影響比較大；春季，大值區(qū)主要分布于東沙群島東南海域（約300 W/m2），大部分海域的風(fēng)能仍在可利用范圍內(nèi)；夏季，大值區(qū)位于中南半島東南海域（400 W/m2以上）；秋季，大值區(qū)的空間地理位置與夏季相同，但風(fēng)功率密度降低為300 W/m2以上。

圖3 南海季平均風(fēng)功率密度分布圖（1988—2011 年）

圖4 給出各海區(qū)風(fēng)功率密度季節(jié)統(tǒng)計(jì)。從平均值上看，冬季和春季C 區(qū)最高，冬季663.42 W/m2，春季249.47 W/m2，夏季和秋季F 區(qū)最高，夏季221.64 W/m2，秋季175.53 W/m2，A 區(qū)在四個(gè)季節(jié)中風(fēng)功率密度處在最低水平；從最大值上看，各區(qū)四季均大于150 W/m2；從最小值上看，除D 區(qū)冬季，其他區(qū)各季節(jié)風(fēng)功率密度未超過(guò)100 W/m2。

圖4 各海區(qū)風(fēng)功率密度季節(jié)變化（1988—2011 年）

4.2 平均風(fēng)速

圖5 給出了南海24 a 年平均風(fēng)速分布圖。從整體來(lái)看，平均風(fēng)速與風(fēng)功率密度分布類似，等值線的變化趨勢(shì)同樣是以東北—西南方向?yàn)橹?。大值中心位于呂宋海峽（最大值達(dá)到8.00 m/s），大部分海域平均風(fēng)速在5.00 m/s 以上。

圖5 南海年平均風(fēng)速分布圖（1988—2011 年）

從各海區(qū)年風(fēng)速統(tǒng)計(jì)上看（表4），C 區(qū)風(fēng)速平均值7.17 m/s，最大值可達(dá)8.25 m/s，所有海區(qū)中最大；A 區(qū)上風(fēng)速平均值4.70 m/s，最大值6.09 m/s，所有海區(qū)中最小。

表4 各海區(qū)年平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

圖6 給出了南海24 a 平均風(fēng)速的季節(jié)變化。冬、秋季南海平均風(fēng)速明顯大于春、夏季。冬季，平均風(fēng)速的大值區(qū)有兩個(gè)，北部從東沙群島至呂宋海峽之間（最大值達(dá)到10.00 m/s），南部位于中南半島東側(cè)海域（超過(guò)9.50 m/s），大部分海域的平均風(fēng)速都在6.00 m/s 以上；春季，南海平均風(fēng)速全年最低，大值區(qū)集中在東沙群島至呂宋海峽之間（超過(guò)6.50 m/s） 和東沙群島至臺(tái)灣海峽之間（超過(guò)6.00m/s）；夏季，大部分海域的平均風(fēng)速都在5.00 m/s以上，大值區(qū)位于中南半島東南部（超過(guò)7.50 m/s）；秋季，南海平均風(fēng)速較夏季開(kāi)始增大，大值區(qū)位于東沙群島至呂宋海峽之間，最大值在9.00 m/s 以上。

圖6 南海季平均風(fēng)速分布圖（1988—2011 年）

圖7 給出各海區(qū)風(fēng)速季節(jié)統(tǒng)計(jì)。從統(tǒng)計(jì)變化中看，各區(qū)各季節(jié)風(fēng)速平均值大于4.00 m/s，最大值5.00 m/s 以上，最小值未超過(guò)5.00 m/s。

圖7 各海區(qū)風(fēng)速季節(jié)變化（1988—2011 年）

4.3 有效風(fēng)時(shí)

圖8 給出了南海24 a 有效風(fēng)時(shí)分布圖。有效風(fēng)時(shí)為24 a 風(fēng)速在3.00～25.00 m/s 年平均小時(shí)數(shù)。由圖8 可知，南海大部分海域有效風(fēng)時(shí)在6 000 h 以上，大值中心位于中南半島東部至海南島東部海域（超過(guò)7 800 h），低值區(qū)位于加里曼丹島近岸海區(qū)和廣西近岸海域，有效風(fēng)時(shí)在5 000 h 以下。

圖8 南海有效風(fēng)時(shí)分布圖（1988—2011 年）

從各海區(qū)有效風(fēng)時(shí)統(tǒng)計(jì)上看（表5），B、C、D、E 區(qū)有效風(fēng)時(shí)平均值在7 000 h 以上，D 區(qū)平均值7 680 h 最高；從最大值看，B 區(qū)中有效風(fēng)時(shí)可達(dá)7 978 h，在所有區(qū)中最高；從最小值看，除F、G 區(qū)外，其他區(qū)均達(dá)到2 000 h 以上。

表5 各海區(qū)有效風(fēng)時(shí)統(tǒng)計(jì)

4.4 蘊(yùn)藏量和技術(shù)可開(kāi)發(fā)量

根據(jù)式（6）計(jì)算得出，南海海洋風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量為5.79×109kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量4.48×109kW。綜合考慮水深是風(fēng)機(jī)安全重要的影響因素，水深0～50 m 海域適合采用固定式安裝，50～220 m 海域適合采用浮式安裝，大于220 m 海域目前技術(shù)成熟度還不適宜開(kāi)發(fā)[17-18]，可待技術(shù)成熟后為中長(zhǎng)期規(guī)劃。表6 統(tǒng)計(jì)出了南海各深度區(qū)間海域風(fēng)能資源技術(shù)可開(kāi)發(fā)面積。

表6 南海各深度區(qū)間海域風(fēng)能資源技術(shù)可開(kāi)發(fā)面積統(tǒng)計(jì) 單位：km2

在0～220 m 水深范圍，年平均功率密度最大值未超過(guò)450 W/m2，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量6.02×108kW。采用固定式安裝風(fēng)機(jī)發(fā)電開(kāi)發(fā)面積5.64×104km2，占資源技術(shù)可開(kāi)發(fā)總面積的3.71%；采用浮式安裝風(fēng)機(jī)發(fā)電開(kāi)發(fā)面積2.31×105km2，占資源技術(shù)可開(kāi)發(fā)總面積的12.71%，兩者合計(jì)2.87×105km2，占技術(shù)可開(kāi)發(fā)總面積的15.81%。在大于220 m 水深范圍，年平均風(fēng)功率密度在300～350 W/m2區(qū)間面積最大，達(dá)3.31×105km2。

5 結(jié) 論

本文利用ESE 提供的1988—2011 年CCMP 再分析風(fēng)場(chǎng)資料，計(jì)算了南海海域10 m 高度的風(fēng)功率密度、風(fēng)速、有效風(fēng)時(shí)等參數(shù)，分析了海洋風(fēng)能資源時(shí)空分布特征，估算了南海海洋風(fēng)能蘊(yùn)藏量和技術(shù)可開(kāi)發(fā)量，得出以下研究結(jié)論。

（1）南海海洋風(fēng)資源呈現(xiàn)明顯的季節(jié)分布特征，冬季資源最豐富，春秋季次之，夏季資源最貧乏。

（2）風(fēng)能資源豐富區(qū)位于呂宋海峽—中南半島東南海域一線，呈東北—西南走向，大值區(qū)為呂宋海峽附近海域，年平均風(fēng)功率密度在呂宋海峽附近海域更是高達(dá)500 W/m2以上，有效風(fēng)時(shí)大值中心位于中南半島東部至海南島東部海域超過(guò)7 800 h。

（3）南海海洋風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量為5.79×109kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量4.48×109kW，采用固定式和浮式進(jìn)行風(fēng)力開(kāi)發(fā)的面積為2.87×105km2，占整個(gè)南海資源技術(shù)可開(kāi)發(fā)總面積的15.81%。