基于QN混合風(fēng)場的東中國海風(fēng)能資源分析

鄭崇偉， 莊卉， 郭隨平， 賈本凱

（1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京 211101；2.92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧大連 116041；3.海軍航空兵學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054100）

1QN混合風(fēng)場簡介

目前，陸上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已較成熟，海上風(fēng)力發(fā)電只是在少數(shù)歐洲國家較為成熟，我國的海上風(fēng)能開發(fā)尚屬初級(jí)階段[1-2]。美國1980年采用國內(nèi)975個(gè)氣象站的地面測風(fēng)資料，繪制了美國風(fēng)能資源分布圖，1986年又增加了270多個(gè)氣象站觀測資料，得到美國的陸上風(fēng)能資源分布圖[1]。中國氣象局分別在20世紀(jì)80年代和90年代開展了兩次風(fēng)能資源普查，均是對(duì)氣象站歷史測風(fēng)資料的統(tǒng)計(jì)分析，最后給出了中國陸上風(fēng)能資源分布圖。王曉亮等[3]利用上海沿海5個(gè)站點(diǎn)風(fēng)要素資料，對(duì)上海海域可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明東海大橋附近海域、崇明島以東海域、南匯和橫沙東灘以東海域、遠(yuǎn)海風(fēng)電場為豐富區(qū)，風(fēng)能資源儲(chǔ)量約為3 373.1×104kW；杭州灣北岸奉賢海域?yàn)檩^豐富區(qū)，風(fēng)能儲(chǔ)量約為38.3×104kW，長江口水域?yàn)榭衫脜^(qū)。但由于受各種因素限制，以往多是基于非常有限的觀測資料，在陸上或近岸展開的，較少對(duì)海上的風(fēng)能資源展開分析[4]，而深遠(yuǎn)海、邊遠(yuǎn)海島的風(fēng)能資源開發(fā)利用具有更為迫切的需要和實(shí)用價(jià)值。本文利用1999年8月~2009年7月期間的QN （QuikSCAT/NCEP）混合風(fēng)場資料，計(jì)算了東中國海的風(fēng)能密度，并就其特征進(jìn)行分析，以期為我國的海上風(fēng)能資源開發(fā)利用提供參考。

QN混合風(fēng)場是對(duì)全球天氣中心 （NCEP，National Centers for Environmental Prediction）分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星散射計(jì) （QuikSCAT）觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空混合分析的結(jié)果，其空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間分辨率為 6 h， 其空間范圍為： 88°S～88°N， 180°W～180°E，時(shí)間范圍從1999年8月~2009年7月。QN風(fēng)場具有很高的精度和時(shí)空分辨率[5-6]，常被用作模擬海浪過程的驅(qū)動(dòng)場，且效果明顯好于NCEP風(fēng)場[7-9]。本文選擇QN混合風(fēng)場用以東中國海的風(fēng)能資源分析。

2 東中國海風(fēng)能資源評(píng)估

2.1 風(fēng)能密度的計(jì)算方法

風(fēng)能密度定義為垂直于氣流的單位截面上風(fēng)的功率，計(jì)算方法[10-13]為：

式中，W為風(fēng)能密度；V為風(fēng)速；ρ為空氣密度。

2.2 海表風(fēng)速、風(fēng)能密度的分布特征

利用1999年8月1日00:00~2009年7月31日18:00逐6 h的QN混合風(fēng)場資料，對(duì)海表風(fēng)速、風(fēng)能密度分別進(jìn)行多年平均，分析年平均海表風(fēng)速、風(fēng)能密度的空間分布特征，如圖1所示。

東中國海的海表風(fēng)速和風(fēng)能密度的空間分布特征具有較好的一致性，均表現(xiàn)出離岸大近岸小、南部大北部小的特點(diǎn)。

（1）海表風(fēng)速。由北往南，風(fēng)速逐漸遞增，渤海的年平均風(fēng)速最小，基本在5.0 m/s以內(nèi)，黃海北部海域在4.0~5.0 m/s，黃海中部的年平均風(fēng)速為5.5 m/s左右，黃海南部在6.0 m/s左右，東海為6.5~7.5 m/s左右。

（2）風(fēng)能密度。渤海中部的風(fēng)能密度在150 W/m2左右，渤海近岸則在100 W/m2以內(nèi)，黃海北部為100~200 W/m2，黃海中部在200~250 W/m2，黃海南部為250~300 W/m2，到了東海，風(fēng)能密度明顯增大，大部分海域在300 W/m2以上，琉球群島附近海域在400 W/m2以上，臺(tái)灣海峽中部高達(dá)450 W/m2以上，風(fēng)能密度的空間分布特征與海表風(fēng)速的空間分布特征大體一致。

2.3 風(fēng)能密度的月變化特征

圖1 東中國海年平均海表風(fēng)速、風(fēng)能密度

圖2 渤海、渤海海峽、黃海、東海風(fēng)能密度的月變化特征

分別將渤海、渤海海峽、黃海、東海的風(fēng)能密度進(jìn)行多年月平均，分析幾個(gè)重點(diǎn)海域風(fēng)能密度的月變化特征，如圖2所示。由圖2可見，幾個(gè)海域中，東海的風(fēng)能密度最大，黃海的風(fēng)能密度次之，渤海海峽的風(fēng)能密度再次，渤海的風(fēng)能密度最低，與圖1b相符。幾個(gè)海域的風(fēng)能密度均表現(xiàn)出 “V”形月變化特征，波峰處出現(xiàn)在11月至來年2月，這期間東海的風(fēng)能密度基本在460 W/m2以上，黃海在310 W/m2以上，渤海海峽在240 W/m2以上，渤海在100 W/m2以上，即這個(gè)季節(jié)東中國海的風(fēng)能資源較為豐富；6月~7月為風(fēng)能密度的波谷，這期間渤海的風(fēng)能密度在30~40 W/m2，渤海海峽和黃海的風(fēng)能密度在70 W/m2左右，東海在180 W/m2左右。

2.4 大風(fēng)頻率、有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率

大風(fēng)往往會(huì)對(duì)海洋工程、航海等造成嚴(yán)重影響，甚至災(zāi)害，本文利用1999年8月~2009年7月的逐6 h的QN風(fēng)場資料，統(tǒng)計(jì)了東中國海的6級(jí)以上大風(fēng)頻率 （圖3a），為防災(zāi)減災(zāi)、海上風(fēng)能資源開發(fā)利用提供參考。通常將風(fēng)速在3~25 m/s之間定義為風(fēng)能資源開發(fā)有效風(fēng)速[6]，簡稱有效風(fēng)速。本文利用近10年逐6 h的QN風(fēng)場資料，統(tǒng)計(jì)了東中國海風(fēng)能資源開發(fā)有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率 （圖3b）。

由圖3a可見，整個(gè)東中國海6級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)的頻率比較低，大部分海域在16%以內(nèi)。渤海的6級(jí)以上大風(fēng)頻率在4%以內(nèi)；黃海北部海域出現(xiàn)頻率略高于渤海，但也都在8%以內(nèi)，黃海中南部在8%~14%；到了東海，6級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)頻率明顯增加，達(dá)到16%左右，尤其是對(duì)馬海峽至長江口一帶，這應(yīng)該是由于黃渤海的海域較為狹小，而東海海域則較為寬廣，具有廣闊的光滑下墊面所致；臺(tái)灣海峽為大風(fēng)頻率的高值中心，在16%~18%。由圖3b可見，除了部分近岸，整個(gè)東中國海有效風(fēng)速出現(xiàn)的頻率整體較高，渤海大部分海域在50%~70%，黃海北部和黃海中部在60%~80%，黃海南部海域和東海則基本在80%以上，由此可見，東中國海全年至少有半數(shù)以上時(shí)間的風(fēng)速是有可用于風(fēng)能資源開發(fā)的，這對(duì)于海上風(fēng)能資源開發(fā)是極為有利的。

2.5 風(fēng)能密度等級(jí)頻率

通常認(rèn)為風(fēng)能密度低于50 W/m2時(shí)為貧乏區(qū)，在50 W/m2以上時(shí)為可用區(qū)，100 W/m2以上屬于較豐富區(qū)，200 W/m2以上屬于豐富區(qū)[1]。利用近10 a逐6 h的風(fēng)能密度資料，統(tǒng)計(jì)了東中國海風(fēng)能密度大于50 W/m2、 大于 100 W/m2、 大于 150 W/m2、 大于200 W/m2出現(xiàn)的頻率，見圖4。

50 W/m2以上出現(xiàn)頻率：各海域出現(xiàn)頻率整體較高，有利于海上風(fēng)能資源開發(fā)，渤海出現(xiàn)頻率明顯低于東海和黃海，約20%~50%，黃海北部海域較渤海有所增加，為30%~70%，黃海中南部則基本在50%以上，東海出現(xiàn)頻率最高，基本在80%以上。

圖3 東中國海6級(jí)以上大風(fēng)頻率、風(fēng)能資源開發(fā)有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率 （單位：%）

100 W/m2以上出現(xiàn)頻率較50 W/m2以上略有降低，渤海為10%~35%，黃海北部為20%-45%，黃海中南部為50%~60%，東海基本都在60%以上。

150 W/m2以上出現(xiàn)頻率比100 W/m2以上出現(xiàn)頻率約降低5%~10%。

200 W/m2以上出現(xiàn)頻率：渤海在20%以內(nèi)，黃海北部在30%以內(nèi)，黃海中南部為30%~40%，東海在40%以上。

3 結(jié)論與展望

（1）東中國海的海表風(fēng)速和風(fēng)能密度的空間分布特征具有較好的一致性，均表現(xiàn)出離岸大近岸小、南部大北部小的特點(diǎn)。渤海的年平均風(fēng)速在5.0 m/s以內(nèi)，黃海北部海域在4.0~5.0 m/s，黃海中部為5.5 m/s左右，黃海南部在6.0 m/s左右，東海為6.5~7.5 m/s左右；渤海中部的風(fēng)能密度在150 W/m2左右，渤海近岸則在100 W/m2以內(nèi)，黃海北部為100~200 W/m2，黃海中部在 200~250 W/m2，黃海南部為250~300 W/m2，東海大部分海域在300 W/m2以上。風(fēng)速和風(fēng)能密度的高值中心分布于琉球群島附近海域和臺(tái)灣海峽，年平均風(fēng)速在7.0 m/s以上，年平均風(fēng)能密度在400 W/m2以上。

（2）整個(gè)東中國海6級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)頻率比較低，基本都在16%以內(nèi)，出現(xiàn)頻率由北往南逐漸遞增，臺(tái)灣海峽為大風(fēng)頻率的高值中心，在16%~18%。除了部分近岸，整個(gè)東中國海有效風(fēng)速出現(xiàn)的頻率整體較高，渤海大部分海域在50%~70%，黃海北部和黃海中部在60%~80%，黃海南部海域和東海則基本在80%以上。

（3）各海域50 W/m2以上風(fēng)能密度出現(xiàn)頻率整體較高，渤海約20%~50%，黃海北部海域?yàn)?0%~70%，黃海中南部則基本在50%以上，東海出現(xiàn)頻率最高，基本在80%以上。渤海200 W/m2以上出現(xiàn)頻率在20%以內(nèi)，黃海北部在30%以內(nèi)，黃海中南部為30%~40%，東海在40%以上。

綜上所述，我國的渤海風(fēng)能資源相對(duì)黃海和東海較貧乏，但仍處于可開發(fā)范圍，東海和黃海屬于風(fēng)能資源的較富集區(qū)，在我國大力開展海上風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水、制熱等風(fēng)能資源開發(fā)工作將具有廣闊前景。

［1］ZHENG Chongwei,ZHUANG Hui,LI Xi,et al.Wind Energy and Wave Energy Resources Assessment in the East China Sea and South China Sea［J］.SCI CHINA TECH SCI,2012,55（1）:163-173.

［2］李曉燕，余志.海上風(fēng)力發(fā)電進(jìn)展［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2004，25（1）:78-84.

［3］王曉亮，孫同美，徐晶晶，等.上海沿海風(fēng)能資源評(píng)估［J］.海洋技術(shù)， 2012（1）:10-12.

［4］陳飛，班欣，祈欣，等.連云港沿海地區(qū)及近海風(fēng)能資源評(píng)估［J］.氣象科學(xué)， 2008， 28（增刊）:101-106.

［5］張德天，鄭崇偉，石嶺琳，等.基于QN風(fēng)場的1999-2009年中國海表風(fēng)場研究［J］.海洋預(yù)報(bào)， 2011， 28（4）:58-64.

［6］鄭崇偉，周林.近10年南海波浪特征分析及波浪能研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)， 2012， 33（8）:1349-1356.

［7］徐艷清，尹寶樹，楊德周，等.東中國海海浪數(shù)值模式研究［J］.2005， 29（6）:42-47.

［8］鄭崇偉，潘靜，田妍妍，等.全球海域風(fēng)浪、涌浪、混合浪波候圖集［M］.北京：海洋出版社，2012.

［9］李明悝，候一筠.利用QuikSCAT/NCEP混合風(fēng)場及WAVEWATCH 模擬東中國海風(fēng)浪場［J］.海洋科學(xué)， 2005， 29（6）:9-12.

［10］鄭崇偉.全球海域風(fēng)能資源儲(chǔ)量分析［J］.中外能源，2011，16（7）:43-47.

［11］黃世成，姜愛軍，劉聰，等.江蘇省風(fēng)能資源重新估算與分布研究［J］.氣象科學(xué)， 2007， 27（4）:407-412.

［12］ZHENG Chongwei,PAN Jing.Assessing the China Sea Wind Energy and Wave Energy Resources from 1988 to 2009［J］.Ocean Engineering,2013（65）:39-48.

［13］韓春福.風(fēng)能資源評(píng)估方法的分析及應(yīng)用［J］.節(jié)能，2009（5）:16-18.