釣魚島、黃巖島海域風能及波浪能開發環境分析

鄭崇偉，游小寶，潘靜，陳曉斌

(1.92538部隊，遼寧大連116041；2.中國科學院大氣物理研究所，北京100029；3.北京應用氣象研究所，北京100029)

1 引言

海表風、浪是人類較為關注的海洋水文要素，對人類的海上生產和生活、海上軍事行動有著重要的影響。海洋環境狀況及其信息對海洋水文保障、海洋能資源開發等都有重要意義。邊遠海島的電力、淡水資源緊缺一直以來是一項世界性難題，資源緊缺往往會阻礙邊遠海島的經濟、軍事建設[1]。我國有300余萬平方公里海洋國土，島嶼眾多，有居民海島能源十分緊張，這些海島大多遠離大陸，能源瓶頸已經成為制約發展的重要問題，發揮沿海可再生能源的資源優勢，實行海浪發電、海上風力發電具有實用的經濟、軍事價值。目前很多邊遠海島的電力供給是靠柴油發電，而艦船對柴油的補給較為困難，尤其是在惡劣海況下，補給尤為艱難。在邊遠海島、深遠海實行海浪發電、海上風力發電、海水淡化等資源開發，可解決我國維護海洋權益、將來在邊遠海島駐軍的電力、淡水問題，實現電力、淡水自給，具有實用的軍事、經濟價值。

前人在資料極度稀缺的情況下對我國近岸局部小范圍海域、單站的風能、波浪能做過很多工作[2-3]；Zheng 等[4]在2011年初次利用海浪模式WW3，對整個中國海的波浪能資源進行系統的模擬研究，并利用高精度、高分辨率的CCMP風場，對中國海的風能資源進行評估，發現中國海蘊藏著較為豐富的風能、波浪能資源，且優勢區域為南海北部海域。前人的工作對我國的波浪能、風能資源研究做了很大貢獻，但目前為止尚沒有針對邊遠海島展開的精細化研究，而邊遠海島、深遠海的資源緊缺現象往往更為嚴重，也尤為迫切。本文就我國釣魚島、黃巖島附近海域的波浪能、風能資源展開精細化研究，此外，本文還對釣魚島、黃巖島附近海域的風力等級頻率、浪級頻率、風向頻率、波向頻率等要素進行統計分析，為資源開發的海洋環境研究提供參考，該研究還可為解決我國維護海洋權益、在邊遠海島駐軍、軍用/民用艦船在遠洋活動的電力、淡水問題提供科學依據和輔助決策。

2 數據來源

2.1 模擬方法

目前常用的風場資料有歐洲數值預報中心的ERA-40 海表10 m 風場、美國NCEP 風場、美國QN混合風場，美國CCMP 風場。本文用于風能資源研究的資料為CCMP風場，該風場在數據精度、空間分辨率方面均優于其余風場[5]。所用海浪資料為模擬海浪數據，模擬過程中使用的地形數據為來自NOAA的ETOPO1全球地形數據集，分辨率為1°×1°，是目前覆蓋全球空間分辨率最高的地形數據，如果需要展開更為精細化的研究，則需要借助高分辨率海圖水深數據，進而展開研究。以CCMP 風場驅動目前國際先進的第三代海浪模式，對中國海的海浪場進行模擬，該方法經前人研究表明是可行的[6]，模擬海浪數據的時間序列為1987年7月至2010年12月，時間分辨率為3 h，空間范圍為：0.125°S—41.125°N，95.125°E—135.125°E，空間分辨率取0.1°×0.1°，空間范圍及水深見圖1。采用雙線性插值方法，將模擬得到的海浪數據以及風場數據插值到釣魚島、黃巖島周邊，對這兩個海域的風能、波浪能資源進行精細化研究。

釣魚島（Fishing Islands）、黃巖島（Scarborough Shoal）自古就是中華人民共和國的神圣領土。釣魚島及其附屬島嶼分散于25°40′—26°N、123°—124°34′E之間；黃巖島是我國三沙市管轄中沙群島中惟一露出水面的島礁，位于北緯15°07′，東經117°51′，地理位置見圖1。

圖1 中國海地形數據及釣魚島、黃巖島的地理位置

圖2 2009年9月日本“佐多岬”觀測站的觀測SWH與WW3模式模擬的SWH

2.2 數據驗證

周良明[7]、Zheng[8]等曾利用衛星資料反演的有效 波 高（SWH——significant wave height），發 現WW3 模式對中國海的海浪場具有較強的模擬能力。由于我國海浪資料較為緊缺，也不易獲取，本文在此利用來自日本“佐多岬”的觀測資料，驗證模擬海浪數據的有效性，見圖2。

從曲線走勢來看，模擬波高與觀測波高保持了很好的一致性。定量地分析誤差發現，CC=0.81，表明模擬值與觀測值相關性非常好，且通過了99%的信度檢驗；Bias=-0.09，模擬值稍小于觀測值，均方根誤差RMSE和平均絕對誤差（MAE）也較小，綜上，模擬的海浪數據具有較高精度。

3 海上風能、波浪能資源評估

利用模擬的海浪數據、風場數據，根據風能密度、波浪能流密度的計算方法，計算得到1988年01月01日00:00 時—2010年12月31日18:00 時逐3 h的釣魚島、黃巖島附近海域的波浪能流密度、風能密度。綜合考慮能流密度的大小、能級頻率、有效風速、可用波高、能流密度的長期變化趨勢、資源儲量等各方面，對兩個海域的風能資源、波浪能資源進行深入的系統性研究。

3.1 海上風能、波浪能的月變化特征

釣魚島、黃巖島四周的風能流密度因地域而表現出的差距較小。釣魚島海域的風能密度呈單峰型月變化特征，10—2月為峰值，基本在600 W·m-2以上，5—6月為波谷，但也都在200 W·m-2以上，年平均風能密度為450 W·m-2。黃巖島海域的風能密度明顯小于釣魚島，表現出“W”型月變化特征，主峰值出現在12月，約350 W·m-2，次峰值為8月，約310 W·m-2，波谷出現在4月，約70 W·m-2，年平均風能密度為228 W·m-2。前人的研究表明我國沿海的風能密度大值區在200 W·m-2左右[9-10]，由圖3 可見，釣魚島、黃巖島海域的風能密度優于我國沿海的風能密度平均值。

釣魚島四周的波浪能流密度因地域而表現出的差距較小，整體來看，東部和南部的波浪能流密度在各個月份均大于西部和北部，這應該是由于釣魚島東臨太平洋，東部和南部受大洋的涌浪影響更為顯著所致。10—1月，該海域的月平均波浪能流密度都在18 kW·m-1以上，5月份為波谷，在5 kW·m-1左右，年平均值為14 kW·m-1。黃巖島四周的波浪能流密度因地域而表現出的差距也比較小，整體來看，西部和北部的波浪能流密度大于東部和南部，這應該是由于黃巖島位于南海東南部，涌浪或風浪由南海中部傳至邊緣的衰減過程所致。11—12月為波峰，能流密度高達22 kW·m-1以上，1月在18 kW·m-1以上，4—5月為波谷，但也都在3 kW·m-1以上，年平均值為11 kW·m-1，詳見圖4。研究表明我國沿海的波浪能流密度在2—7 kW·m-1[11]，浙江嵊山海域的波浪能流密度在0.5—8.8 kW·m-1[12]，通過圖4不難發現，釣魚島、黃巖島的波浪能流密度遠比我國沿海平均值豐富。

圖3 釣魚島、黃巖島附近海域風能密度的月變化特征

圖4 釣魚島、黃巖島附近海域波浪能流密度的月變化特征

圖5 釣魚島、黃巖島附近海域有效風速出現頻率

圖6 釣魚島、黃巖島附近海域可用波高出現頻率

比較圖3 和圖4 可以看到，風能密度的年變化都存在兩個低谷，這是冬季風向夏季風轉換，以及夏季風向冬季風轉換所帶來的風場特征；只是在黃巖島附近W型特征更為明顯，這應該是由于兩個島嶼的地理位置不同所致。雖然波浪與風場關系密切，但畢竟風并非就是波浪，所以波浪能流密度與風能密度的年變化在釣魚島和黃巖島都不一樣，在黃巖島附近海域波浪能流密度的月際變幅明顯小于風能密度；釣魚島附近海域波浪能流密度的月際變幅更是小于風能密度，以至于看不到W型變化特征。由于夏季黃巖島附近海域的西南季風較為強勁，它轉換為冬季風的變化也就較大，海洋對其的響應也就會更顯著，波浪能流密度的W型特征也就相對明顯一些；而釣魚島附近海域夏季風較弱，它轉換為冬季風的變化也就小，海洋對其的響應也就會較弱，波浪能流密度的W型特征就不明顯乃至看不到。

3.2 有效風速、可用波高出現頻率

在風能資源開發過程中，風速在3—25 m·s-1之間時有利于風能開發，稱之為有效風速[4-5]；同理，波能資源開發也是如此，鄭崇偉曾參考有效風速的定義方法，定義波高大于1.3 m 時為波浪能資源開發利用的可用波高，簡稱可用波高[4]。有效風速、可用波高出現的頻率分別是衡量風能、波浪能是否有利于開發的重要指標，本文利用近23年逐3 h的風場、海浪場數據，統計了釣魚島、黃巖島附近海域有效風速、可用波高出現的頻率（見圖5、圖6）。

有效風速（見圖5）：釣魚島附近海域有效風速出現頻率整體較高，各個季節都在85%以上，全年2/3 以上的時間出現頻率在90%以上，且出現頻率的月變化尺度較小，即穩定性較好，這一條件對風能資源開發是很有利的；黃巖島附近海域有效風速出現頻率呈“W”型月變化特征，出現頻率整體低于釣魚島，但各個季節也都在60%以上，11—2月出現頻率都在90%以上，這對于風能資源的開發利用是很有利的。

可用波高（見圖6）：釣魚島附近海域可用波高出現頻率常年在40%以上，10—2月出現頻率較高，在80 %以上，5—8月為波谷，出現頻率基本在40%—50%；黃巖島附近海域可用波高出現頻率整體低于釣魚島，10—2月出現頻率相對較高，基本在60%以上，4—5月為波谷，出現頻率在20%左右，其余季節基本都在40%以上，表明這兩個海域全年有很大一部分時間是有利于波浪能資源的開發利用。

3.3 能級頻率

在風能、波浪能資源的評估中，不同等級能流密度出現頻率是衡量資源豐富程度的重要標準之一。通常認為風能密度大于50 W·m-2為可用區（有的標準認為大于100 W·m-2為可用區）[4-5]，大于200 W·m-2為富集區；波浪能流密度大于2 kW·m-1時為可用，大于20 kW·m-1的海域為富集區[4]。本文利用計算得到的近23年逐3 h的風能密度、波浪能流密度，統計了釣魚島、黃巖島附近海域風能密度大于50 W·m-2、大于100 W·m-2和大于200 W·m-2出現頻率，以及波浪能流密度大于2 kW·m-1、大于10 kW·m-1和大于20 kW·m-1出現頻率（見圖7—8）。

圖7 釣魚島、黃巖島附近海域的風能密度等級頻率

圖8 釣魚島、黃巖島附近海域的波浪能流密度等級頻率

風能密度等級頻率：10—2月，釣魚島100 W·m-2以上的頻率基本在80%以上，其余季節在60%左右；10—2月200 W·m-2以上的頻率基本在70%以上，3—4月、9月200 W·m-2以上出現頻率在50%左右，5—8月出現頻率相對偏低，在35%左右。黃巖島的風能密度等級頻率表現出“W”型月變化特征，11—2月為波峰，100 W·m-2以上出現頻率在50%以上，次峰值為8月，出現頻率接近60%，波谷出現在4月，頻率為20%，其次10月也是一個相對低點，頻率為35%；200 W·m-2以上頻率的月變化特征與100 W·m-2以上頻率的月變化特征基本接近。總的來看，釣魚島、黃巖島附近海域的風能密度等級頻率分布特征對風能資源開發來說是樂觀的。

波浪能流密度等級頻率：釣魚島能級頻率的月變化較為劇烈，11—2月，2 kW·m-1以上出現頻率都在90%以上，7月為波谷，出現頻率在30%左右，其余季節在60%上下震蕩；20 kW·m-1以上出現頻率基本在40 %以內，頻率相對較高的季節為11—2月，4—7月為波谷。黃巖島能級頻率的月變化也較為劇烈，2 kW·m-1以上、20 kW·m-1以上出現頻率整體低于釣魚島，11—2月，2 kW·m-1以上出現頻率都在70%以上；20 kW·m-1以上出現頻率的月變化特征與釣魚島海域相似。

3.4 能流密度的長期變化趨勢

分別將釣魚島、黃巖島附近海域的風能密度、波浪能流密度從1988—2010年取逐年平均，分析近23年期間各個要素的逐年變化趨勢（圖略）。

風能密度：釣魚島海域的回歸系數為10.76，相關系數|r|=0.84，通過了99%的信度檢驗，即近23年期間，釣魚島海域的風能密度以10.76 W·m-2·a-1的速度顯著性逐年遞增，1988—1998年期間，該海域的風能密度變化較為平緩，基本在370 W·m-2上下輕微波動，1998—2005年期間進入劇烈的遞增階段，并在2005年前后達到波峰，達到600 W·m-2左右，而后呈緩慢的遞減趨勢；黃巖島海域的回歸系數為2.94，相關系數|r|=0.57，通過了99%的信度檢驗，即近23年期間，黃巖島海域的風能密度以2.94 W·m-2·a-1的速度顯著性逐年遞增，1988—1998年期間，該海域的風能密度呈緩慢的遞減趨勢，并在1998年達到近23年期間的波谷，約150 W·m-2，1998以后震蕩遞增。

波浪能流密度：釣魚島海域的回歸系數為0.47，相關系數|r|=0.85，通過了99%的信度檢驗，即近23年期間，釣魚島海域的波浪能流密度以0.47 kW·m-1·a-1的速度顯著性逐年遞增，1988—1998年期間，該海域的波浪能流密度變化較為平緩，基本在11 kW·m-1上下輕微波動，1998以后進入上升通道，持續遞增至今，且遞增趨勢較為強勁；黃巖島海域的回歸系數為0.33，相關系數|r|=0.82，通過了99%的信度檢驗，即近23年期間，黃巖島海域的波浪能流密度以0.33 kW·m-1·a-1的速度顯著性逐年遞增，1988—1998年期間呈緩慢的遞減趨勢，1999年迅速拉升，2000年以后表現出平穩的遞增趨勢。

風能密度、波浪能流密度的整體遞增趨勢對風能、波浪能資源的開發也是有利的。

3.5 風能、波浪能資源儲量

為了給波浪能、海上風能資源開發提供更為精確的參考，本文定量計算了釣魚島、黃巖島附近海域的資源儲量，主要包括資源總儲量、有效儲量、技術開發量。具體計算方法如下：

（1）風能資源總儲量=年平均風能密度×風速小時數；

（2）風能資源有效儲量=年平均風能密度×有效風速小時數；

（3）風能資源技術開發量=風能資源有效儲量×0.785；

（4）波浪能資源總儲量=年平均波浪能流密度×波能小時數；

（5）波浪能資源有效儲量=年平均波浪能流密度×可用波高小時數；

（6）波浪能資源技術開發量=波浪能資源有效儲量×轉換率。

通過計算得到了釣魚島、黃巖島附近海域風能、波浪能資源的總儲量、有效儲量、技術開發量，見表1。整體來看，釣魚島、黃巖島的風能資源較為豐富，且明顯比陸上豐富，波浪能資源也較為豐富，釣魚島附近的風能、波浪能整體比黃巖島豐富。

王毅榮等[13]指出：河西走廊的狹長地帶形成了中國乃至世界特有的風能資源富集帶，風能資源儲量為1.5×105kW·h·m-2左右；龔強等[13]指出：遼濱、明陽50 m高處的年有效風能分別為2763.2 kW·h·m-2、1481.6 kW·h·m-2，比10 m 高處多1 倍以上；董旭光等[14]發現：昌邑沿海為風能資源豐富區，利用的年有效風能總量為2924.7 kW·h·m-2。對比不難發現，釣魚島、黃巖島海域的風能資源儲量遠比我國近海、陸上最豐富區域的風能資源平均值還要樂觀。這兩個海域的波浪能資源儲量也比我國沿海的波浪能資源平均儲量豐富[15]。

4 風、浪等海洋環境特征

在海浪發電、風力發電、海水淡化、海洋礦產資源開發等海洋工程中，對風、浪等海洋環境特征較為關注，惡劣的海況往往造成嚴重損失，甚至災害，反之，如果能較好的掌握海洋環境特征，則可以延長設備的壽命，提高工作效率。本文在此就釣魚島、黃巖島附近海域的風力等級頻率、波浪等級、風向頻率、波向頻率展開統計分析，為海洋工程提供參考。

4.1 風力等級頻率、波浪等級頻率

利用1988年01月01日00：00 時—2010年12月31日18：00時逐3 h的模擬海浪數據、風場數據，統計了釣魚島、黃巖島附近海域的風力等級頻率（表略）、波浪等級頻率（見表2）。

風力等級頻率（表略）：1月和10月，釣魚島出現頻率較高的是4—6級風（5.5—13.8 m/s），4月和7月出現頻率較高的是3—5 級風（3.4—10.7 m/s）；1月黃巖島出現頻率較高的是3—5 級風（3.4—10.7 m/s），4月和10月出現頻率較高的是2—4級風（1.6—7.9 m/s）；7月出現頻率較高的是2—5 級風（1.6—10.7 m/s）。整體來看，無論哪個季節，釣魚島附近海域的大風頻率均高于黃巖島附近海域。

波浪等級（見表2）：1月和10月，釣魚島附近海域出現頻率最高的是中浪（1.25—2.5 m），出現頻率分別為49.65%，46.96%，其次是大浪，再次是輕浪；4月和7月出現頻率最高的是輕浪，出現頻率分別為49.77%，51.57%，其次是中浪。1月和10月，黃巖島附近海域的波高主要集中在中浪，出現頻率分別為40.29 %，43.02 %，其次是輕浪，再次是大浪；4月，黃巖島出現頻率最高的是小浪（42.71%），其次是輕浪（35.87%）；7月，出現頻率最高的是輕浪（34.46%），其次是大浪（29.31%）。整體來看，釣魚島海域的大浪頻率在1、4、10月均大于黃巖島，僅7月除外，該月黃巖島大浪頻率高于釣魚島，這應該是因為7月黃巖島海域受強勁的西南季風的影響，而釣魚島受西南季風影響沒有黃巖島顯著。

4.2 風向頻率、波向頻率

利用近23年的海浪數據、風場數據，統計了釣魚島、黃巖島附近海域的風向頻率、波向頻率（圖略）。

表1 釣魚島、黃巖島的風能、波浪能資源儲量

表2 近23年期間釣魚島、黃巖島附近海域的波浪等級頻率（單位/%）

釣魚島：1月，釣魚島附近海域的風向均以NNE為主（約30%），其次是NE向（約18%）；4月以NNE為主（約15%），此外NE-SSW 向均有體現，這應該是由于4月屬于季風過渡季節，風速較小，風向相對1月散亂；7月受西南季風影響，釣魚島附近的風向以S-SSW 向為主導（S 向、SSW 向出現的頻率都在20%左右）；10月，風向以NNE、NE 向為主，出現頻率都在30%左右。波向頻率與風向頻率大體上保持了較好的一致性。

黃巖島：1月和10月，黃巖島附近海域的風向以NE 向為主（1月出現頻率35 %，10月出現頻率18%），其次是NNE 和ENE 向；4月，黃巖島附近海域的風向比釣魚島附近穩定，主要為NNE-E 向；7月受西南季風影響顯著，以SW-SSW 向為主（SW向、SSW向出現的頻率都在22%左右）。整體來看，波向頻率與風向頻率大體上保持了較好的一致性。

5 結論

（1）釣魚島海域的風能密度呈單峰型月變化特征，10—2月為峰值，基本在600 W·m-2以上，年平均值為450 W·m-2；黃巖島海域的風能密度明顯小于釣魚島，表現出“W”型月變化特征，主峰值出現在12月，約350 W·m-2，年平均風能密度為228 W·m-2。釣魚島10—1月的波浪能流密度都在18 kW·m-1以上，年平均值為14 kW·m-1；黃巖島的波浪能流密度在11—12月為波峰，高達22 kW·m-1以上，年平均值為11 kW·m-1。釣魚島、黃巖島海域的風能密度、波浪能流密度均優于我國沿海平均值；

（2）釣魚島、黃巖島海域的有效風速、可用波高出現頻率對資源開發是很有利的。釣魚島海域有效風速出現頻率整體較高，各個季節都在85 %以上，且出現頻率的月變化尺度較小；黃巖島海域有效風速出現頻率呈“W”型月變化特征，出現頻率整體低于釣魚島，但各個季節也都在60%以上。釣魚島海域可用波高出現頻率常年在40%以上，10—2月可達80%以上；黃巖島海域可用波高出現頻率整體低于釣魚島，10—2月為波峰，在60%以上；

（3）10—2月，釣魚島100 W·m-2以上的頻率基本在80%以上，其余季節在60%左右；黃巖島的風能密度等級頻率表現出“W”型月變化特征，11—2月為波峰，100 W·m-2以上出現頻率在50 %以上。釣魚島、黃巖島的波浪能級頻率的月變化較為劇烈。11—2月，釣魚島2 kW·m-1以上出現頻率都在90%以上，7月為波谷，出現頻率在30%左右，其余季節在60%上下震蕩；黃巖島2 kW·m-1以上出現頻率整體低于釣魚島，11—2月，2 kW·m-1以上出現頻率都在70%以上。總的來看，釣魚島、黃巖島附近海域的能級頻率分布特征對資源開發是樂觀的；

（4）1988—2010年期間，釣魚島、黃巖島的風能密度、波浪能流密度整體呈遞增趨勢，這對風能、波浪能資源的開發也是有利的。遞增趨勢分別為：釣魚島風能密度10.76 W·m-2·a-1，黃巖島風能密度2.94 W · m-2· a-1，釣魚島波浪能流密度0.47 kW · m-1· a-1，黃巖島波浪能流密度0.33 kW · m-1·a-1；

（5）從風能、波浪能資源的總儲量、有效儲量、技術開發量來看，釣魚島、黃巖島蘊藏著豐富的波浪能、風能資源，且資源儲量比我國沿海平均值豐富；

（6）從風力等級頻率、浪級頻率、風向頻率、波向頻率來看，釣魚島、黃巖島海域的海洋環境特征表現出較好的規律性，這對于資源開發、防災減災是有利的。

綜合能流密度的大小、可用波高出現頻率、有效風速出現頻率、能級頻率、能流密度的長期變化趨勢、資源儲量、海洋環境特征等幾個方面，釣魚島、黃巖島海域蘊藏著豐富的、適宜開發的風能、波浪能資源，實行海浪發電、風力發電、海浪和風力聯合發電、海水淡化等工作，將具有廣闊的經濟和軍事前景。

致謝： 稿子在撰寫過程中得到了李崇銀院士的悉心指導，李老師對文章的構思、框架以及物理機制等給予了寶貴的意見，在此深表感謝！

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