中國南海島礁建設：風力發電、海浪發電?

鄭崇偉， 李崇銀

(1.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇 南京 211101；2.中國科學院大氣物理研究所 大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京 100029；3. 海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

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中國南海島礁建設：風力發電、海浪發電?

鄭崇偉1, 2, 3， 李崇銀1, 2

(1.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇 南京 211101；2.中國科學院大氣物理研究所 大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京 100029；3. 海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

電力和淡水緊缺直接影響到深遠海、邊遠海島的生存與可持續發展，一直以來是一項世界性難題。本文利用CCMP風場、模擬的海浪場數據，以某重點島礁作為研究對象，對風能和波浪能資源特征進行了系統性的分析。結果表明，研究海域蘊藏著較為豐富、適宜開發的風能、波浪能資源：(1)除去極端風、浪情況外，全年基本都可進行風能和波浪能開發，峰值出現在12月至翌年1月，月平均風能密度在370W/m2左右，波浪能流密度在20kW/m左右；即使在最貧乏的4—5月，能源均處于可利用狀態。(2)有效風速、可用波高出現頻率、能級頻率都很豐富：各月有效風速頻率在70%以上；全年大部分時間可用波高、50W/m2以上風能密度、2kW/m以上波浪能流密度出現頻率都在50%以上。(3)研究海域的波浪能主要由以下海況貢獻：波高2～3m，波周期6～7 s的海況，貢獻率為14.6%。(4)研究區域的風能主要由ENE、NE、SW、WSW向貢獻，其中又以100～300W/m2出現的頻率最高；1000W/m2以上的高風能主要由WSW向貢獻。波浪能主要由NNE和WSW向的浪貢獻；頻率最高的是0～5、5～10kW/m。(5)近24年研究海域的風能密度沒有顯著的變化趨勢，波浪能流密度以0.25 kW·m-1·a-1的趨勢顯著性遞增。(6)風能、波浪能在冬夏兩季、夏季風向冬季風過渡期間都表現出很好的穩定性，5月的穩定性相對較差。(7)風能總儲量為2050 kW·h/m2，有效儲量為1722 kW·h/m2；波浪能的總儲量為84079 kW·h/m，有效儲量為66 336 kW·h/m。

邊遠海島；風能；波浪能；可持續發展

電力、淡水困境是抑制邊遠海島的經濟、軍事活動的主要原因之一，長期以來一直是世界性難題[1-3]。在高度電氣化、自動化的當今時代，電力困境會導致大量裝備處處受限，甚至癱瘓，海島開發建設與可持續發展更將舉步維艱。中國有300余萬 km2廣袤的海洋國土，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，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、深遠海大力實施海浪發電、海上風力發電，不僅可以實現電力自給，海水淡化問題也隨之解決，更有利于保護生態脆弱的海島，具有廣闊的軍事、經濟前景。節能減排和大力開發清潔能源是對人類進步和發展的重要貢獻，是正確認識和應對全球氣候變化的重要舉措[4-5]。前人對中國近海的波浪能、風能評估做了許多研究，由于受到數據稀缺的限制，針對邊遠海島風能、波浪能開發的研究可謂鳳毛麟角，而邊遠海島、深遠海的資源緊缺現象普遍非常嚴重，需求也尤為迫切。本文從為島礁建設提供能源供給需求出發，以某重點島礁作為研究對象，利用CCMP(Cross-Calibrated, Multi-Platform)風場資料，對風能資源特征進行研究，并利用CCMP風場驅動WW3海浪模式，對波浪能資源進行系統性研究。該研究可為海浪發電、海上風力發電提供科學指導，提高邊遠海島、深遠海的生存能力、可持續發展能力，為海洋權益維護、海上絲綢之路提供淡水、電力等保障。

1 數據及方法

本文利用CCMP風場資料，對研究海域的海表風場、風能資源特征進行研究。CCMP風場是美國國家航空航天局(NASA)的物理海洋數據中心(PO.DAAC——Physical Oceanography Distributed Active Archive Center)開發的一種海洋風場產品[6]。CCMP風場的空間分辨率為0.25(°)×0.25(°)，時間分辨率為6h，空間范圍為78.375°S～78.375°N，179.875°W～179.875°E，時間范圍從1987年7月至今。該風場在空間分辨率、數據精度等方面都優于常用的Q/N混合風場、ERA-40海表10m風場、NCEP風場，在國際上得到廣泛運用。

本文還利用CCMP風場驅動WAVEWATCH-III (WW3)海浪模式，模擬得到中國首份、覆蓋整個中國海、長時間序列(1988年01月01日00:00—2011年12月31日18:00)、高時空分辨率(時間分辨率3 h、空間分辨率0.25(°)×0.25(°))的海浪場數據，經與衛星資料，以及來自韓國、日本、臺灣的浮標觀測資料對比，發現該海浪數據具有較高可信度[7]。利用該模擬海浪數據，分析了研究海域的海浪場、波浪能資源特征。

2 風能、波浪能開發的可行性

利用模擬的海浪、風場數據，根據風能密度、波浪能流密度的計算方法，計算得到研究海域1988年1月—2011年12月逐3h的風能密度、波浪能流密度。綜合考慮能流密度的季節特征、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，對研究海域的風能資源、波浪能資源進行深入的系統性研究。

2.1 資源的月際變化特征

由圖1可見，受季風及季風轉換的影響，研究海域的風能、波浪能都表現出“W”型月際變化特征，峰值出現在12月至翌年1月，其月平均風能密度在370 W/m2左右，月平均波浪能流密度在20 kW/m左右；次峰值出現在8月，風能密度為337 W/m2，波浪能流密度為9.6 kW/m；兩個波谷分別出現在4—5、10月。

周榮衛等[8]曾利用風能資源數值模擬評估系統WERAS(Wind Energy Resource Assessment System)對中國沿海20年(1986—2005年)平均風資源進行計算，結果表明：中國沿海風能資源非常豐富，沿海各省70 m高度的陸上多年平均風功率密度基本在200～400 W/m2，附近海域的多年平均風功率密度約在300～800 W/m2之間。而本文所研究海域10 m高度的年平均風能密度就高達234 W/m2，表明研究海域蘊藏著豐富的風能資源。傳統的觀點認為中國沿海的波浪能流密度在2～7 kW/m，本文通過計算發現研究海域的波浪能為9.6 kW/m，明顯比傳統估值更為樂觀。

值得注意的是：即使是在能源最貧乏的4—5月，本文研究海域的風能密度也都在84 W/m2以上，波浪能流密度在2.2 kW/m以上。通常風能密度在50 W/m2以上就處于可利用狀態，波浪能流密度在2 kW/m以上就處于可利用狀態。因此可以認為，研究海域全年都可進行風能和波浪能資源開發。

圖1 研究海域風能密度(左)、波浪能流密度(右)的月變化特征

2.2 有效風速、可用波高出現頻率

在資源開發過程中，3～25 m/s的風速有利于風能開發，稱之為有效風速[9]；在波浪能開發中，通常波高大于1.3 m時可用[10]，4.0 m以上大浪具有較大的破壞能力，不利于發電裝置的運行與安全，在此將波浪能開發的可用波高限制在1.3～4.0 m之間。有效風速、可用波高的出現頻率分別是衡量風能、波浪能豐富程度的重要指標，本文在此統計了研究海域有效風速、可用波高出現的頻率，其結果如圖2所示。研究海域有效風速出現頻率：全年各個月份都在70%以上，尤其是11月到翌年3月，出現頻率高達90%以上，這對于研究海域的風能資源開發是非常有利的。可用波高出現的頻率雖然低于有效風速出現頻率，但也僅僅是在4—6月可用波高出現頻率在50%以下，其余月份可用波高出現頻率都在50%以上，這對于波浪能資源的開發利用也是很有利的。

鄭崇偉和李崇銀曾發現[11]，該研究海域6級以上大風和大浪頻率整體較低，這對于延長風能、波浪能裝置的壽命、防災減災是有利的。該海域風向和浪向在秋冬兩季、春季以偏東北向為主，夏季則以南-西南向為主，風向、浪向都很有規律，這對于風能、波浪能的開發利用也是有利的。

圖2 研究海域有效風速出現頻率(左)、可用波高出現的頻率(右)

2.3 能級頻率

能級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/m2(有的標準認為大于100 W/m2)時可有效利用，大于200 W/m2為豐富[12]；波浪能流密度大于2 kW/m時可有效利用，大于20 kW/m為豐富[13]。本文對研究海域風能密度大于50 W/m2、大于100 W/m2和大于200 W/m2出現頻率，以及波浪能流密度大于2 kW/m、大于10 kW/m和大于20 kW/m的出現頻率進行了統計分析(剔除了極端風、浪情況下的風能密度、波浪能流密度)，其結果如圖3所示。

圖3 研究海域風能(a)和波浪能(b)等級頻率

由圖3(a)可見，11—翌年4月、6—9月，50 W/m2以上風能密度出現頻率都高于50%，僅在5和10月出現頻率略低于50%；11—翌年3月、7—9月，100W/m2以上風能密度出現頻率都高于50%。即使是按照100W/m2以上的風能密度屬于可用來衡量，研究海域全年超過2/3時間的風能可以有效利用。由圖(3b)可見，11—來年3月、8—9月，2kW/m以上波浪能流密度出現頻率都高于50%，即全年超過一半的時間可進行波浪能資源開發。太陽能受到白晝、天氣的限制，全年可利用時間基本在50%以內，相比較而言，研究海域的風能、波浪能更樂觀。

2.4 風能、波能玫瑰圖

在波浪能(風能)的開發過程中，波向(風向)非常重要，如果選擇的站點常年盛行一種或兩種浪向(風向)，則非常有利于提高對波浪能(風能)的采集、轉換效率；相反，如果波向(風向)混亂，則非常不利于波浪能(風能)的開發利用。利用近24年、逐6h的海表10 m風場數據，制作了研究海域的風能玫瑰圖(見圖4(a))；利用近24年、逐3h的海浪數據、波浪能流密度數據，制作了研究海域的波能玫瑰圖(見圖4(b))。

從風能玫瑰圖可以看出，研究區域出現頻率最高的風能密度是ENE向(東北偏東)、NE向，其次是SW向、WSW向，其中又以100～300W/m2出現的頻率最高。1000W/m2以上的高風能主要由WSW向貢獻，其次是SW向，其他方向的貢獻率較低。從波能玫瑰圖可以看出，研究海域的波浪能主要由NNE和WSW向的浪所貢獻，其余浪向貢獻較小，這主要是由于冬季強冷空氣和夏季強勁的西南季風所致。出現頻率最高的能流密度是0～5 kW/m，其次是5～10 kW/m，此外還發現NNE向海浪中，10～15kW/m、20～30kW/m、大于40kW/m的能流密度出現頻率也很高。

圖4 研究海域的風能玫瑰圖(a)、波能玫瑰圖(b)

2.5 不同海況對波浪能的貢獻

從波浪能流密度的計算方法可以看出，波浪能的大小取決于波高和波周期[14-15]，本文在此統計了全年中不同海況對波浪能的貢獻情況，可為提高發電裝置對能量的捕獲能力做參考。不同海況對研究海域波浪能總量的貢獻情況給出在圖5中，由圖5可以清晰的看出：波高2～3 m，波周期6～7 s的海況對總能量的貢獻最大，貢獻率為14.6%；其次是波高2～3 m，波周期7～8 s的海況，貢獻率為11.1%；此外，貢獻率相對較大的還有波高1～2 m，波周期5～6 s的海況，貢獻率為9.1%；波高3～4 m，波周期8～9 s的海況，貢獻率為8.1%。

圖5 不同海況對研究海域波浪能總量的貢獻情況

2.6 風能和波浪能的儲量

為了給海上風能、波浪能資源開發提供更為精確的參考，本文定量計算了研究海域的資源儲量(見表1)，主要包括資源總儲量、有效儲量、技術開發量。風能(或波浪能)資源儲量的計算方法如下[16]：

(1)

(2)

EPT=EPE·Ce。

(3)

研究海域的風能資源總儲量為2050 kW·h/m2，有效儲量為1722 kW·h/m2；波浪能資源的總儲量為84079 kW·h/m，有效儲量為66336 kW·h/m。龔強等[18]曾指出：遼濱、明陽50 m高處的年有效風能分別為2763 kW·h/m2、1482 kW·h/m2，比10m高處多1倍以上(即10m高度的年有效風能都小于1 500 kW·h/m2)，年有效利用時間均超過6000h，具備建立大型風電場的資源條件。與遼濱、明陽相比，研究海域的風能資源儲量更為豐富，研究海域的年有效利用時間大于80%(即大于7008h，見3.2節)，資源儲量和年有效利用時間都比遼濱、明陽更為樂觀，即研究海域蘊藏著豐富、適宜開發的風能資源。

表1 研究海域的風能、波浪能資源儲量

Note： ①Total storage； ②Effective storage； ③Technological storage；④Wind energy；⑤Wave energy.

2.7 風能和波浪能的長期變化趨勢

資源的長期變化趨勢會影響著未來的開發利用，本文還分別將研究海域的風能密度、波浪能流密度從1988—2011年進行逐年平均，分析其長期變化趨勢，結果如圖6所示。圖6表明，整體來看風能密度在近24年存在一定的變化趨勢(增長)，但不顯著；在1989—1998年期間有短期的遞減趨勢，而在1998—2009年期間則表現出顯著的遞增趨勢；2010年是一個異常年，風速和風能都出現了比較劇烈的變化。波浪能流密度的(線性相關度)|R|=0.72，通過了99.9%的信度檢驗，回歸系數為0.2539，即近24年，研究海域的波浪能流密度以0.25 kW·m-1·a-1的速度顯著性逐年線性遞增，并在2011年達到近24年的波峰。

圖6 研究海域風能密度(a)和波浪能流密度(b)的長期變化趨勢Fig.6 Long term trends of the wind power density (a) and wave power density (b)

2.8 風能和波浪能的穩定性

資源的穩定性不僅會影響到對能量的采集、轉換效率，還會影響到裝備的壽命，嚴重時甚至會造成裝備的損毀。本文在此定量計算了風能、波浪能的穩定性，利用近24年逐3h的風能密度、波浪能流密度，計算了變異系數(Coefficient of variation，Cv)，變異系數越小，代表穩定性越好[19](見圖7)。

風能和波浪能在11—翌年4月、7—9月的穩定性明顯好于其余季節，這是因為11—翌年4月中國海經常遭受冷空氣襲擊造成的，雖然冷空氣往往強度比較大，但規律性很強，穩定性很好；同樣，7—9月在穩定的西南季風影響下，風能和波浪能的穩定性也很好。

在夏季風向冬季風轉變過程中，風能和波浪能的穩定性并沒有表現出太劇烈的變化，僅是風能密度的穩定性在10月份稍有變差；但是，冬季風向夏季風轉變過程中，風能和波浪能的穩定性卻表現出非常劇烈的變化，變異系數在5月達到峰值，即該月的穩定性最差。

圖7 研究海域風能密度、波浪能流密度在各月的變異系數

3 結論

本文利用CCMP風場、數值模擬的海浪場數據，對研究海域的風能、波浪能資源進行了系統性綜合評估，包括資源的月際變化特征、有效風速和可用波高出現頻率、能級頻率、不同海況對波浪能的貢獻、資源的穩定性和長期變化趨勢、資源儲量等方面，得到如下主要結論：

(1)受季風及季風轉換的影響，風能、波浪能都表現出“W”型月際變化特征，峰值出現在12月—翌年1月，月平均風能密度在370 W/m2左右，月平均波浪能流密度在20 kW/m左右。研究海域全年都可進行風能和波浪能開發，即使是在能源最貧乏的4—5月，風能密度也都在84 W/m2以上，波浪能流密度在2.2 kW/m以上，均處于可利用狀態。

(2)研究海域有效風速、可用波高出現頻率、能級頻率對于開發利用來講都很樂觀：全年各個月份有效風速出現的頻率都在70%以上，尤其是11—翌年3月，出現頻率高達90%以上；除了4—6月，研究海域全年大部分時間可用波高出現頻率都在50%以上；全年大部分時間50 W/m2以上風能密度、2 kW/m以上波浪能流密度出現頻率都高于50%。

(3)研究海域的波浪能主要由以下幾種海況貢獻：波高2～3m，波周期6～7s的海況，貢獻率為14.6%；波高2～3m，波周期7～8s的海況，貢獻率為11.1%；波高1～2m，波周期5～6s的海況，貢獻率為9.1%；波高3～4m，波周期8～9s的海況，貢獻率為8.1%。

(4)研究區域的風能主要由ENE、NE、SW、WSW向貢獻，其中又以100～300 W/m2出現的頻率最高；1000W/m2以上的高風能主要由WSW向貢獻，其次是SW向。研究海域的波浪能主要由NNE和WSW向的浪所貢獻。出現頻率最高能流密度的是0～5、5～10kW/m，NNE向海浪中，10～15、20～30、大于40kW/m的能流密度出現頻率也很高。風能玫瑰圖的分布特征與波能玫瑰圖相近。

(5)研究海域的風能資源總儲量為2 050 kW·h/m2，有效儲量為1 722 kW·h/m2；波浪能資源的總儲量為84 079 kW·h/m，有效儲量為66 336 kW·h/m。

(6)在近24年期間，研究海域風能密度的變化趨勢不是很顯著，波浪能流密度則表現出顯著的遞增，趨勢為0.25 kW·m-1·a-1。

(7)在規律性較強的冷空氣、西南季風的影響下，研究海域的風能、波浪能在冬夏兩季表現出很好的穩定性。在夏季風向冬季風轉變過程中，風能和波浪能的穩定性并沒有表現出太劇烈的變化；但是，冬季風向夏季風轉變過程中，卻表現出非常劇烈的變化，5月風能和波浪能的穩定性為全年最差。

(8)研究海域的6級以上大風和大浪頻率整體較低，這對于延長風能、波浪能裝置的壽命、防災減災是有利的，且該海域的風向、波向規律性很強，這對于風能、波浪能的開發利用是有利的。

(9)研究海域蘊藏著較為豐富、適宜開發的風能、波浪能資源，值得關注和開發利用。在正式展開風力發電、海浪發電、海水淡化等資源開發工作后，還需要對風能、波浪能展開短期數值預報、中長期預估、災害天氣預警等，以便在能量不足時調集其他能源(如柴油發電)進行補充，確保電力的不間斷供給。

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責任編輯 龐 旻

Development of the Islands and Reefs in the South China Sea:Wind Power and Wave Power Generation

ZHENG Chong-Wei1, 2, 3, LI Chong-Yin1,2

(1. College of Meteorology and Oceanography, People's Liberation Army University of Science&Technology, Nanjing 211101, China;2. National Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029， China;3. Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

The shortage of wave power and fresh water will significantly affect the subsistence and sustainable development of deep sea and remote islands and it is also a international puzzle. Based on the CCMP (Cross-Calibrated, Multi-Platform) wind data for the period 1988—2011 and a 24-year WAVEWATCH-III (WW3) hindcast data, this study presents the characteristics of wind energy resources and wave energy resources in an important reef. The results show that： (1) The area is rich in wind energy and wave energy resources. This area can carry out the development of wind and wave energy all year round except some extreme sea conditions. The top value appears in December and January, of about 370 W/m2in wind power density and 20 kW/m in wave power density. Even in the poorest season (April and May) the energy also can be used to development. (2) The occurrences of effective wind speed, effective SWH, energy class are optimistic. The occurrence of effective wind speed is above 70% in each month. The occurrences of effective SWH, wind power density above 50 W/m2, wave power density above 2 kW/m are more than 50% in most of the year. (3) The wave energy is mainly contributed by the sea state of SWH in 2～3m, wave period in 6～7s. (4) The wind energy is mainly contributed by ENE, NE, SW and WSW direction, while the occurrence of wind power density in 100～300 W/m2appears the highest. Wind power density above 1 000 W/m2is mainly contributed by WSW direction. The wave energy is mainly contributed by the NNE and WSW direction ocean wave. The high occurrence of wave power density is 0～5 and 5～10 kW·m-1·a-1. The characteristics of wind energy rose is similar to the wave energy rose. (5) During the past 24 years, the wind power density does not have significant variation. The wave power density exhibits noticeable increasing trend, of about 0.25 kW·m-1·a-1. (6) There is a good stability in wind energy and wave energy in summer, autumn and winter. The stability in May is relative worst all year round. (7) The total storage and effective storage of wind energy is 2050 kW·h/m2, and 1 722 kW·h/m2. The total storage and effective storage of wave energy are 84079 and 66336kW·h/m.

remote island; wind energy; wave energy; sustainable development

國家重點基礎研究發展規劃項目(2013CB956200)；國家自然科學基金項目(41490642)資助

2015-05-12；

2015-06-20

鄭崇偉(1983-)，男，工程師，博士生，主要從事海戰場環境建設、物理海洋學及海洋能資源評估。E-mail：chinaoceanzcw@sina.cn

P743.2

A

1672-5174(2015)09-007-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150146