全球海域波浪能資源評估的研究進展

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）

全球海域波浪能資源評估的研究進展

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）

摘要：日益嚴峻的資源危機、環境危機給人類的生存與可持續發展造成了嚴重威脅。安全、無污染、儲量大、分布廣、可再生等諸多優點使得波浪能資源成為時代的寵兒。高效展開海浪發電、海水淡化等波浪能開發工作，將有效促進人類社會的可持續發展。但是，波浪能資源的不穩定性、季節性和區域性差異也增加了其開發難度。資源開發，評估先行。文章首先分析了波浪能資源的優勢與不足，探討了國內外波浪能資源評估的研究進展，重點梳理了中國近海的波浪能資源評估現狀，進一步展望了未來波浪能資源評估的焦點，期望可以為海浪發電、海水淡化等波浪能開發工作提供參考，緩解能源危機、環境危機，提高邊遠海島的生存能力，為南海島礁建設、“21世紀海上絲綢之路”建設、以及人類社會的共同繁榮進步盡綿薄之力。

關鍵詞：波浪能；資源評估；海浪發電；海水淡化；可持續發展

1　　引言

日益嚴峻的資源危機給人類的生存與可持續發展造成了嚴重威脅，各國紛紛采取一定的能源戰略。資源危機往往還導致環境危機，甚至武裝沖突。近年來，美國采取的一系列軍事行動，不僅僅是為了維護其霸權主義，很大程度上也是為了掠奪資源。相比之下，我國的能源戰略則是倡導和平與發展、合作共贏：“一帶一路”、“亞投行”、“非洲援建”等，處處彰顯我國延續和平與發展主題、為整個人類社會謀福祉的負責任大國的風范。此外，我國還積極倡導太陽能、風能、海洋能等可再生新能源。安全、無污染、可再生、儲量大、分布廣等諸多優點使得波浪能資源成為時代的寵兒。2011年1月李克強總理訪問英國時，英國人展示的高新成果就是海浪發電。海浪發電是波浪能開發利用的主要方式，除此之外波浪能還廣泛應用于海水淡化、供熱、制氫等，能有效克服深遠海、邊遠島礁淡水稀缺、電力緊張、生態脆弱等諸多困境，使得波浪能資源的優勢更是凸顯。

前人對波浪能裝置研究做了很大貢獻，在實際的波浪能開發過程中，必須做到“資源評價和規劃先行”。波浪能資源的不穩定性、季節性和區域性差異也增加了其開發難度。如果僅有先進設備，而資源不充分，難免出現“巧婦難為無米之炊”的尷尬局面。在資源詳查的基礎上，制定相應的建設規劃，方可提高對波浪能的采集、轉換效率，進而實現有序的開發利用。本文探討了國內外波浪能資源評估的研究進展，并展望了未來波浪能資源評估的焦點，期望可以為海浪發電、海水淡化等波浪能開發工作提供參考，緩解能源危機、環境危機，促進海洋建設的可持續發展。

2　　波浪能資源的優勢與不足

2.1可再生、無污染、無危害

持續的霧霾、愈發惡化的自然環境越來越得到人類社會的高度重視。在煤、石油等常規能源日益緊缺的當今世界，各發達國家分別通過法律、減免稅收等措施鼓勵新能源的開發。目前，太陽能和陸上風能已實現產業化、規模化，但受資源地域限制嚴重；核能的能量巨大，但對人類存在較大的潛在威脅，如2011年日本海嘯引起的核泄漏、1986年蘇聯切爾諾貝利核泄漏；波浪能則屬于清潔能源：安全、無污染、可再生。

2.2儲量大、分布廣、全天候

波浪能以機械能形式出現，是海洋能中品位最高的能量，功率密度最高，在海洋中無處不在，無時不有，也就是說可以全天候地利用波浪能。太陽能受到白晝的限制，每日可以用于能源開發的時間不足一半。波浪能的平均密度可達2—4 kW/m2，明顯高于太陽能（100—200 W/m2）、風能（400—600 W/m2）等新能源［1］。根據聯合國教科文組織出版的《海洋能開發》［2］，全球波浪能資源的量級為109kW。世界能源委員會公布的數據顯示：全球可利用的波能達到20億kW，相當于目前世界發電量的2倍［3］。馬懷書［4］的研究發現中國近海及周邊海域的總波浪功率為5 740×108kW。程友良等［5］曾指出中國波浪能的理論存儲量為7 000萬kW左右。南海蘊藏著豐富的波浪能、溫差能、海流能、鹽差能等，以波浪能、海上風能資源的優點最為突出，尤其是南海北部海域［6］。

2.3節約土地資源、隱蔽性好、防破壞能力強

波浪能開發不占用島礁寶貴的土地資源。在軍事應用方面有很好的隱蔽性：（1）波浪能裝置在海表，不易被敵偵察，隱蔽性好于風能、太陽能裝置；（2）建立水下充電站，可以為自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）等充電，增強其續航、隱蔽能力。波浪能裝置還具有很強的防破壞能力：（1）在關鍵海域大面積散點布設，能有效避免戰時被敵方全部摧毀，保證電力的不間斷供給；（2）抵抗臺風打擊、船舶撞擊的能力強［7-8］（如LIMPET電站在艾萊島安裝后的第1個冬季，遭遇50年一遇的波浪卻安然無恙）。海浪發電在軍事上可以作為一種有效的“軟實力”［9］，為提高戰力服務。

2.4促進走向深遠海、邊遠海島

很多島礁遠離大陸，卻有著無法替代的戰略地位（如我國的永暑礁、赤瓜礁、黃巖島等），緊張的電力和淡水狀況，嚴重制約著島礁的經濟和軍事活動。由于艦船往返周期長、成本高，這些島礁的補給困難，尤其在惡劣海況下。因地制宜，發揮波浪能的優勢，可以為海上孤島、石油平臺、海上燈塔、海水養殖場、海上氣象浮標等提供能源。邊遠海島大多生態脆弱，一旦遭到破壞極難修復，清潔的波浪能有利于保護島礁脆弱的生態，避免常規能源發電帶來的破壞。目前，微型、小型波力發電技術也趨于成熟，隨著科學技術的飛速發展，綜合考慮發電成本、環境污染等外部成本，海浪發電將極具競爭力。離網式海浪發電對于實現島礁的電力、淡水自給自足、海洋國防工程有著實用的價值，可以克服補給和輸電困難，促進走向深遠海。

2.5緩解能源危機、環境危機

大力開發波浪能資源將有效緩解能源危機、環境危機，促進人類社會的可持續發展。以我國為例，沿海地區經濟發達，國內生產總值（GDP）占全國70%左右，但也是我國的電力負荷中心，用電量占全國的50%以上。能源困境已經成為制約沿海地區持續快速發展的瓶頸，為實現沿海地區電力可持續發展，國家采取了“西電東送”、“西氣東輸”、大力開發核電等戰略，即便如此，電力供應仍有很大的缺口。發揮沿海、邊遠海島的波浪能優勢，將有效緩解能源危機、環境危機。

2.6不足

波浪能資源也并非十全十美，大家熟知的我國海軍解救馬爾代夫淡水危機，便可以折射出波浪能裝置（海水淡化裝置）存在的隱患。波浪能的不足表現在：（1）季節性、區域性差異顯著，能量分散不易集中，利用難，這就更要求做好先期的評估工作；（2）對材料抗海水腐蝕的要求高；（3）設計施工復雜，投資造價高；（4）容易受浮游生物的影響，需要特殊涂料處理以防止浮游生物的附著；（5）目前，波浪能資源的轉換效率仍然相對比較低；（6）并網困難。

3　　波浪能資源評估進展

資源開發，評估先行。尋找資源豐富、可利用率高、穩定性好、災害性天氣發生頻率低的優勢區域，可以達到事半功倍的效果。本文在此分析了國內外波浪能資源評估的研究進展，并重點梳理了中國近海的波浪能資源評估現狀，期望可以從中發現提高波浪能的采集效率、轉換效率的方法。整體來看，波浪能資源評估主要經歷了以下幾個階段：（1）基于有限觀測資料的波浪能資源評估；（2）衛星觀測資料運用于波浪能資源評估；（3）數值模擬手段運用于波浪能資源評估；（4）再分析資料應用于波浪能資源評估。

3.1觀測分析階段

早在20世紀70年代，人們就已利用有限的大洋船舶報資料和浮標資料，計算和評估全球海洋沿岸波浪能資源的分布［10］。Tornkvist［11］和Hulls［12］指出，全球海域波浪能流密度的大值區位于北大西洋東北部海域、太平洋東北部北美西海岸、澳大利亞南部沿岸以及南美洲的智利和南非的西南部沿岸海域。1986年，Denis［13］利用有限的觀測資料，給出了全球近岸的波浪能流密度分布概況。Thorpe［14］曾利用觀測資料，分析了英國周邊的波浪能流密度分布特征。2002年，歐洲能源中心（Centre for Renewable Energy Sources，CRES）［15］利用收集到的全球海浪觀測資料，制作了全球海域波浪能流密度分布圖（見圖1）。Lenee-Bluhm等［16］利用美國國家資料浮標中心（National Data Buoy Center，NDBC）和沿海數據信息計劃（Coastal Data Information Program，CDIP）數據，分析了美國西北部的太平洋海域的波浪能資源。發現該海域的波浪能資源主要由2—5 m的有效波高、8—12 s波周期的海況貢獻。但由于波浪觀測資料極為稀缺，無法實現大范圍海域、精細化的波浪能資源評估，也就不能很好地為宏觀選址提供指導。

圖1歐洲能源中心制作的全球沿岸波浪能流密度（kW/m）［15］

3.2衛星反演階段

隨著海洋觀測手段的不斷進步，越來越多的衛星資料被運用于波浪能資源的研究。Barstow等［17］利用2 a的TOPEX/Poseidon（簡稱T/P）衛星高度計資料反演的有效波高（Significant Wave Height，SWH）以及浮標站SWH與波能周期的統計關系，計算了全球海岸附近幾百個站點的波浪能流密度，得到全球近岸波浪能分布圖（見圖2）。Pontes［18］也曾利用遙感數據對波浪能展開評估。由于衛星資料在時間同步性方面存在一些不足，時間序列相對較短，并不能很好地展現波浪能的長期變化趨勢。

3.3數值模擬階段

隨著計算機技術的快速發展，近年來一些先進的海浪數值模式在歐美國家如雨后春筍般出現，越來越多的數值模式被用于波浪能資源評估。海浪數值模擬可以逐漸實現局部海域波浪能資源的精細化評估，也可以對一些無觀測資料的海域進行研究。常用的海浪模式有WaveAction Model（WAM）、WAVEWATCH-III（WW3）、Simulating WAves Nearshore（SWAN）。Liberti等［19］曾利用WAM模式分析了地中海近10 a的波浪能資源特征。Iglesias等［20］曾利用浮標數據和44 a（1958—2001年）的WAM、SWAN模擬數據，分析了阿斯圖里亞斯（西班牙北部）外海和近岸的波浪能資源特征，發現大部分波浪能主要由2—5 m的SWH、11—13 s波周期的海況貢獻。Cornett［21］利用NWW3海浪模式模擬了1997—2006年的全球浪場，計算了全球波浪能的分布（見圖3）；Folley等［22］、Iglesias等［23］分別利用第三代海浪模式MIKE21 NSW和SWAN計算和分析了蘇格蘭近岸和西班牙近岸的波浪能的變化；Roger［24］在2009年通過WW3海浪模式成功預報了太平洋東海岸的波浪能，并取得了較好的模擬效果。Rusu等［25］曾利用SWAN模式，模擬分析了黑海的波浪能資源特征。Akp?nar等［26］利用來自歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的ERA-Interim風場驅動SWAN海浪模式，模擬得到黑海1995—2009年的海浪場，分析了該海域的波浪能特征，發現黑海的西南近海是合適波浪能開發的區域。Neill等［27］曾利用SWAN模式，模擬得到歐洲西北部2005—2011年的海浪場，分析了該區域波浪能的氣候特征，并發現冬季的波 浪 能與 北大 西洋 濤 動（North Atlantic Oscillation，NAO）有著密切的聯系。受地形效應等諸多因素的影響，數值模式在某些地形特殊的海域模擬效果較差［28-30］，這就意味著模擬數據需要以浮標觀測資料、衛星數據來做為重要補充。

圖2 Barstow繪制的全球海域波浪能流密度（kW/m）［17］

圖3 Cornett模擬的全球海域波浪能流密度（kW/m）［21］

3.4再分析資料階段

隨著觀測技術、計算機技術的快速發展，可用于波浪能資源評估的數據越來越豐富，各種再分析資料越來越廣泛地應用于該領域。Pontes等［31-32］利用部分浮標資料和WAM模式得到的浪場，研究歐洲近岸的波浪能資源分布和季節變化并繪制圖集。Rusu等［33］曾利用衛星資料、浮標資料、SWAN模式模擬數據，分析了馬德拉群島周邊海域的波浪能資源特征。Reguero等［34］曾利用61 a（1948—2008年）的海浪再分析資料，分析了全球海域波浪能資源的季節特征、年際變化特征和長期變化，并發現部分海域的波浪能流密度與北極濤動（Arctic Oscillation，AO）有著密切的相關（見圖4），這將有利于對波浪能展開預測。前人的工作對波浪能資源研究做了很大的貢獻，但多是針對能流密度的大小而展開的研究，在實際的波浪能資源開發過程中，不僅需要考慮能流密度的大小，同樣需要考慮到波浪能資源的穩定性和長期變化趨勢、資源儲量等各方面。作者利用來自ECMWF近45 a（1957年9月—2002年8月）、逐6 h、覆蓋全球范圍的ERA-40波浪再分析（wave reanalysis），從實用的角度出發，綜合考慮能流密度的大小（見圖5）、能級頻率、能流密度的穩定性和長期變化趨勢等，對全球海域的波浪能資源進行系統性研究，并構建了一套波浪能資源評估系統，填補了波浪能資源評估系統的空白，對全球海域的波浪能資源進行等級區劃［35］，該研究也是初次對全球海域的涌浪能展開分析。

圖4全球海域波浪能流密度與AO的相關性［34］，彩色區域表示通過了顯著性檢驗

圖5全球海域波浪能流密度（kW/m）

3.5中國海域的波浪能資源

我國科研工作者在海浪資料極度缺乏的情況下，對中國近岸的波浪能資源評估做了很大貢獻。1983年，馬懷書［4］利用海洋觀測資料和船舶報資料，將中國近海及鄰近海域劃分為332個區塊，對中國海的總波浪能和總波浪功率展開估算。游亞戈等［7］曾指出南海為我國海域的波浪能資源相對富集區，渤海較差，但即使在貧乏的海域，波浪能也能夠為觀測浮標提供充足的電量。褚同金指出［36］，在盛風區和長風區的沿海，波浪能流密度一般比較高。任建莉等［37-38］利用大量的實測波高，對浙江嵊山海域的波浪能資源進行評估，研究發現該海域的波浪能流密度在0.5—8.8 kW/m，2 kW/m以上的能流密度出現頻率為60%左右，有利于波浪能資源的開發。王傳崑等［39］利用1960—1969年的海洋站觀測波高和波周期，計算了我國沿岸的波浪能流密度，發現我國沿岸理論波功率為7.0×107kW，還發現我國沿岸波浪能流密度的分布很不均勻，高值區位于西沙地區沿岸、福建海壇島以北、臺灣、浙江中部、渤海海峽。Chiu等［40］曾利用浮標觀測資料分析了臺灣島周邊海域的波浪能特征，發現東北部近海為波浪能的優勢區域，大部分海域的波浪能在秋冬兩季未全年最高，僅在臺灣島的西南部近海是春夏兩季的波浪能為全年最高。

海洋觀測資料稀缺是一個全球性問題，也嚴重限制著波浪能的宏觀選址，大范圍沒有數據的地方無法做出資源評估。2010年，作者利用SWAN模式，在國內率先實現了波浪能資源的數值模擬，可以對大范圍海域的波浪能進行精細化研究［41］。2011年，作者利用交叉定標多平臺合成洋面風場（Cross-Calibrated Multi-Platform，CCMP），驅動目前國際先進的第三代海浪模式WW3，模擬得到國內首份覆蓋整個中國海、長時間序列（1988年1月—2009年12月）、高時空分辨率、高精度的海浪場數據；并利用該海浪數據，首次實現了整個中國海域的波浪能資源的精細化、系統性模擬研究［42］，波浪能流密度的大小見圖6。在波浪能資源的評估中，通常認為能流密度大于2 kW/m時為可用［37-38］，大于20 kW/m的海域被認定為波浪能資源的富集區。這就意味著不同等級波浪能流密度出現的頻率是衡量波浪能資源可開發程度、豐富程度的一個重要標準。作者在該研究中將不同等級波浪能流密度出現的頻率定義為“能級頻率”［43］，該定義也得到廣泛認可和應用［44-46］。綜合考慮能流密度的大小、能級頻率、能流密度的穩定性，作者實現了中國海域波浪能的系統性、精細化評估。結果表明：中國海的波浪能流密度具有明顯的季節特征，除渤海和黃海北部以外的大部分海域的年平均能流密度在2 kW/m以上，南海北部海域四季皆為能流密度的相對大值區，比傳統的估值2—7 kW/m樂觀。2013年，蔣廷松［45］利用SWAN海浪模式，精細化地模擬分析了浙江省海域的波浪能資源特征。Liang等［47］曾利用SWAN模式，模擬分析了山東半島近16 a（1996—2011年）波浪能資源的氣候特征。發現近岸最大的波浪能流密度為296 kW/m，平均的波浪能流密度為5.1 kW/m。

在風能開發過程中，3—25 m/s之間的風速有利于風能的采集，稱之為風能開發的有效風速。2012年，參照有效風速，作者定義了波浪能資源開發的可用波高［42］。目前較好的海浪發電裝置在波高大于0.5 m時就可以采集波浪能，波高大于4 m時容易對波浪能裝置的安全性造成影響，作者將0.5—4.0 m之間的有效波高定義為波浪能資源開發的可用波高，并統計了中國海可用波高出現的頻率，發現該頻率整體較高，這就意味著我國的波浪能開發是樂觀的。該研究對中國海的波浪能資源展開了初步的等級區劃，發現我國除渤海和黃海北部以外，大部分海域蘊藏著較為豐富的、適宜開發的波浪能資源，南海北部海域為我國波浪能資源的相對優勢區域。2013年，作者在可用波高的基礎上，定義了波浪能資源開發的有效時間［48］：某一時刻，如果同時滿足波高在0.5—4.0 m之間，風速小于13.9 m/s（7級），波浪能流密度大于2 kW/m，則將該時刻視為波浪能資源開發的有效時間。目前的海浪發電裝置在波高大于0.5 m時就可以較好地發電，波高大于4 m會產生較嚴重的破壞力，往往導致儀器損毀，因此本文選擇波高范圍在0.5—4.0 m之間；由于7級以上大風具有較強的破壞力，會導致發電設備的損壞甚至損毀，因此本文選擇風速范圍在7級以下；通常認為波浪能流密度大于2 kW/m時才可用于發電，因此對能流密度也作了限制。統計發現東海和南海大部分海域的有效時間出現頻率較高，南海北部海域（海南島至呂宋海峽之間的海域）常年為有效時間的高頻中心（見圖7）。隨著裝置吸波能力的不斷提高、抗風浪破壞能力的不斷增強，有效時間的范圍將不斷擴大，該研究得到了我國科技部的認可［49］。

波浪能的資源儲量密切關系到發電量，馬懷書［4］曾利用海洋觀測資料和船舶報資料，計算發現整個中國近海及周邊臨近海域的總波浪功率為5 740× 108kW，由于資料稀缺，空間分辨率偏低（1°×1°）。2013年，作者利用模擬得到的高時空分辨率海浪數據，首次精細化計算了整個中國海單位面積的波浪能資源總儲量、有效儲量、技術開發量［50］。2014年，作者對中國海的波浪能資源的中長期變化趨勢展開研究［51］，發現一個對于我國的波浪能資源開發非常樂觀的現象：在近24 a（1988—2011年）期間，中國海大部分海域的波浪能流密度表現出顯著性逐年遞增趨勢，見圖8。

圖6　　中國海波浪能流密度（kW/m）［42］

3.6南海島礁海浪發電

南海自古就是中國的神圣海疆，因地制宜、開發利用波浪能資源，進行海浪發電、海水淡化等，將有效提高島礁的生存能力、可持續發展能力，為我國海洋權益維護、軍地海洋建設提供強有力支撐。

早在2011年，作者就率先對我國西沙、南沙的波候（海浪氣候特征）、波浪能資源展開分析，發現這兩個區域蘊藏著較為豐富的波浪能資源［52］。2014年，李崇銀等［53］對南海關鍵島礁的波浪能、海上風能進行了綜合評估（見圖9、圖10），首次論證了南海島礁海浪發電、海上風力發電的可行性。通常風能密度在50 W/m2以上屬于可用、大于200 W/m2屬于豐富，波浪能流密度在2 kW/m以上屬于可用、大于20 kW/m屬于豐富。由圖9可見，研究海域全年都可進行風能、波浪能開發，風能甚至一半以上的時間屬于豐富；由圖10可見，該海域的風能、波浪能都穩定地來自兩個方向，這就非常有利于資源的采集與轉換。此外，李崇銀等［54］還對島礁的海洋環境特征進行精細化研究，可為島礁開發建設的防災減災、海洋工程等提供科學依據。結果發現：冬季，當冷空氣南下至該海域時，破壞性大大降低，但能量依然很充足；夏季在西南季風的影響下，能量充足、穩定性好、破壞力弱。整體來看，研究海域的資源豐富、來向穩定、惡劣海況稀少，具有資源開發的“天賦”。Wan等［55］近期利用ERA-interim資料分析了中國近海的波浪能資源，結果也表明南海蘊藏著較為豐富的波浪能。我國釣魚島、黃巖島的海洋能資源、海洋環境特征的研究成果［56］可為我海洋權益維護提供科學依據。

圖7波浪能資源開發的有效時間出現的頻率（%）

4　　展望

圖8中國海有效波高和波浪能流密度的長期變化趨勢

圖9南海某重點島礁的風能密度和波浪能流密度的月變化特征［53］

圖10 南海某重點島礁的風能和波能玫瑰圖［53］

前人對波浪能資源評估做了很多工作和很大貢獻，但多集中在波浪能的氣候特征分析方面，對波浪能的預報、預測工作開展的較少，而這又密切關系到波浪能開發的中長期規劃、電力調度等。我們在此展望了未來波浪能資源評估的焦點，期望可以為提高波浪能的采集效率、轉換效率提供參考。

4.1涌浪能的利用

由于資料稀缺，以往多是針對混合浪的研究，對涌浪能的研究可謂鳳毛麟角。而在實際的海洋中，涌浪具有能量大、穩定性好等優點，利于采集與轉換，近年來國際上對涌浪發電的研究正成為新的熱點。作者曾利用來自ECMWF近45 a（1957—2002年）將風浪和涌浪分離的ERA-40海浪再分析資料，系統性地評估了全球海域的風浪能、涌浪能、混合浪能。但該數據的空間分辨率為1.5°×1.5°，分辨率較低，容易將一些重要的島礁、海域遺漏，在未來的工作中，需要對全球海域的涌浪能展開更為精細的研究。

4.2大范圍、精細化、系統性

隨著計算機技術、并行算法的快速發展，波浪能的氣候特征分析將向著“大范圍、精細化、系統性”的方向發展，可以同時為波浪能開發的宏觀、微觀選址提供更為科學、合理的依據。以往的波浪能評估多是分析能流密度的大小、能級頻率、可用波高出現的頻率等，在實際應用中還需要綜合分析能流密度的長期變化趨勢和穩定性、波浪能資源的總儲量、有效儲量、技術開發量等各方面，對資源進行系統性評估、等級區劃。作者曾利用1.5°×1.5°的ERA-40海浪再分析資料，對全球的波浪能資源進行等級區劃，但空間分辨率較低，有的海域并沒有數據，因此也就無法劃分資源等級。在未來的工作中，需要對波浪能資源展開更為精細的等級區劃。

4.3短期預報的業務化

短期預報可以為波浪能裝置的業務化運行提供保障。氣候特征分析可以為波能開發的選址提供依據，設備安裝之后，業務化運行過程中往往更為關注資源的短期預報，及時調整設備以提高對資源的利用率，同時為防災減災提供參考。作者曾以T639預報風場驅動WW3海浪模式，在國內率先實現了整個中國海域的波浪能數值預報，也取得了較好效果［57］。該短期預報內容主要包括：未來一周中國海逐3 h的波浪能流密度預報、未來一周的資源儲量預報、站點預報等，該方案也為我國波浪能的短期預報指明了方向。

4.4資源的中長期預估

波浪能的長期變化趨勢密切關系到資源開發的中長期規劃、電力調度等問題，但以往多是計算歷史的變化趨勢，在實際的開發過程中，未來的資源變化趨勢更具有實際的指導意義，彌補短期預報的不足。通常有如下幾種方法可以實現波浪能的中長期預估。

方法一：利用CMIP5數據進行預估。利用CMIP5風場預測數據驅動WW3或SWAN模式，模擬分析未來的波浪能資源分布特征。Reeve等［58］曾利用IPCC的成果，對比分析了1961—2000年、2061—2100年英國康沃爾（Cornwall）近海的波浪能資源。

方法二：利用MJO（Madden-Julian Ocillation）、ENSO等現象輔助波浪能的中長期預測。Li等［59-60］曾指出東亞冬季風的年際變化與ENSO現象有很好的聯系，El Nino年東亞冬季風往往較弱，La Nina年則常常出現強的東亞冬季風。李崇銀對ENSO機理及預測、南亞夏季風等做過系統性研究［61-66］，可以借鑒該成果指導波浪能的中長期預測。Gulev等［67-68］曾指出太平洋SWH的長期變化趨勢與ENSO現象有很好的聯系。中國海處于大洋邊緣，風浪在混合浪中占了較大比例；大氣MJO的活動對西北太平洋臺風的生成有比較明顯的調制作用。因此，SWH與MJO、ENSO現象之間必定存在著密切聯系，這就意味著可以利用MJO、ENSO等現象輔助波浪能資源的中長期預測。

方法三：利用最小二乘法支持向量機、人工神經網絡、Hilbert變換下的瞬時頻率與瞬時振幅重構預測法等，對波浪能展開中長期預測。也可以通過建立統計模型對波浪能展開預測。Pinson等［69］曾通過建立統計模型的方法，對波浪能展開預測，并在北美13站點處展開驗證。

4.5海洋環境特征

深入研究海洋環境特征是高效開發利用波浪能、防災減災的先決條件［70-72］，同時也有益于延長波浪能裝置的壽命。在波浪能開發過程中，需要考慮的要素主要包括水深、海底地質、風速風向和波高波向的季節特征、大風頻率、大浪頻率［73-74］、風向和波向頻率、極值風速和極值波高等［75-82］。此外，由于海洋環境的腐蝕性很強，還需要關注海水的溫度和鹽度。

4.6站點資源評估、預報

波浪能的開發，最終要落實到具體的站點，這就需要對站點的資源特征進行系統性分析。主要包括站點的海洋環境特征、資源的氣候特征、短期預報、中長期預估、涌浪指標（涌浪在混合浪中所占的成分）。此外，作者設計了“波能玫瑰圖”，通過該圖可以用于波浪能的氣候特征分析，工程人員可以很容易就掌握：在不同的季節，波浪能由什么方向的海浪貢獻，“波能玫瑰圖”同樣可以用于資源的短期預報，合理調整裝備狀態，最大限度的提高對波浪能的采集效率。作者曾對瓜達爾港的風能資源展開評估［83］，在未來的工作中，可對“21世紀海上絲綢之路”一系列關鍵島礁的波浪能資源進行評估，為海浪發電、海水淡化等提供輔助決策，將這一系列島礁打造為戰略支撐點，助力邁向深藍。

波浪能資源的高效開發利用將有效緩解人類的資源危機、環境危機。但是，如果過度將波浪能、海上風能等海洋動能大面積轉化成我們需要的電力，勢必會造成海洋動能攝入減少，從而導致邊界流減弱，由于守恒作用，赤道流系將會呈現減弱或者混合加強的異常情形，從而導致氣候異常的情況產生。因此，需要我們在資源詳查的基礎上，因地制宜，系統性、合理地展開海浪發電、海水淡化等波浪能資源開發工作，方可在有效保護海洋生態的前提下，提高邊遠海島的生存能力，同時也可以為我國的海洋權益維護提供支撐，更將有效緩解能源危機、環境危機，促進人類社會的可持續發展。

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中圖分類號：743.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）03-0076-13

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.011

收稿日期：2015-08-16

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

作者簡介：鄭崇偉（1983-），男，工程師，博士，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

通訊作者：李崇銀（1940-），男，教授/研究員，中國科學院院士，主要從事天氣氣候變化及其動力學研究。E-mail：lcy@lasg.iap.ac.cn

Review on the global ocean wave energy resource

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，Institute of Atmospheric Physics，the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100028 China；3.Dalian Naval Academy，Dalian 116018 China）

Abstract：The increasingly serious energy and environmental crises have caused serious threat to the survival and sustainable development of human society.The advantages，such as safety，non-pollution，huge storage，wide distribution and renewable，make wave energy resources to be the focus of times.Effective development of wave power generation and seawater desalination will make contribution to the sustainable development of human society.But the instability，seasonal and regional differences also increase the development difficulty.The evaluation of wave energy should be ahead of the resource development.In this study，the advantage and disadvantage of the wave energy resource were analyzed firstly，and then the status of evaluation on the wave energy was discussed.At last，we exhibit the focuses of wave energy resource evaluation in the future，in hope of providing reference for the wave energy development，such as wave power generation and seawater desalination，alleviating the energy crisis and contributing to emission reduction and environmental protection，improving the survivability of remote Islands，thus promoting sustainable development of our military and civilian marine constructions.

Key words：wave energy；resource evaluation；wave power generation；seawater desalination；sustainable development