基于CCMP 再分析風場資料的南海海洋風能資源評估研究

丁 杰，吳國偉，陳家慶，姜 波

（國家海洋技術中心，天津 300112）

海洋風能作為一種可再生的清潔資源具有十分廣闊的開發(fā)前景，是目前增長最快的可再生能源技術之一。2020 年歐盟委員會發(fā)布的《海上可再生能源戰(zhàn)略》指出，預計到2030 年歐盟整體海上風電裝機容量將達到6×107kW[1]。目前中國已成為世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國，伴隨著中國經(jīng)濟結(jié)構的戰(zhàn)略性調(diào)整，能源需求問題日益突出[2]。隨著海上風電技術日益成熟，為了海洋風能資源實現(xiàn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化利用，從“十二五”期間開始，國家主管部門出臺了一系列扶植政策。2020 年9 月，中國明確提出2030 年“碳達峰”與2060 年“碳中和”戰(zhàn)略目標，在此背景下沿海各地方積極推動海上風電產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，使風電開發(fā)由近岸逐步向中遠海、邊遠海島延伸，因此海洋風能資源評估作為風力發(fā)電和電站選址的先決條件尤為重要。

國內(nèi)外學者對海上風能資源分布進行了評估研究。常俊芳等[3]利用2005—2011 年星載合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）遙感影像，反演出了浙江近岸海域10 m 風場時間序列數(shù)據(jù)，資源評估結(jié)果表明離岸50 km 范圍內(nèi)風功率密度100～300 W/m2，南部海域風資源量最豐富。孫英偉等[4]利用美國國家大氣研究中心和美國賓州大學研究的第五代中尺度氣象模式（Mesoscale Model 5，MM5）和美國國家環(huán)境預報中心提供的再分析初始場資料，對大連近海地區(qū)進行風能資源評估，研究表明風能年可利用時間在7 500 h 左右。WAN Y 等[5]利用歐洲中期預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF） 再分析數(shù)據(jù)集（Re-Analysis-Interim，ERA-interim）評估了南海波浪能和風能聯(lián)合開發(fā)的可行性和潛力，研究表明3個風資源優(yōu)勢地區(qū)為臺灣海峽、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)集評估了“21 世紀海上絲綢之路”地區(qū)風能的季節(jié)、空間的長期變化特征，研究表明大部分海域風能功率密度呈增長趨勢，月變化指數(shù)和季節(jié)變化指數(shù)無顯著變化趨勢，資源穩(wěn)定性較好。DVORAK M J 等[9]利用MM5 中尺度模式計算和評估了加利福尼亞地區(qū)風能資源分布及開發(fā)潛力，研究表明北部地區(qū)80 m 風資源最好，中部地區(qū)更適合大規(guī)模采用海上浮式風機進行開發(fā)。

以往的學者對風能評估研究做出了諸多研究成果，然而針對南海風能資源的年、季節(jié)空間分布和變化詳細評估研究較少，本文利用1988—2011 年的海表風速（Cross Calibrated Multi-platform，CCMP）再分析風場資料，分析了我國南海10 m 高度風能資源的年、季節(jié)變化趨勢特征，估算了南海風能資源的總蘊藏量和技術可開發(fā)量，計算了可采用固定式和浮式進行風力開發(fā)的面積。

1 數(shù)據(jù)來源與驗證

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文海洋風能資源評估采用CCMP（V1.1）再分析風場資料，數(shù)據(jù)來自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衛(wèi)星（Quick Scaterometer，QUIKSCAT）、日本高級地球觀測衛(wèi)星-2（Advanced Earth Obserbing Satellite-2nd Generation，ADEOS-Ⅱ）、熱帶測雨衛(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）、高級微波掃描輻射計（Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System，AMSR-E）等資料[12]。水深數(shù)據(jù)來源于中國航海圖書出版社公開出版的南海海域航海圖（圖號：17010、17020、17300、17310、 17600、 17900、 18050、 18100、 18200、18300、18400、18500、18600、18700、25030），通過矢量化獲取離散矢量水深點，經(jīng)插值后提取得到50 m、220 m 等深線。

1.2 數(shù)據(jù)驗證

為了驗證CCMP 再分析風場資料的有效性，利用3 個觀測風站數(shù)據(jù)進行對比定量分析，以相關系數(shù)（R）、偏差（Bias）和均方根誤差（RMSE），3 個指標作為誤差分析的標準，實測風站位見表1。

表1 實測風站位表

相關系數(shù)公式見式（1）。

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

表2 給出了3 個風觀測站與CCMP 數(shù)據(jù)的R、Bias 和RMSE 計算結(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 資料風速值偏小，但整體與觀測值符合較好，驗證了數(shù)據(jù)資料的可靠性。

表2 實測站與CCMP 風速值之間的相關系數(shù)、偏差和均方根誤差

2 研究區(qū)域

南海位于中國大陸的南部，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 萬平方公里，是中國近海中面積最大、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，同時也是我國極其重要的戰(zhàn)略運輸生命線。

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°，時間分辨率為6 h，時間跨度為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)計分析與計算，將研究區(qū)域內(nèi)劃分為7 個海區(qū)，海區(qū)劃分依據(jù)標準《近海預報海區(qū)劃分》[13]。圖1 表示了研究區(qū)域范圍和海區(qū)劃分對應編號，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 風能資源評估方法

3.1 風功率密度

風功率密度是與風向垂直的單位面積中風所具有的功率，是衡量一個地區(qū)風能大小，評價一個地區(qū)風能資源潛力的重要指標[14]。設定時段的平均風功率密度表達式如下[15]。

式中，PWP為平均風功率密度，單位W/m2；n 在設定時段內(nèi)的記錄數(shù)；ρ 為空氣密度，單位kg/m3；vi為第i 個記錄的風速，單位m/s。

3.2 平均風速

平均風速為給定時間內(nèi)瞬時風速的平均值，給定時間從幾秒到數(shù)年不等[14]。平均風速按下式計算[16]。

3.3 有效風時

有效風時為24 a 風速在3～5 m/s 年平均小時數(shù)[14]。

3.4 蘊藏量

將年平均風功率密度按照個50 W/m2間隔遞增分級劃分等值線，風能蘊藏量公式按下式計算[14]。

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

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

3.5 技術可開發(fā)量

考慮到風機葉片面實際掃過的面積，年平均功率大于等于150 W/m2的區(qū)域風能資源蘊藏量乘以0.785[16]。

4 南海風能資源評估

南海風能資源分布和統(tǒng)計結(jié)果見圖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 風功率密度

從多年平均空間分布上來看（圖2），南海大部分海域的風功率密度在200 W/m2以上（屬于風能資源豐富區(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，風功率密度基本在100 W/m2以下，屬于風能資源貧乏區(qū)。

圖2 南海年平均風功率密度分布圖（1988—2011 年）

從各海區(qū)年平均風功率密度統(tǒng)計上看（表3），C 區(qū)平均值413.67 W/m2，最大值可達601.68 W/m2，風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，風功率密度最低；各區(qū)最小值均未超過100 W/m2。

表3 各海區(qū)年平均風功率密度統(tǒng)計

由圖3 可知，冬季的風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，但風功率密度降低為300 W/m2以上。

圖3 南海季平均風功率密度分布圖（1988—2011 年）

圖4 給出各海區(qū)風功率密度季節(jié)統(tǒng)計。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)在四個季節(jié)中風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)風功率密度未超過100 W/m2。

圖4 各海區(qū)風功率密度季節(jié)變化（1988—2011 年）

4.2 平均風速

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

圖5 南海年平均風速分布圖（1988—2011 年）

從各海區(qū)年風速統(tǒng)計上看（表4），C 區(qū)風速平均值7.17 m/s，最大值可達8.25 m/s，所有海區(qū)中最大；A 區(qū)上風速平均值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)年平均風速統(tǒng)計

圖6 給出了南海24 a 平均風速的季節(jié)變化。冬、秋季南海平均風速明顯大于春、夏季。冬季，平均風速的大值區(qū)有兩個，北部從東沙群島至呂宋海峽之間（最大值達到10.00 m/s），南部位于中南半島東側(cè)海域（超過9.50 m/s），大部分海域的平均風速都在6.00 m/s 以上；春季，南海平均風速全年最低，大值區(qū)集中在東沙群島至呂宋海峽之間（超過6.50 m/s） 和東沙群島至臺灣海峽之間（超過6.00m/s）；夏季，大部分海域的平均風速都在5.00 m/s以上，大值區(qū)位于中南半島東南部（超過7.50 m/s）；秋季，南海平均風速較夏季開始增大，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 南海季平均風速分布圖（1988—2011 年）

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

圖7 各海區(qū)風速季節(jié)變化（1988—2011 年）

4.3 有效風時

圖8 給出了南海24 a 有效風時分布圖。有效風時為24 a 風速在3.00～25.00 m/s 年平均小時數(shù)。由圖8 可知，南海大部分海域有效風時在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，有效風時在5 000 h 以下。

圖8 南海有效風時分布圖（1988—2011 年）

從各海區(qū)有效風時統(tǒng)計上看（表5），B、C、D、E 區(qū)有效風時平均值在7 000 h 以上，D 區(qū)平均值7 680 h 最高；從最大值看，B 區(qū)中有效風時可達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)均達到2 000 h 以上。

表5 各海區(qū)有效風時統(tǒng)計

4.4 蘊藏量和技術可開發(fā)量

根據(jù)式（6）計算得出，南海海洋風能資源蘊藏量為5.79×109kW，技術可開發(fā)量4.48×109kW。綜合考慮水深是風機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 海域目前技術成熟度還不適宜開發(fā)[17-18]，可待技術成熟后為中長期規(guī)劃。表6 統(tǒng)計出了南海各深度區(qū)間海域風能資源技術可開發(fā)面積。

表6 南海各深度區(qū)間海域風能資源技術可開發(fā)面積統(tǒng)計 單位：km2

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

5 結(jié) 論

本文利用ESE 提供的1988—2011 年CCMP 再分析風場資料，計算了南海海域10 m 高度的風功率密度、風速、有效風時等參數(shù)，分析了海洋風能資源時空分布特征，估算了南海海洋風能蘊藏量和技術可開發(fā)量，得出以下研究結(jié)論。

（1）南海海洋風資源呈現(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，年平均風功率密度在呂宋海峽附近海域更是高達500 W/m2以上，有效風時大值中心位于中南半島東部至海南島東部海域超過7 800 h。

（3）南海海洋風能資源蘊藏量為5.79×109kW，技術可開發(fā)量4.48×109kW，采用固定式和浮式進行風力開發(fā)的面積為2.87×105km2，占整個南海資源技術可開發(fā)總面積的15.81%。