江蘇沿海區域波能流特性分析

摘 要：綜述了國內外海洋波浪能的儲存量及開發利用現狀，利用歐洲中期天氣預報中心2011—2020年ERA?5高分辨率（0.125o"×"0.125o）海浪再分析資料，其中包括有效波高、平均波周期等波浪參數，通過對江蘇沿海海域的年均波浪能流密度進行計算，研究了該海域的波浪能資源時間和空間分布特征以及波浪能變異系數，從而得到波浪能資源分布豐富且相對穩定的海域。結果表明：江蘇沿海波浪能資源有明顯的季節特征，冬季資源最豐富，秋季次之，夏季最為匱乏；波浪能資源豐富區域分布在鹽城與南通沿海的近海海域與黃海部分海域，總體呈東北—西南走向，波浪能流密度可達4"409"W·m?1；綜合波能流密度、多年波能流變化趨勢、波能流的穩定性與江蘇沿海的開發條件，可考慮將江蘇沿海區域作為資源開發區域。

關鍵詞：波浪能；波能流；ERA?5；時空分布；變異系數

中圖分類號：P743.2 文獻標志碼：A

Wave energy flow characteristics analysis in the coastal area of"Jiangsu Province

JIANG"Ziming，QI"Jianyue，SUN"Wenxuan，WANG"Sunan，YE"Beibei

（College"of"Hydraulic"Science"and"Engineering，"Yangzhou"University，"Yangzhou"225009，"China）

Abstract：The"reserves"and"utilization"status"of"global"and"domestic"marine"wave"energy"iscomprehensively"reviewed"in"this"paper."The"annual"average"wave"energy"fluxnbsp;density"in"thecoastal"areas"of"Jiangsu"Province"was"calculated"with"the"high-resolution"（0.5°×0.5°）"wavereanalysis"data"from"the"European"Center"for"Medium-Range"Weather"Forecasts"（ECMWF）"ERA-5in"2011—2020"including"significant"wave"height"and"mean"wave"period."The"temporal"and"spatialdistribution"characteristics"of"wave"energy"resources"and"the"coefficient"of"variation"were"studied"toobtain"the"regions"with"rich"and"relatively"stable"wave"energy"resources."Results"indicate"that"thecoastal"wave"energy"resources"in"Jiangsu"Province"exhibit"distinct"seasonal"variations"in"thedescending"order"of"winter，"autumn，"and"summer."The"areas"with"abundant"wave"energy"resourcesare"distributed"in"the"coastal"areas"of"Yancheng"and"Nantong，"as"well"as"in"parts"of"the"Yellow"Sea，generally"trending"from"northeast"to"southwest."The"wave"energy"flux"density"can"reach"up"to"4"409W·m?1."Considering"the"comprehensive"factors"of"wave"energy"flux"density，"multi-year"trend"ofwave"energy"flow，"stability，"and"the"development"conditions"along"the"coast"of"Jiangsu"Province，these"regions"can"be"considered"for"resource"development.

Keywords：wave"energy;"wave"energy"flow;"ERA?5;"spatiotemporal"distribution;"coefficient"ofvariation

目前石油、天然氣、煤炭等化石燃料日漸短缺，全球能耗嚴重，同時環境污染也存在不可忽視的問題，資源的可持續發展面臨巨大挑戰，由此，世界各國大力開發新能源，波浪能的研究應運而生。波浪能利用是可再生能源領域的一個重要方向，旨在通過捕捉海洋和海岸線上的波浪能量來產生電力或其他形式的能源，以此緩解可再生能源的巨大能耗。

20世紀70年代，國外相關學者Tornkvist等與Hulls等［5］利用大洋船報資料和衛星資料分析了全球海洋沿岸波浪能資源分布，結果表明，我國沿海海域屬于波浪能貧瘠區。但數值模擬顯示，我國部分省份周邊海域波浪能資源蘊藏量豐富，其中江蘇波浪能資源蘊藏量達到32.84"kW·m?1"[6］，所研究區域波能流具有一定的時空分布特征。為了對黑海波浪能資源有關參數進行模擬計算，研究人員采用第三代波預測模型研究了黑海波能流資源的變異性，并以空間分布圖的形式充分展示了所研究海域波能流分布廣泛的區域，有效解決了近海及近岸波浪問題。不同研究者基于ERA?5再分析數據綜合分析了波浪的顯著高度、平均波向、平均波周期、波功率、10"m風速以及時空分布，同時利用變化指數來評估研究海域的波功率隨時間的變化特性。

20世紀末我國開始對波浪能資源進行探索，在波浪能開發利用方面起步較晚。王傳崑等對我國沿海波浪能資源作了初步分析，指出沿岸理論總功率約為0.7億kW。我國沿岸波浪能資源以臺灣、浙江等五省沿海為最多，約占我國總儲備的90%。Wang等［16］通過WRF風模型對渤海海域風場進行了模擬并確定了1995—2014年的風能資源，同時利用20年風數據和波浪數據對濰坊海域波浪和風能做了評估，其年平均風能密度達到429"W·m?1，波功率密度達到1.3"kW·m?1。同時，許多學者通過ERA?interim的波浪再分析數據對南海波浪能資源進行了分析評估，并對全球海洋波浪能年平均波高進行了統計。在對波浪能資源進行評估的同時，還需要考慮波流相互作用對可用于轉換波能量的影響，對忽略波流相互作用時可能導致波浪能資源出現差異的因素進行了分析；并進一步研究了時空分布特征，全面展示了波浪能在時間與空間上的變化及未來變化趨勢，為探究波浪能資源、能級劃分及可用波高頻率提供了重要"的判斷依據。

1""""波浪能數據資料分析

歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）是全球為數不多的最主要的再分析數據中心之一。ERA?5是ECMWF開發的第五代再分析數據集，具有很高的水平和垂直分辨率。相比于ERA?Interim，ERA?5為研究者提供了更高分辨率的每天及每小時的數據資料，其數據的準確性顯著提升。現階段國內外學者已利用ERA?5對波浪能開展了很多方面的研究。本文以給定的分辨率將研究區域劃分成網格，計算區域內各網格點的多年年均波能流大小，采用的時間與空間分辨率分別為1"h、0.125o"×"0.125o，空間范圍為119"°E～122.5"°E，"31oN～35.5°N，包括中國江蘇沿海部分區域以及部分黃海部分海域。根據世界氣象學會的定義，四季可分為春季，包括3、4、5月；夏季，包括6、7、8月；秋季，包括9、10、11月；冬季，包括12、1和2月。本文采用該"方式劃分季節。

2""""波浪能計算

波浪能的多年變化及時空分布特征均可通過波能流的特征量及相關參數進行評估與計算波浪譜的能量通量表達式為

式中：P、為波能流密度、海水密度、重力加速度、頻率、水深、波向、群速和波譜密度。

式中：

T為波浪周期；k為波數（k=2π/L），波長。

波能流密度可近似寫為式中：Hs為有效波高"；Te為能量周期。式（3）為波能流常用的計算式。

聯立式（1）、（2）可得到

3""""江蘇沿海區域波浪特征

江蘇位于中國東部沿海地區，北接山東，南接長江，東臨黃海，地理位置優越。江蘇近海波浪主要以混合浪和涌浪為主，風浪影響較小，波浪的季節性變化和空間分布特征明顯，混合浪在三種波浪中產生的波高居首位，其中冬季波高最大，秋季與夏季混合浪波高相差較小，春季最小；涌浪產生的波高次之，其中冬季波高依然為最大，春季與夏季的最小。由于江蘇東臨黃海，黃海波高變化較大，因此對江蘇沿海波高影響顯著。與此同時，波浪的大小和波向與風速和風向存在密切聯系，但我國海域波浪受時間和季節等條件影響具有明顯差異，因此本文給出了2011—2020年波浪能在不同時間和空間上的分布情況"以及變化規律。

4""""波能流時空特征分布

4.1""""波能流多年變化

4.1.1"""混合浪波能流多年變化

為更直觀地進行分析比較，本文從2011年起平均每四年對年均波能流進行一次對比，以對比年均波能流的增減情況，分析其變化規律。2011—2020年混合浪波能流年際變化如圖1所示，圖中白色為波能流降低海域，紅色為波能流上升海域。

從圖1中可看出，江蘇沿海海域與黃海部分海域的混合浪波能流呈更迭增減的趨勢。圖1（a）中混合浪在2011—2014年全域波能流基本上均有所減少，只有連云港近海海域波能流沿西—東方向呈增加趨勢，說明2014年混合浪年均波能流明顯小于2011年。圖1（b）中混合浪2014—2017年所研究海域波能流在沿鹽城與南通外緣近海海域呈減少趨勢，在連云港附近海域波能流沿西北—東南方向遞增，大部分黃海海域波能流又有所減少。圖1（c）中混合浪在2017—2020年江蘇內陸外緣自連云港與南通連線沿海海域大部分區域呈增加趨勢，其余海域均有所減少。圖1（d）為混合浪在2011—2020年的變化趨勢，只有連云港沿海及鹽城近海小部分海域總體呈增加趨勢，其余海域均呈減少趨勢。從混合浪年均波能流的變化趨勢上看，波能流的年際變化并無顯著規律，但可以清晰地看出，在連云港與鹽城連線海域波能流總體上呈增加趨勢，部分黃海海域波"能流也有所增加。

4.2""""波能流空間分布特征

4.2.1"""混合浪

圖2為2011—2020年混合浪波能流空間分布。由圖中可見，我國江蘇沿海區域與黃海部分區域混合浪波能流呈明顯的季節性（空間）變化。冬季該海域波能流最大，秋季波能流次之，春、夏季波能流較小。從圖2中可以明顯看出，江蘇沿海區域隨空間變化顯著，冬季波能流最大達到644"～"4"409"W·m?1，秋季波能流為780"～3"706"W·m?1，春、夏季波能流為580～2"322"W·m?1，波能流從西至東遞增。夏季波能流沒有明顯增大，變化趨勢與春季基本一致，這兩季的波能流大值區均主要分布在121°E"～"122.5°E、33°N"～"35.5°N的黃海近海海域。秋季由于受季風影響，波能流整體沿東南方向大幅增大，大值分布在鹽城與南通的近海海域（121°E"～122.5°E、32.5°N"～"35°N），可達1"036"～"3"621"W·m?1，而連云港近海海域波能流較小。冬季波能流略有增大，最大值可達4"409"W·m?1，主要出現在連云港與鹽城的近海海域和黃海附近海域（121.5°E"～122.5°E、33°N"～"35°N）。總體來看，江蘇沿海區域與黃海部分區域波能流均沿東北方向呈增大趨勢，波能流大值區主要出現在江蘇遠海區域，與黃海部分海域相接，其大致范圍集中在122°E"～"122.5°E、33°N"～"35°N。

4.3""""年均波能流空間分布特征

圖3給出了混合浪、涌浪和風浪的年均波能流空間分布特征。由圖中可見，混合浪年均波能流最大值可達663"～"3"158"W·m?1，大值區分布在沿鹽城與南通連線的東北部近海海域；涌浪年均波能流最大值約為355～1"752"W·m?1，大值區主要出現在南通東北部與部分黃海海域，涌浪年均波能流沿東北方向逐漸增大，沿西北方向逐漸減小。風浪在傳播過程中會受到各種阻力和摩擦等因素的影響，導致波的能量消耗、衰減，因此風浪年均波能流較小，最大值在100"～"861"W·m?1之間，大值區亦集中在南通東北部近海海域與連云港東部遠海海域，且混合浪與風浪年均波能流均沿江蘇沿海東北方向逐漸增大，風浪受時間、空間變化的影響也最小。綜上可知，三種波浪的波能流在時間分布上較為相似，并且小值區均分布"在連云港近海海域。

4.4""""變異系數結果分析

為了對江蘇沿海海域波能流密度及穩定性有更直觀的了解，本文將江蘇近海海域2011—2020年的波能流按時間（年均）和空間（季節）分別進行變異系數的相關計算，變異系數的大小可充分體現波浪能穩定性，也是今后波浪能開發利用的重要依據。年均變異系數Cv計算式為

式中：

浪能流密度；s為標準差；n為年數。

2011—2020年空間與年均波能流變異系數如圖4所示。從圖中可以看出：春季波能流變異系數波動較小，且自江蘇鹽城向東南方向逐漸增大，最大值達到55%；不穩定區域主要出現在南通東南方向的遠海海域，小值區集中在連云港與鹽城沿線的近海海域；同時，變異系數在小值區自西南向東北方向逐漸增大，江蘇周邊沿海海域變異系數集中在10%"～"20%。夏季波能流變異系數稍有增大，其變化趨勢與春季相似，且四季中夏季波能變化最大。秋季波能流變異系數在鹽城近海一帶向西北、東南及東北方向呈擴散增大趨勢，在遠離江蘇近海的部分黃海海域自西向東呈逐漸遞減的趨勢，秋季波浪能最穩定，大值區不超過60%，小值區穩定在10%"～"25%之間；冬季波能流不穩定趨勢略有加劇，波能流總體變化趨勢與秋季相似。

從年均波能流變異系數可以看出，江蘇沿海外緣的變異系數較小，變化趨勢不明顯。整體上，波能流變異系數自鹽城到南通的中部區域起，向近海海域的西北和東南方向逐漸遞增，大值區依然出現在南通近海海域的東南向，且不超過65%，說明波能流穩定性良好，對于開發和利用十分有利。

就空間（季節）波能流變異系數而言，由于我國氣候類型復雜，沿海海域受季風氣候影響顯著，所以四季波能流差異明顯。夏季往往伴隨著強風，風力會對波能流的傳播方向產生擾動，且夏季氣溫較高，空氣稀薄，這就增加了波能流內部的能量，使得波能流穩定性極差。冬季相比夏季，風力更加穩定，不易受突發風暴及極端天氣的影響，海洋波浪更加規則和連續，從而使波能"流更加穩定。

5""""結論

根據ECMWF提供的波浪數據建立了江蘇沿海（包括部分黃海海域）區域的數值波浪模型，對江蘇周邊海域波能流的多年變化、時間與空間分布、變異系數等特征進行了計算和分析，主要結論為：

（1）江蘇近海海域混合浪與涌浪在2011—2020年多年波能流總體均呈增加并交替增減的趨勢，且波能流變化復雜，多年變化未體現出明顯規律，但在連云港與鹽城連線海域總體上呈增加的趨勢。

（2）江蘇周邊沿海海域波浪能資源表現出明顯的空間變化特征。冬季混合浪波能流密度最大，可達3"000"W·m?1以上，而夏季最低；涌浪在空間分布上與混合浪較為相似，但總體小于混合浪波能流密度，大值區可達2"000"W·m?1以上，兩者大值區均分布在鹽城與南通連線的近海海域。

（3）混合浪、涌浪和風浪的多年平均波能流空間分布顯示，混合浪的波能流密度高達3"000"W·m?1，大部分海域的波能流介于1"000"～2"000"W·m?1之間。然而，風浪波能流密度的大值區卻低于1"000"W·m?1，這一現象與風浪在傳播過程中會出現能量衰減有關。

（4）波浪能變異系數反映了其穩定性。江蘇沿海近海海域，波能流變異系數的最大值出現在南通東南部近海海域。而其他近海海域的變異系數均小于20%，表明波浪能的穩定性較高。此外，沿鹽城與南通近海區域的波能流資源也相對豐富。考慮到波浪能的采集和轉換，這些區域可以作為波能開發利用的有利選擇。

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