全球海域波浪能资源储量分析-郑崇伟

第35卷第8期2013年8月2013，35（8）：1611-1616ResourcesScienceVol.35，No.8Aug.，2013收稿日期：2012-12-18；修订日期：2013-07-01基金项目：国家重点基础研究发展规划项目（编号：2012CB957803）；中国科学院知识创新工程重要方向项目（编号：KZCX2-YW-Q11-03）。作者简介：郑崇伟，男，四川宜宾人，硕士，工程师，主要研究方向为物理海洋及海洋能资源。E-mail：[e-mail]文章编号：1007-7588（2013）08-1611-06全球海域波浪能资源储量分析郑崇伟1，2，贾本凯3，郭随平1，庄卉1（1．解放军理工大学气象海洋学院，南京211101；2.中国人民解放军92538部队，大连116041；3.中国人民解放军91967部队，邢台054100）摘要：利用1957-2002年ECMWF的ERA-40wavereanalysis海浪再分析资料，初次计算了全球海域波浪能资源的总储量和有效储量，为海浪发电、海水淡化等波浪能资源开发利用提供科学依据。研究发现：①全球大部分海域的年平均波浪能流密度在10kW/m以上，高值区位于南北半球西风带，呈东西带状分布，南半球西风带的能流密度能达到（60~100）kW/m，北半球西风带约（30~50）kW/m；②全球大部分海域的波浪能资源开发可用波高出现频率在90%以上，南大洋可用波高出现频率整体高于北大洋，大洋中部出现频率高于近岸海域，大洋东部近岸出现频率高于大洋西部近岸；③全球海域的波浪能资源储量可观，总储量的高值区位于南北半球西风带海域，南半球西风带海域的单位面积波浪能资源总储量基本都在50万kW/（h·m）左右，北半球西风带海域基本在（30~50）万kW/（h·m），中低纬海域在（5~30）万kW/（h·m），仅部分零星海域的总储量在5万kW/（h·m）以下，有效储量的分布特征与总储量分布特征较为一致；④综合能流密度的大小、可用波高出现频率、资源储量来看，中国海虽然并不处于全球波浪能资源的优势区域，但仍处于可用区域，相对富集区分布于南海北部、东海中南部海域。关键词：ERA-40wavereanalysis；全球海域；波浪能资源；资源储量1引言海洋是人类生命的摇篮，巨大的资源宝库，蕴藏着丰富的资源：种类繁多的生物资源（含渔业、海洋生物等）、丰富的矿产资源（如油气、可燃冰等）、化学资源（各种金属和盐类），而且还储有取之不尽的动力资源（如波浪能、潮汐能、温差能、盐差能、海流能等）。IPCC（政府间气候变化委员会——Inter-governmentalPanelonClimateChange）第四次评估报告指出在过去的100年（1906-2005年）全球变暖趋势为0.074℃/10a[1]，全球变暖导致的环境危机、资源危机等现象对人类的生存与可持续发展构成了严重威胁，在常规能源（如煤、石油等）紧缺的当今世界，人类将目光聚焦新能源，尤其是蕴藏丰富的海洋能[2]，这无疑是应对气候变化和常规能源紧缺的最佳选择，也是各个国家采取的共同战略之一。海洋能包括波浪能、潮汐能、温差能、海流能、盐差能等，据联合国教科文组织出版的《海洋能开发》[3]认为，全球各种海洋能的理论可再生功率约为766亿kW，其中各类海洋能的数量级以盐差能和温差能最大，各为100亿kW；波浪能和潮汐能次之，各为10亿kW；海流能1亿kW。目前的海浪发电装置可为海水养殖场、海上气象浮标、石油平台、海上灯塔、海上孤岛等提供能源，还可并入城市电网。海浪发电是目前各发达国家追逐的焦点之一，2011年1月时任副总理李克强访问英国时，英国人唯一向总理展示的高新成果就是海浪发电[1]。早在20世纪70年代，人们就已利用有限的大洋船舶报资料和浮标资料，计算和分析全球海洋沿岸波浪能资源的分布特征[4，5]，随着海浪数值模式的不断进步，先进的海浪数值预报模式也被广泛应用于波浪能的研究中[6-8]。前人的研究对波浪能资源的开发利用起了巨大的推动作用，但以往的研究多是针对波浪能流密度的分析，本文在前人工作的基础上，利用ECMWF（欧洲中期天气预报中心—Euro-第35卷第8期资源科学）提供的ERA-40wavereanalysis海浪再分析资料，初次计算了全球海域的波浪能流密度、波浪能总储量和有效储量，统计了波浪能资源开发可用波高出现的频率，期望可以为海浪发电、海水淡化等波浪能资源的开发利用提供科学依据。2资料简介ERA-40海浪再分析资料来自ECMWF，是全球第一份耦合海浪（WAM）和大气环流模式模拟结果并同化观测资料得到的再分析产品。该资料的范围覆盖全球大部份海域，本文选取数据的时间范围从1957年09月01日00∶00时-2002年08月31日18∶00时，空间分辨率为1.5°×1.5°，时间分辨率为6小时。由于同化资料的改变，该资料分为4个不同时期，其中1991年12月-1993年5月由于观测资料的问题，该时间段的同化资料误差较大[9]。尽管ERA-40再分析海浪资料由于分辨率较低，有效波高普遍存在低的波高略被高估，高的波高略有被低估现象[9]，整体来看，ERA-40海浪再分析资料具有较高精度和时空分辨率[10，11]，被国外广泛运用于全球海域，特别北大西洋、北太平洋和南大洋的风浪、涌浪变化特征[10-12]。3全球海域波浪能资源分析参照Roger[8]和美国EPRI（ElectricPowerRe-searchInstitute）[13]对波浪能流密度的算法，利用近45年的ERA-40海浪再分析资料中的海浪资料，计算了全球海域的波浪能流密度。Pw=ρg232πH213×Tˉ≈0.5×H213×Tˉ（1）式中ρ为海水密度（1.025g/cm3）；Pw为波浪能流密度（kW/m）；H13为有效波高（m）；Tˉ为平均波周期（s）；g为重力加速度（单位：m/s2）。将ERA-40wavere-analysis中的海浪资料带入公式（1），计算得到全球海域1957年09月-2002年08月逐6小时的波浪能流密度。3.1波浪能流密度分布特征将1957年09月-2002年08月逐6小时的波浪能流密度做多年年平均，分析全球海域波浪能流密度的分布特征。Tornkvist[4]，Hulls[5]曾指出全球波浪能流密度的大值区主要集中在北大西洋东北部海域、太平洋东北部北美西海岸、澳大利亚南部沿岸以及南美洲的智利和南非的西南部沿岸。本文研究结论与之大体吻合，但是发现能流密度大值区的范围明显更为广泛，在南半球西风带大范围海域、北大西洋西风带海域、北太平洋西风带中东部大范围海域都属于波浪能流密度的大值区，呈东西带状分布，由西风带至中低纬，能流密度逐渐减小，在赤道附近海域达到最小。通常认为波浪能流密度大于2kW/m时为可以图11957-2002年全球海域的年平均波浪能流密度Fig.1Characteristicsofannualaveragewaveenergydensityinglobalocean16122013年8月郑崇伟等：全球海域波浪能资源储量分析开发利用[14]，由图1可以明显看出全球大部分海域的年平均波浪能流密度在10kW/m以上，也就是说全球大部分海域的波浪能流密度属于可利用范围。南半球西风带的波浪能流密度最为强盛，在西风带作用下南半球中高纬为强大的绕极的波浪能流密度高值区，南印度洋中高纬和澳大利亚南部在西风带作用下能流密度最大高达（60~100）kW/m，并有向北传播的趋势；北半球的波浪能流密度普遍小于南半球，相对高值区位于北太平洋西风带海域和北大西洋西风带海域，约（30~50）kW/m，大西洋中低纬海域、北印度洋基本在（10~20）kW/m，我国东海和南海北部海域的的波浪能流密度在10kW/m以上。3.2可用波高出现频率参考风能资源开发利用的有效风速定义方法[15-17]，本文定义了波浪能资源开发的可开发利用波高，通常认为SWH大于1.3m时波浪能可开发利用[18]，因此本文定义SWH大于1.3m时为波浪能资源开发的可用波高，简称可用波高，随着发电装置的不断进步，可用波高的范围也会相应不断扩大。在波浪能资源的开发过程中，可用波高出现的频率直接关系到该区域是否适合波浪能开发，如果出现频率过低，则该区域不适合波浪能资源开发。本文利用1957年08月01日00∶00时-2002年07月31日18∶00时逐6小时的海浪数据，统计了近45年全球海域可用波高出现的频率，见图2。全球大部分海域可用波高出现频率很高，基本都在90%以上，相对低频海域分布于两极部分海域、孟加拉湾和阿拉伯海、西北太平洋近岸海域、澳大利亚北部近岸海域、北大西洋西部近岸海域。南大洋可用波高出现的频率整体高于北大洋，大洋中部出现频率高于近岸海域，大洋东部近岸出现频率高于大洋西部近岸，详见图2。3.3全球海域波浪能资源储量本文计算了全球海域单位面积的波浪能储量、有效波浪能储量，为波浪能资源开发提供定量的科学依据。具体计算方法如下：波浪能资源总储量=年平均波浪能流密度×全年小时数（2）波浪能资源有效储量=年平均波浪能流密度×可用波高小时数（3）公式（2）中，全年小时数=365d×24h=8760h公式（3）中，可用波高小时数=365d×24h×可用波高出现频率。由图3可见，全球海域蕴藏着丰富的波浪能资源，波浪能资源的有效储量也相当可观，总储量的高值区位于南北半球西风带海域，南半球西风带海域波浪能资源的总储量基本都在50万kW/（h·m）左右，北半球西风带海域基本在（30~50）万kW/（h·m），图21957-2002年全球海域的波浪能资源可用波高出现频率Fig.2Frequencyofeffectivewaveheightinglobaloceanduringthelast45years1613第35卷第8期资源科学中低纬海域在（5~30）万kW/（h·m），仅部分零星海域的波浪能总储量在5万kW/（h·m）以下。全球海域波浪能资源的有效储量分布特征与总储量分布特征较为一致，这应该是由于全球大部分海域的可用波高出现频率在90%以上所致。波浪能具有储量大、分布广、安全无污染、可再生等优点，在常规能源紧缺的当今世界，充分开发利用波浪能将具有广阔前景。3.4中国海波浪能资源特征本文在此还就中国海的波浪能资源特征进行重点分析，以期可以为我国的波浪能资源开发利用提供参考。从年平均波浪能流密度来看，中国海在全球海域并不占优，黄渤海、东海北部、南海中南部的年平均值在10kW/m以内，相对大值区分布于南海北部海域、东海中南部海域，年平均值在10kW/m以上，年平均波浪能流密度分布特征与郑崇伟等[19]的模拟结果相吻合。从可用波高出现频率来看，黄渤海出现频率普遍偏低，渤海在10%以内，黄海基本在20%以内，东海和南海大部分海域可用波高出现频率在20%以上，存在3个比较明显的相对大值图31957-2002年全球海域的波浪能资源总储量和有效储量Fig.3Totalstorageandeffectivestorageofwaveenergyresourcesinglobalocean16142013年8月郑崇伟等：全球海域波浪能资源储量分析区：琉球群岛附近海域（约50%）、位于南海北部的吕宋海峡及其西部近海（约50%）、中南半岛东南海域（传统的南海大风区，约30%）。从资源储量来看，相对低值区主要分布于渤海、黄海中北部海域、南海低纬度海域，单位面积的资源总储量在5万kW/（h·m）以内，黄海南部、东海中北部、南海中部的单位面积资源总储量在（5~10）万kW/（h·m）以内，相对高值区分布于吕宋海峡及其西部海域、琉球群岛附近海域，单