北大西洋海域波浪能資源特征分析

莊卉 ，鄭崇偉 ，賈本凱，郭隨平

(1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101;2.92538部隊氣象臺，遼寧大連 116041；3.91967部隊，河北邢臺 054100)

1 引言

在全球眾多國家和地區(qū)都面臨能源危機(jī)的今天，發(fā)展清潔能源是眾多發(fā)達(dá)國家為應(yīng)對氣候變化所采取的共同戰(zhàn)略之一。清潔能源包括太陽能、風(fēng)能、海洋能等。目前，太陽能和風(fēng)能的開發(fā)利用已逐步走向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化，而海洋能則處于探索階段，海洋能包括波浪能、潮汐能、溫差能、海流能、鹽差能等。據(jù)估算，世界海洋能蘊(yùn)藏量為750 多億千瓦，其中波能占了很大一部分[1]。海洋能是一種無污染、可再生、儲量大、分布廣、不穩(wěn)定、利用難的能源[2]。褚同金[3]指出，在盛風(fēng)區(qū)和長風(fēng)區(qū)的沿海，波浪能流密度一般比較高；任建莉等[4-5]利用大量的實(shí)測波高，對浙江嵊山海域的波浪能資源進(jìn)行評估，研究發(fā)現(xiàn)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(xiàn)頻率為60%左右，有利于波浪能資源的開發(fā)；王傳崑[6]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(fā)現(xiàn)我國沿岸理論波功率為7.0×107kW，還發(fā)現(xiàn)我國沿岸波浪能流密度的分布很不均勻，高值區(qū)位于西沙地區(qū)沿岸、福建海壇島以北、臺灣、浙江中部、渤海海峽。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(qū)，渤海較差，但即使在貧乏的海域，波浪能也能夠?yàn)橛^測標(biāo)提供充足的電量。本文主要分析了北大西洋波浪能的特征，可為波浪發(fā)電的選址提供參考。在環(huán)境和資源嚴(yán)重困擾人類的今天，波浪能的開發(fā)利用是海洋界越來越關(guān)注的焦點(diǎn)[8-9]，必將具有廣闊的前景。

2 資料簡介

ERA-40海浪資料來自歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF——European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）。ECMWF 與全球眾多國家具有合作關(guān)系，實(shí)測數(shù)據(jù)能廣泛共享，并通過VSAT衛(wèi)星氣象水文數(shù)據(jù)通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。其范圍覆蓋全球海域，時間范圍從1957年09月01日00:00時—2002年08月31日18:00時，時間分辨率為6 h，空間分辨率為1.5°×1.5°。ERA-40海浪資料精度較高[2,10]，且該資料將風(fēng)浪、涌浪進(jìn)行分離，由于目前的海浪資料多為混合浪，ERA-40海浪資料成為將風(fēng)浪、涌浪分離的較佳選擇，被廣泛運(yùn)用。

圖1 北大西洋春季、夏季、秋季、冬季的風(fēng)浪能流密度(a1—d1)、涌浪能流密度(a2—d2)和混合浪能流密度(a3—d3) (單位：kW/m)

3 波浪能特征分析

3.1 波浪能的季節(jié)分布特征

由于海洋中波浪運(yùn)動十分復(fù)雜，波浪能的大小一般只是估算，根據(jù)Kinsman（1965年）的公式[11-12]，一個嚴(yán)格簡單正弦波單位波峰寬度的波浪功率為：

式（1）中T為波浪平均周期，Hˉ為平均波高，ρ為海水密度，g為重力加速度。本文將ERA-40 海浪資料中逐6 h的海浪資料代入式（1），得到北大西洋1958—2001年逐6h 的風(fēng)浪能流密度、涌浪能流密度、混合浪能流密度，就北大西洋風(fēng)浪、涌浪、混合浪能流密度的分布特征進(jìn)行分析，見圖1—2。

風(fēng)浪能流密度：30° N 是一條非常明顯的分界線，大值區(qū)基本都在30°N 以北，主要集中在冰島和紐芬蘭島之間的海域，30°N以南常年為低值區(qū)，基本都在3 kW/m 之內(nèi)，大值區(qū)和低值區(qū)的差距較大，能達(dá)到20 kW/m左右。冬季風(fēng)浪能流密度為四季中最大，大值區(qū)能達(dá)到50 kW/m；春季和秋季次之，大值區(qū)能達(dá)到24 kW/m；夏季最小，大值區(qū)的能流密度僅在6 kW/m左右。

涌浪能流密度：整個海域分布較為均勻，大值區(qū)常年位于冰島南部及西南部海域。冬季涌浪能流密度為四季中最大，大值區(qū)能達(dá)到70 kW/m；春季和秋季次之，春季大值區(qū)能達(dá)到45 kW/m，秋季在30 kW/m 左右；夏季最小，大值區(qū)的能流密度僅在12 kW/m左右。

混合浪能流密度：大值區(qū)常年位于冰島南部及西南部海域。冬季混合浪能流密度為四季中最大，大值區(qū)在60—110 kW/m；春季和秋季次之，春季大值區(qū)在30—70 kW/m，秋季大值區(qū)在30—50 kW/m；夏季最小，大值區(qū)的能流密度僅在14 kW/m 左右。以往的研究曾指出，在大西洋東岸的波能豐富的海域，能流密度能達(dá)到100 kW/m[2]。

3.2 不同等級波浪能出現(xiàn)頻率

在波浪能的評估中，能流密度不同能級出現(xiàn)的頻率是衡量能量豐富程度的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，通常認(rèn)為能流密度大于2 kW/m時為可用[3-5],本文利用近44年逐6 h 的波浪能流密度，統(tǒng)計了北大西洋的能級頻率，見圖3。

整個北大西洋海域混合浪能流密度大于2 kW/m出現(xiàn)的頻率較高，大部分海域基本都在90%左右，出現(xiàn)頻率在90%以上的區(qū)域主要集中在中低緯海域，冰島南部海域主要集中在70%—90%，墨西哥灣在40%左右，加勒比海在70%左右。混合浪能流密度大于6 kW/m 出現(xiàn)頻率較高的海域主要位于亞速爾群島西部海域和佛得角附近海域，能達(dá)到70 %—90 %。混合浪能流密度大于10 kW/m 出現(xiàn)頻率較高的海域主要位于亞速爾群島西部海域和佛得角附近海域，能達(dá)到60%左右，值得注意的是，加勒比海混合浪能流密度大于10 kW/m出現(xiàn)頻率在15%—20%。由此可見北大西洋蘊(yùn)藏著豐富的波浪能。

圖2 a-c 北大西洋年平均風(fēng)浪能流密度、涌浪能流密度和混合浪能流密度（單位：kW/m）

圖3 a-c 混合浪能流密度大于2 kW/m、大于6 kW/m、大于10kW/m出現(xiàn)的頻率（單位/%）

圖4 北大西洋1月、4月、7月、10月風(fēng)浪能流密度的變異系數(shù)(a1—e1)、涌浪能流密度的變異系數(shù)(a2—e2)和混合浪能流密度的變異系數(shù)(a3—e3)(單位：kW/m)

3.3 波浪能的穩(wěn)定性

波浪能的開發(fā)利用不僅僅關(guān)注一定等級能流密度出現(xiàn)的頻率，也關(guān)注能流密度的穩(wěn)定性，越是穩(wěn)定，越有利于波浪能的采集與轉(zhuǎn)換。本文通過計算變異系數(shù)來判斷風(fēng)浪、涌浪、混合浪能流密度的穩(wěn)定性。

涌浪能流密度的變異系數(shù)(a2—e2)和混合浪能流密度的變異系數(shù)(a3—e3)(單位：kW/m)。

由圖4可以看出，無論哪個月份，涌浪能流密度的變異系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于風(fēng)浪能流密度，也就是說，涌浪能流密度的穩(wěn)定性更好，在涌浪占主導(dǎo)的海域更適合波浪發(fā)電。混合浪能流密度的變異系數(shù)與涌浪較為接近。無論風(fēng)浪、涌浪還是混合浪能流密度的變異系數(shù)，均是低緯度海域（約0°—30°N）遠(yuǎn)小于中高緯海域（約30°—80°N），說明低緯度海域的波浪能流密度比中高緯海域更為穩(wěn)定。在大洋中涌浪能流密度比近岸穩(wěn)定。

研究表明[2]大西洋的涌浪在混合浪中占據(jù)主導(dǎo)地位，充分依據(jù)涌浪具有能量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在該海域進(jìn)行海水淡化、海浪發(fā)電等波浪能資源開發(fā)工作，有利于緩解人類能源危機(jī)，將具有廣闊前景。

4 結(jié)論

（1）北大西洋蘊(yùn)藏著豐富的波浪能，波浪能流密度的大值區(qū)常年位于冰島南部及西南部海域；30°N是一條非常明顯的風(fēng)浪能流密度分界線，大值區(qū)基本都在30°N以北，30°N以南常年為低值區(qū)，基本都在3 kW/m 之內(nèi)，且大值區(qū)和低值區(qū)的差距較大，能達(dá)到20 kW/m 左右；涌浪能流密度在整個海域分布則較為均勻；冬季波浪能流密度為四季中最大；

（2）整個北大西洋能流密度大于2 kW/出現(xiàn)的頻率較高，大部分海域基本都在90%左右，出現(xiàn)頻率在90%以上的區(qū)域主要集中在中低緯海域；

（3）在北大西洋，涌浪的能流密度比風(fēng)浪能流密度更為穩(wěn)定，低緯度海域的波浪能流密度比中高緯海域更為穩(wěn)定。充分依據(jù)涌浪具有能量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在該海域進(jìn)行海水淡化、海浪發(fā)電等波浪能資源開發(fā)工作，有利于緩解人類能源危機(jī)，將具有廣闊前景。

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