南海海域波浪能資源模擬評估

席林通,李醒飛,宋龍江,楊少波,黃貞貞

（1.天津大學 精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島266003；3.天津大學 青島海洋技術研究院，山東 青島266200；4.廣州大學 化學化工學院，廣東廣州510006）

0 引言

海洋面積約占地球總面積的70%，而我們賴以生存的陸地僅占地球總面積的30%左右。隨著人口的不斷增長和陸地資源的不斷消耗，資源短缺和環境惡化問題將會日益嚴峻，因而我們勢必走上經略海洋、開發海洋的道路。據了解，海洋中除了含有大量石油、天然氣等海洋礦產資源和海洋生物資源以外，還擁有豐富的海洋動力資源，例如潮汐能、海流能以及波浪能等。近年來，波浪能引起了國內外學者的廣泛關注，主要是因為波浪能是一種可再生、儲量豐富、清潔環保的能源，并且它在海水淡化和海洋能發電方面，具有很高的研究價值，對于緩解目前資源短缺的現狀意義重大[1]，[2]。

我國的南海是21世紀海上絲綢之路的關鍵區域，而且該區域蘊含豐富的海洋資源，因此，本文主要針對南海海域進行波浪能資源評估。由于衛星高度計可全天候實時提供數據且具有受環境影響小的特點[3]，[4]， 我們將T/P（TOPEX/POSEIDON）衛星高度計的測量數據作為實測數據和WW3模式模擬數據進行有效性檢驗，計算有效波高的相關參數，得到參考位置有效波高的最大偏差不超過0.115 m，相關系數均在0.9左右，證明了模擬數據可以代替實測數據用作波浪能評估。通過對波浪能流密度、變異系數、能級頻率和波浪能資源有效儲量等參數進行定量計算和定性分析，發現南海波浪能資源豐富，適宜波浪能資源的開發和轉化，本文的研究可以為今后進行大尺度評估波浪能資源提供參考數據。

1 波浪模型

1.1 WW3模式簡述

WW3（WAVE WATCH-III）是美國NOAA/NCEP的MMAB（Marine Modeling and Analysis Branch）研制開發的第三代海浪模式，也稱深水大洋模式，具有高精度和高穩定性特點，主要適用于研究大范圍和深海域的波浪演化[5]，[6]。在第一代和第二代海浪數值模式的基礎上，WW3模式對控制方程、數值方法以及程序結構進行了改善。在WW3模式中，若不考慮流對平均動能的影響，此時波浪能守恒；若考慮其對平均動能的影響，波浪能將不再守恒。一般認為，波作用量是守恒量，因此，波作用密度譜N為

式中：F（k，θ）為波數-方向譜；k為波數，m-1；θ為波向，rad；σ為固有頻率，Hz。

波浪的傳播控制方程為

式中：t為時間，s；S為源函數項；R為地球半徑，m；Cg為群速度，m/s；Uφ和Uλ分別為φ和λ方向上的平均海流矢量，m/s；λ和φ分別為經、緯度；θg為沿大圓傳播的矯正項。

在WW3模式中，源函數項的參數選取多種多樣，但一般情況下要考慮風浪相互作用項Sin，波-波非線性相互作用項Snl，耗散項Sds和底摩擦項Sbot，則源函數項的計算公式為

1.2 CCMP風場簡述

CCMP風場是美國國家航天局的物理海洋數據中心結合多種風場資料利用變分同化分析方法研制的風場產品，CCMP風場的空間分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為6 h，模擬范圍為78.375°S～78.375°N，0.125°E～359.875°E，時間跨度為1987年-現在[7]，[8]。本文利用CCMP風場對我國南海海域進行波浪能資源評估，模擬的地理范圍為104.125°E～124.125°E，4.125°N～26.125°N，模擬的時間跨度為2008年1月1日0時-2017年12月30日18時，仿真計算的時間步長為900 s，每3 h輸出一次結果。

2 模型驗證

圖1為南海水深地形圖，其中P1～P6為參考位置，P1（6°N，107°E），P2（8°N，109°E），P3（10°N，111°E），P4（12°N，113°E），P5（16°N，114°E），P6（18°N，116°E）。6個參考位置處在模擬海域的對角線，從淺海經南海中北部熱帶氣旋區到東沙群島重要海區，基本跨越整片海域，所選位置極具代表性，可以更好地驗證模型的準確性。本文利用T/P衛星高度計測量的波高數據作為實際值，用WW3模型計算的數據作為模擬值，由于數據空間分辨率為0.25°×0.25°，因此利用參考位置的模擬有效波高與高度計反演的數據進行了有效性檢驗。

圖1 南海水深地形圖Fig.1 Bathymetric topographic map of the South China Sea

表1為南海6個參考位置的有效波高相關參數。從表1可以看出，有效波高的偏差（Bias）不超過0.115 m，出現4次負偏差說明模擬的平均值小于實際的平均值，6個位置的根均方誤差（Root Mean Square Error，RMSE）為0.354～0.501 m，相關系數（Correlation Coefficient，CC）均為0.9左右。

表1 有效波高相關參數Table 1 Relevant parameters of significant wave height

選取3個參考位置對模擬波高和實際波高進行對比分析，結果如圖2所示。從圖2可以看出，模擬值和實際值有良好的一致性，因此，在南海海域使用CCMP風場驅動WW3模式可對有效波高進行準確地模擬，并對波浪能資源進行精確地評估。

圖2 參考位置的實際波高和模擬波高對比結果Fig.2 Comparison results of actual and simulated significant wave height at the reference position

3 模型結果分析

3.1 波浪能流密度的季節分布特征

通常情況下用波浪能流密度的大小來表示某個地區的波浪能資源的富集程度，波浪能流密度Pw的計算公式為[9]

圖3 四季的平均波浪能流密度分布特征Fig.3 The distribution characteristics of the average wave power density in four seasons

從圖3可以看出：平均能流密度分布表現出明顯的季節差異，由于受到冬季風的影響，冬季的平均能流密度為全年最大，其次是秋季，夏季和春季；在冬季，東沙群島和中部海域的平均能流密度較其周邊海域高，東沙群島附近海域的平均能流密度的最大值甚至超過了30 kW/m；在秋季，東沙群島的平均能流密度的最大值超過了20 kW/m，并且從東沙群島向西南方向延伸，平均能流密度呈現出逐漸減小的趨勢；在夏季，平均能流密度大值區主要集中在東北部小范圍海域，但大部分海域的能流密度在4 kW/m以上，最大值達到了10 kW/m；春季是季風轉換的過度季節，因此春季的平均能流密度較其他季節小，且從東沙群島經中沙群島到南沙群島附近，平均能流密度呈現出明顯的帶狀分布，最大的平均能流密度為10 kW/m。總體來看，平均能流密度大值區主要分布于南海中北部地區、臺灣島附近以及東沙群島附近海域，低值區分布于北部灣和曾母暗沙附近海域。

3.2 波浪能流密度穩定性

通過分析波浪能流密度的穩定性，可以為波浪能開發和勘測提供可靠性依據。波浪能流密度的穩定性通常用其變異系數來表征，其變異系數越小，則波浪能流密度越穩定。穩定的波浪能有利于被開發裝置采集轉換[10]，而不穩定的波浪能可能會毀壞波能轉換設備，并造成不必要的財產損失。波浪能流密度變異系數CV（Coefficient of Variation）的計算式為

圖4 四季的平均波浪能流密度變異系數分布特征Fig.4 Variation coefficient of average wave power density in four seasons

從圖4可以看出：平均波浪能流密度變異系數的分布表現明顯的空間差異和季節差異，而且秋季和冬季的平均波浪能流密度相對較為穩定；春季的平均波浪能流密度變異系數為1.0～2.0；在夏季，60%海域的平均波浪能流密度變異系數不超過1.5；在秋季，90%海域的平均波浪能流密度變異系數為1.0～1.5；在冬季，70%海域的平均波浪能流密度變異系數都在1.0以下。縱觀四季的平均波浪能流密度變異系數的空間分布，可以發現，春季的波浪能流密度的穩定性最差，可能是春季處在季節轉換時期，不時受到冷空氣影響所致；因為時常受到強烈冬季風的影響，冬季的平均波浪能流密度變異系數相對小于其他季節，其波浪能流密度的穩定性最高，因此，在冬季可進行穩定的波浪能開發和轉換。

3.3 可用波高概率

有效波高大于1.3 m為可開發（可用），有效波高大于4 m時具有一定的破壞能力，可能破壞波能轉換設備，因此，可用波高的范圍被定義為1.3～4 m[11]，[12]。南海海域2008-2017年四季的可用波高概率分布如圖5所示。從圖5可以看出：整體來看，可用波高概率的空間分布表現出明顯的季節特性，秋冬季節相對其他季節存在明顯優勢，大值區主要集中在東沙群島附近以及臺灣島周邊海域，低值區主要分布于北部灣以及曾母暗沙附近海域；在冬季，大部分海域的可用波高概率均在70%以上，最大甚至超過80%；在秋季，大部分海域的可用波高概率達到了45%；夏季和春季的可用波高概率的整體水平較冬季和秋季有所減小，其中夏季的最大可用波高概率達到了45%，大部分海域的可用波高概率為30%；在春季，大部分海域的可用波高概率為20%～45%。

圖5 四季的可用波高概率分布Fig.5 Occurrence of seasonal exploitable significant wave height

3.4 波浪能有效儲量

在波浪能的開發和轉換中，波浪能有效儲量極具實際的工程應用價值，這也直接關系到波浪能的輸出效率。波浪能有效儲量的計算公式為[13]

本文計算了南海海域2008-2017年四季的平均波浪能有效儲量，結果如圖6所示。通過圖6可知：平均波浪能有效儲量的空間分布表現出明顯的季節特性，由于受到冬季風的影響，冬季的平均波浪能有效儲量的總體水平比其他季節大；平均波浪能有效儲量的大值區集中在臺灣島東南海域和中沙群島鄰近水域，并在東北-西南方向呈現出明顯的帶狀分布，東沙群島附近海域的平均波浪能有效儲量最大，最大值達到了50 MW·h/m，低值區為北部灣、曾母暗沙和泰國灣鄰近海域；秋季的平均波浪能有效儲量相對冬季有明顯的減小，但中北部海域也基本保持在24 MW·h/m；夏季和春季的平均波浪能有效儲量相對較小，其中，夏季大部分海域的平均波浪能有效儲量維持在3 MW·h/m以上；春季的平均波浪能有效儲量是全年最低的，大值區主要分布在臺灣島東南部海域，最大值可達10 MW·h/m，但南沙群島以南海域以及邊緣零星海域的平均波浪能有效儲量均不足2 MW·h/m。綜上可知，南海海域的波浪能資源豐富，適宜波浪能的開發；冬季是波浪能開發的最佳季節，且中北部海域、東沙群島附近以及臺灣島周邊海域為開發的優勢區域。

圖6 四季的平均波浪能有效儲量分布特征Fig.6 The distribution characteristic of average wave energy effective storage

4 結論

本文利用CCMP風場驅動WW3模式對南海海域四季的波浪能資源進行了評估，得到如下結論。

①南海海域的波浪能分布表現出明顯的季節及空間分布特征，大值區主要集中在中北部海域、東沙群島和臺灣島鄰近海域，而低值區主要分布在北部灣、曾母暗沙以及泰國灣周邊海域；在冬季，平均波浪能流密度和波浪能有效儲量均比其他季節有明顯的優勢，且冬季的大部分海域的平均波浪能流密度超過了20 kW/m，平均波浪能有效儲量最大達到了50 MW·h/m；雖然春季的平均波浪能流密度和波浪能有效儲量的總體水平表現為全年最低，但是，大部分海域的平均波浪能流密度也在3 kW/m以上，平均波浪能有效儲量也超過2 MW·h/m。

②通過分析波浪能流密度的變異系數發現，冬季的波浪能流密度比其他季節穩定且大部分海域的變異系數均在1.0以下，因此冬季宜進行穩定高效的波浪能開發。

③南海海域的波浪能資源豐富，適宜波浪能的開發，冬季可作為波浪能穩定轉換和開發的最佳季節，且南海中北部海域、臺灣島東南部海域以及東沙群島附近海域可以作為資源優勢區域。