北大西洋海域波浪能资源特征分析

庄卉 ，郑崇伟 ，贾本凯，郭随平

(1.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101;2.92538部队气象台，辽宁大连 116041；3.91967部队，河北邢台 054100)

1 引言

在全球众多国家和地区都面临能源危机的今天，发展清洁能源是众多发达国家为应对气候变化所采取的共同战略之一。清洁能源包括太阳能、风能、海洋能等。目前，太阳能和风能的开发利用已逐步走向产业化、规模化，而海洋能则处于探索阶段，海洋能包括波浪能、潮汐能、温差能、海流能、盐差能等。据估算，世界海洋能蕴藏量为750 多亿千瓦，其中波能占了很大一部分[1]。海洋能是一种无污染、可再生、储量大、分布广、不稳定、利用难的能源[2]。褚同金[3]指出，在盛风区和长风区的沿海，波浪能流密度一般比较高；任建莉等[4-5]利用大量的实测波高，对浙江嵊山海域的波浪能资源进行评估，研究发现该海域的波浪能流密度在0.5—8.8 kW/m，2 kW/m 以上的能流密度出现频率为60%左右，有利于波浪能资源的开发；王传崑[6]利用1960—1969年的海洋站观测波高和波周期，计算了我国沿岸的波浪能流密度，发现我国沿岸理论波功率为7.0×107kW，还发现我国沿岸波浪能流密度的分布很不均匀，高值区位于西沙地区沿岸、福建海坛岛以北、台湾、浙江中部、渤海海峡。游亚戈等[7]曾指出南海为我国海域的波浪能资源相对富集区，渤海较差，但即使在贫乏的海域，波浪能也能够为观测标提供充足的电量。本文主要分析了北大西洋波浪能的特征，可为波浪发电的选址提供参考。在环境和资源严重困扰人类的今天，波浪能的开发利用是海洋界越来越关注的焦点[8-9]，必将具有广阔的前景。

2 资料简介

ERA-40海浪资料来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF——European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）。ECMWF 与全球众多国家具有合作关系，实测数据能广泛共享，并通过VSAT卫星气象水文数据通信网实现数据共享。其范围覆盖全球海域，时间范围从1957年09月01日00:00时—2002年08月31日18:00时，时间分辨率为6 h，空间分辨率为1.5°×1.5°。ERA-40海浪资料精度较高[2,10]，且该资料将风浪、涌浪进行分离，由于目前的海浪资料多为混合浪，ERA-40海浪资料成为将风浪、涌浪分离的较佳选择，被广泛运用。

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

3 波浪能特征分析

3.1 波浪能的季节分布特征

由于海洋中波浪运动十分复杂，波浪能的大小一般只是估算，根据Kinsman（1965年）的公式[11-12]，一个严格简单正弦波单位波峰宽度的波浪功率为：

式（1）中T为波浪平均周期，Hˉ为平均波高，ρ为海水密度，g为重力加速度。本文将ERA-40 海浪资料中逐6 h的海浪资料代入式（1），得到北大西洋1958—2001年逐6h 的风浪能流密度、涌浪能流密度、混合浪能流密度，就北大西洋风浪、涌浪、混合浪能流密度的分布特征进行分析，见图1—2。

风浪能流密度：30° N 是一条非常明显的分界线，大值区基本都在30°N 以北，主要集中在冰岛和纽芬兰岛之间的海域，30°N以南常年为低值区，基本都在3 kW/m 之内，大值区和低值区的差距较大，能达到20 kW/m左右。冬季风浪能流密度为四季中最大，大值区能达到50 kW/m；春季和秋季次之，大值区能达到24 kW/m；夏季最小，大值区的能流密度仅在6 kW/m左右。

涌浪能流密度：整个海域分布较为均匀，大值区常年位于冰岛南部及西南部海域。冬季涌浪能流密度为四季中最大，大值区能达到70 kW/m；春季和秋季次之，春季大值区能达到45 kW/m，秋季在30 kW/m 左右；夏季最小，大值区的能流密度仅在12 kW/m左右。

混合浪能流密度：大值区常年位于冰岛南部及西南部海域。冬季混合浪能流密度为四季中最大，大值区在60—110 kW/m；春季和秋季次之，春季大值区在30—70 kW/m，秋季大值区在30—50 kW/m；夏季最小，大值区的能流密度仅在14 kW/m 左右。以往的研究曾指出，在大西洋东岸的波能丰富的海域，能流密度能达到100 kW/m[2]。

3.2 不同等级波浪能出现频率

在波浪能的评估中，能流密度不同能级出现的频率是衡量能量丰富程度的一个重要标准，通常认为能流密度大于2 kW/m时为可用[3-5],本文利用近44年逐6 h 的波浪能流密度，统计了北大西洋的能级频率，见图3。

整个北大西洋海域混合浪能流密度大于2 kW/m出现的频率较高，大部分海域基本都在90%左右，出现频率在90%以上的区域主要集中在中低纬海域，冰岛南部海域主要集中在70%—90%，墨西哥湾在40%左右，加勒比海在70%左右。混合浪能流密度大于6 kW/m 出现频率较高的海域主要位于亚速尔群岛西部海域和佛得角附近海域，能达到70 %—90 %。混合浪能流密度大于10 kW/m 出现频率较高的海域主要位于亚速尔群岛西部海域和佛得角附近海域，能达到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出现频率在15%—20%。由此可见北大西洋蕴藏着丰富的波浪能。

图2 a-c 北大西洋年平均风浪能流密度、涌浪能流密度和混合浪能流密度（单位：kW/m）

图3 a-c 混合浪能流密度大于2 kW/m、大于6 kW/m、大于10kW/m出现的频率（单位/%）

图4 北大西洋1月、4月、7月、10月风浪能流密度的变异系数(a1—e1)、涌浪能流密度的变异系数(a2—e2)和混合浪能流密度的变异系数(a3—e3)(单位：kW/m)

3.3 波浪能的稳定性

波浪能的开发利用不仅仅关注一定等级能流密度出现的频率，也关注能流密度的稳定性，越是稳定，越有利于波浪能的采集与转换。本文通过计算变异系数来判断风浪、涌浪、混合浪能流密度的稳定性。

涌浪能流密度的变异系数(a2—e2)和混合浪能流密度的变异系数(a3—e3)(单位：kW/m)。

由图4可以看出，无论哪个月份，涌浪能流密度的变异系数均远远小于风浪能流密度，也就是说，涌浪能流密度的稳定性更好，在涌浪占主导的海域更适合波浪发电。混合浪能流密度的变异系数与涌浪较为接近。无论风浪、涌浪还是混合浪能流密度的变异系数，均是低纬度海域（约0°—30°N）远小于中高纬海域（约30°—80°N），说明低纬度海域的波浪能流密度比中高纬海域更为稳定。在大洋中涌浪能流密度比近岸稳定。

研究表明[2]大西洋的涌浪在混合浪中占据主导地位，充分依据涌浪具有能量大、稳定性好等优点，在该海域进行海水淡化、海浪发电等波浪能资源开发工作，有利于缓解人类能源危机，将具有广阔前景。

4 结论

（1）北大西洋蕴藏着丰富的波浪能，波浪能流密度的大值区常年位于冰岛南部及西南部海域；30°N是一条非常明显的风浪能流密度分界线，大值区基本都在30°N以北，30°N以南常年为低值区，基本都在3 kW/m 之内，且大值区和低值区的差距较大，能达到20 kW/m 左右；涌浪能流密度在整个海域分布则较为均匀；冬季波浪能流密度为四季中最大；

（2）整个北大西洋能流密度大于2 kW/出现的频率较高，大部分海域基本都在90%左右，出现频率在90%以上的区域主要集中在中低纬海域；

（3）在北大西洋，涌浪的能流密度比风浪能流密度更为稳定，低纬度海域的波浪能流密度比中高纬海域更为稳定。充分依据涌浪具有能量大、稳定性好等优点，在该海域进行海水淡化、海浪发电等波浪能资源开发工作，有利于缓解人类能源危机，将具有广阔前景。

[1]郑崇伟，周林.近10年南海波浪特征分析及波浪能研究[J].太阳能学报，2012，33（8）：1349-1356.

[2]郑崇伟，潘静，田妍妍，等.全球海域风浪、涌浪、混合浪波候图集[M]，海洋出版社，2012.

[3]褚同金.海洋能资源开发利用[M].化学工业出版社，2004.

[4]任建莉，罗誉娅，钟英杰，等.波力资源分析系统的实现及波能发电应用[J].浙江工业大学学报，2008，36（2）：186-191.

[5]任建莉，罗誉娅，陈俊杰，等.海洋波浪信息资源评估系统的波力发电应用研究[J].可再生能源，2009,27（3）：93-97.

[6]王传崑，卢苇.海洋能资源分析方法及储量评估[M].海洋出版社，2009.

[7]游亚戈，马玉久.海洋能在海洋环境测量标上的应用[J].气象水文海洋仪器，2003，3：32-35.

[8]Zheng C W,Zhuang H,Li X,et al.Wind Energy and Wave Energy Resources Assessment in the East China Sea and South China Sea[J].SCIENCE CHINA Technological Sciences,2012,55(1):163-173.

[9]郑崇伟，李训强.基于WAVEWATCH-III模式的近22年中国海波浪能资源评估[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2011，41（11）：5-12.

[10]郑崇伟，李荣波，周林，等.近43年北大西洋海浪场与AO的相关性研究[J].海洋预报，2012，39（3）：36-41.

[11]Hemer M A,Church J A,Hunter J R.Waves and Climate Change on the Australian Coast[J].Journal of Coastal Research.2007，50：432-437.

[12]Caires S,Sterl A.A new non-parametric method to correct model data:Application to Significant Wave Height from the ERA-40 Re-Analysis[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2005,22:443-459.