中国南海岛礁建设：风力发电、海浪发电❋

郑崇伟， 李崇银

(1.解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101；2.中国科学院大气物理研究所 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029；3. 海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018)



中国南海岛礁建设：风力发电、海浪发电❋

郑崇伟1, 2, 3， 李崇银1, 2

(1.解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101；2.中国科学院大气物理研究所 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室，北京 100029；3. 海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018)

电力和淡水紧缺直接影响到深远海、边远海岛的生存与可持续发展，一直以来是一项世界性难题。本文利用CCMP风场、模拟的海浪场数据，以某重点岛礁作为研究对象，对风能和波浪能资源特征进行了系统性的分析。结果表明，研究海域蕴藏着较为丰富、适宜开发的风能、波浪能资源：(1)除去极端风、浪情况外，全年基本都可进行风能和波浪能开发，峰值出现在12月至翌年1月，月平均风能密度在370W/m2左右，波浪能流密度在20kW/m左右；即使在最贫乏的4—5月，能源均处于可利用状态。(2)有效风速、可用波高出现频率、能级频率都很丰富：各月有效风速频率在70%以上；全年大部分时间可用波高、50W/m2以上风能密度、2kW/m以上波浪能流密度出现频率都在50%以上。(3)研究海域的波浪能主要由以下海况贡献：波高2～3m，波周期6～7 s的海况，贡献率为14.6%。(4)研究区域的风能主要由ENE、NE、SW、WSW向贡献，其中又以100～300W/m2出现的频率最高；1000W/m2以上的高风能主要由WSW向贡献。波浪能主要由NNE和WSW向的浪贡献；频率最高的是0～5、5～10kW/m。(5)近24年研究海域的风能密度没有显著的变化趋势，波浪能流密度以0.25 kW·m-1·a-1的趋势显著性递增。(6)风能、波浪能在冬夏两季、夏季风向冬季风过渡期间都表现出很好的稳定性，5月的稳定性相对较差。(7)风能总储量为2050 kW·h/m2，有效储量为1722 kW·h/m2；波浪能的总储量为84079 kW·h/m，有效储量为66 336 kW·h/m。

边远海岛；风能；波浪能；可持续发展

电力、淡水困境是抑制边远海岛的经济、军事活动的主要原因之一，长期以来一直是世界性难题[1-3]。在高度电气化、自动化的当今时代，电力困境会导致大量装备处处受限，甚至瘫痪，海岛开发建设与可持续发展更将举步维艰。中国有300余万 km2广袤的海洋国土，岛屿众多，有居民海岛能源十分紧张，这些海岛大多远离大陆，目前很多边远海岛的电力供给是靠柴油发电，而舰船对柴油的补给较为困难，尤其是在恶劣海况下补给尤为艰难。在边远海岛、深远海大力实施海浪发电、海上风力发电，不仅可以实现电力自给，海水淡化问题也随之解决，更有利于保护生态脆弱的海岛，具有广阔的军事、经济前景。节能减排和大力开发清洁能源是对人类进步和发展的重要贡献，是正确认识和应对全球气候变化的重要举措[4-5]。前人对中国近海的波浪能、风能评估做了许多研究，由于受到数据稀缺的限制，针对边远海岛风能、波浪能开发的研究可谓凤毛麟角，而边远海岛、深远海的资源紧缺现象普遍非常严重，需求也尤为迫切。本文从为岛礁建设提供能源供给需求出发，以某重点岛礁作为研究对象，利用CCMP(Cross-Calibrated, Multi-Platform)风场资料，对风能资源特征进行研究，并利用CCMP风场驱动WW3海浪模式，对波浪能资源进行系统性研究。该研究可为海浪发电、海上风力发电提供科学指导，提高边远海岛、深远海的生存能力、可持续发展能力，为海洋权益维护、海上丝绸之路提供淡水、电力等保障。

1 数据及方法

本文利用CCMP风场资料，对研究海域的海表风场、风能资源特征进行研究。CCMP风场是美国国家航空航天局(NASA)的物理海洋数据中心(PO.DAAC——Physical Oceanography Distributed Active Archive Center)开发的一种海洋风场产品[6]。CCMP风场的空间分辨率为0.25(°)×0.25(°)，时间分辨率为6h，空间范围为78.375°S～78.375°N，179.875°W～179.875°E，时间范围从1987年7月至今。该风场在空间分辨率、数据精度等方面都优于常用的Q/N混合风场、ERA-40海表10m风场、NCEP风场，在国际上得到广泛运用。

本文还利用CCMP风场驱动WAVEWATCH-III (WW3)海浪模式，模拟得到中国首份、覆盖整个中国海、长时间序列(1988年01月01日00:00—2011年12月31日18:00)、高时空分辨率(时间分辨率3 h、空间分辨率0.25(°)×0.25(°))的海浪场数据，经与卫星资料，以及来自韩国、日本、台湾的浮标观测资料对比，发现该海浪数据具有较高可信度[7]。利用该模拟海浪数据，分析了研究海域的海浪场、波浪能资源特征。

2 风能、波浪能开发的可行性

利用模拟的海浪、风场数据，根据风能密度、波浪能流密度的计算方法，计算得到研究海域1988年1月—2011年12月逐3h的风能密度、波浪能流密度。综合考虑能流密度的季节特征、能级频率、有效风速、可用波高、能流密度的长期变化趋势、资源储量等各方面，对研究海域的风能资源、波浪能资源进行深入的系统性研究。

2.1 资源的月际变化特征

由图1可见，受季风及季风转换的影响，研究海域的风能、波浪能都表现出“W”型月际变化特征，峰值出现在12月至翌年1月，其月平均风能密度在370 W/m2左右，月平均波浪能流密度在20 kW/m左右；次峰值出现在8月，风能密度为337 W/m2，波浪能流密度为9.6 kW/m；两个波谷分别出现在4—5、10月。

周荣卫等[8]曾利用风能资源数值模拟评估系统WERAS(Wind Energy Resource Assessment System)对中国沿海20年(1986—2005年)平均风资源进行计算，结果表明：中国沿海风能资源非常丰富，沿海各省70 m高度的陆上多年平均风功率密度基本在200～400 W/m2，附近海域的多年平均风功率密度约在300～800 W/m2之间。而本文所研究海域10 m高度的年平均风能密度就高达234 W/m2，表明研究海域蕴藏着丰富的风能资源。传统的观点认为中国沿海的波浪能流密度在2～7 kW/m，本文通过计算发现研究海域的波浪能为9.6 kW/m，明显比传统估值更为乐观。

值得注意的是：即使是在能源最贫乏的4—5月，本文研究海域的风能密度也都在84 W/m2以上，波浪能流密度在2.2 kW/m以上。通常风能密度在50 W/m2以上就处于可利用状态，波浪能流密度在2 kW/m以上就处于可利用状态。因此可以认为，研究海域全年都可进行风能和波浪能资源开发。

图1 研究海域风能密度(左)、波浪能流密度(右)的月变化特征

2.2 有效风速、可用波高出现频率

在资源开发过程中，3～25 m/s的风速有利于风能开发，称之为有效风速[9]；在波浪能开发中，通常波高大于1.3 m时可用[10]，4.0 m以上大浪具有较大的破坏能力，不利于发电装置的运行与安全，在此将波浪能开发的可用波高限制在1.3～4.0 m之间。有效风速、可用波高的出现频率分别是衡量风能、波浪能丰富程度的重要指标，本文在此统计了研究海域有效风速、可用波高出现的频率，其结果如图2所示。研究海域有效风速出现频率：全年各个月份都在70%以上，尤其是11月到翌年3月，出现频率高达90%以上，这对于研究海域的风能资源开发是非常有利的。可用波高出现的频率虽然低于有效风速出现频率，但也仅仅是在4—6月可用波高出现频率在50%以下，其余月份可用波高出现频率都在50%以上，这对于波浪能资源的开发利用也是很有利的。

郑崇伟和李崇银曾发现[11]，该研究海域6级以上大风和大浪频率整体较低，这对于延长风能、波浪能装置的寿命、防灾减灾是有利的。该海域风向和浪向在秋冬两季、春季以偏东北向为主，夏季则以南-西南向为主，风向、浪向都很有规律，这对于风能、波浪能的开发利用也是有利的。

图2 研究海域有效风速出现频率(左)、可用波高出现的频率(右)

2.3 能级频率

能级频率是衡量资源丰富程度的重要标准之一，通常认为风能密度大于50 W/m2(有的标准认为大于100 W/m2)时可有效利用，大于200 W/m2为丰富[12]；波浪能流密度大于2 kW/m时可有效利用，大于20 kW/m为丰富[13]。本文对研究海域风能密度大于50 W/m2、大于100 W/m2和大于200 W/m2出现频率，以及波浪能流密度大于2 kW/m、大于10 kW/m和大于20 kW/m的出现频率进行了统计分析(剔除了极端风、浪情况下的风能密度、波浪能流密度)，其结果如图3所示。

图3 研究海域风能(a)和波浪能(b)等级频率

由图3(a)可见，11—翌年4月、6—9月，50 W/m2以上风能密度出现频率都高于50%，仅在5和10月出现频率略低于50%；11—翌年3月、7—9月，100W/m2以上风能密度出现频率都高于50%。即使是按照100W/m2以上的风能密度属于可用来衡量，研究海域全年超过2/3时间的风能可以有效利用。由图(3b)可见，11—来年3月、8—9月，2kW/m以上波浪能流密度出现频率都高于50%，即全年超过一半的时间可进行波浪能资源开发。太阳能受到白昼、天气的限制，全年可利用时间基本在50%以内，相比较而言，研究海域的风能、波浪能更乐观。

2.4 风能、波能玫瑰图

在波浪能(风能)的开发过程中，波向(风向)非常重要，如果选择的站点常年盛行一种或两种浪向(风向)，则非常有利于提高对波浪能(风能)的采集、转换效率；相反，如果波向(风向)混乱，则非常不利于波浪能(风能)的开发利用。利用近24年、逐6h的海表10 m风场数据，制作了研究海域的风能玫瑰图(见图4(a))；利用近24年、逐3h的海浪数据、波浪能流密度数据，制作了研究海域的波能玫瑰图(见图4(b))。

从风能玫瑰图可以看出，研究区域出现频率最高的风能密度是ENE向(东北偏东)、NE向，其次是SW向、WSW向，其中又以100～300W/m2出现的频率最高。1000W/m2以上的高风能主要由WSW向贡献，其次是SW向，其他方向的贡献率较低。从波能玫瑰图可以看出，研究海域的波浪能主要由NNE和WSW向的浪所贡献，其余浪向贡献较小，这主要是由于冬季强冷空气和夏季强劲的西南季风所致。出现频率最高的能流密度是0～5 kW/m，其次是5～10 kW/m，此外还发现NNE向海浪中，10～15kW/m、20～30kW/m、大于40kW/m的能流密度出现频率也很高。

图4 研究海域的风能玫瑰图(a)、波能玫瑰图(b)

2.5 不同海况对波浪能的贡献

从波浪能流密度的计算方法可以看出，波浪能的大小取决于波高和波周期[14-15]，本文在此统计了全年中不同海况对波浪能的贡献情况，可为提高发电装置对能量的捕获能力做参考。不同海况对研究海域波浪能总量的贡献情况给出在图5中，由图5可以清晰的看出：波高2～3 m，波周期6～7 s的海况对总能量的贡献最大，贡献率为14.6%；其次是波高2～3 m，波周期7～8 s的海况，贡献率为11.1%；此外，贡献率相对较大的还有波高1～2 m，波周期5～6 s的海况，贡献率为9.1%；波高3～4 m，波周期8～9 s的海况，贡献率为8.1%。

图5 不同海况对研究海域波浪能总量的贡献情况

2.6 风能和波浪能的储量

为了给海上风能、波浪能资源开发提供更为精确的参考，本文定量计算了研究海域的资源储量(见表1)，主要包括资源总储量、有效储量、技术开发量。风能(或波浪能)资源储量的计算方法如下[16]：

(1)

(2)

EPT=EPE·Ce。

(3)

研究海域的风能资源总储量为2050 kW·h/m2，有效储量为1722 kW·h/m2；波浪能资源的总储量为84079 kW·h/m，有效储量为66336 kW·h/m。龚强等[18]曾指出：辽滨、明阳50 m高处的年有效风能分别为2763 kW·h/m2、1482 kW·h/m2，比10m高处多1倍以上(即10m高度的年有效风能都小于1 500 kW·h/m2)，年有效利用时间均超过6000h，具备建立大型风电场的资源条件。与辽滨、明阳相比，研究海域的风能资源储量更为丰富，研究海域的年有效利用时间大于80%(即大于7008h，见3.2节)，资源储量和年有效利用时间都比辽滨、明阳更为乐观，即研究海域蕴藏着丰富、适宜开发的风能资源。

表1 研究海域的风能、波浪能资源储量

Note： ①Total storage； ②Effective storage； ③Technological storage；④Wind energy；⑤Wave energy.

2.7 风能和波浪能的长期变化趋势

资源的长期变化趋势会影响着未来的开发利用，本文还分别将研究海域的风能密度、波浪能流密度从1988—2011年进行逐年平均，分析其长期变化趋势，结果如图6所示。图6表明，整体来看风能密度在近24年存在一定的变化趋势(增长)，但不显著；在1989—1998年期间有短期的递减趋势，而在1998—2009年期间则表现出显著的递增趋势；2010年是一个异常年，风速和风能都出现了比较剧烈的变化。波浪能流密度的(线性相关度)|R|=0.72，通过了99.9%的信度检验，回归系数为0.2539，即近24年，研究海域的波浪能流密度以0.25 kW·m-1·a-1的速度显著性逐年线性递增，并在2011年达到近24年的波峰。

图6 研究海域风能密度(a)和波浪能流密度(b)的长期变化趋势Fig.6 Long term trends of the wind power density (a) and wave power density (b)

2.8 风能和波浪能的稳定性

资源的稳定性不仅会影响到对能量的采集、转换效率，还会影响到装备的寿命，严重时甚至会造成装备的损毁。本文在此定量计算了风能、波浪能的稳定性，利用近24年逐3h的风能密度、波浪能流密度，计算了变异系数(Coefficient of variation，Cv)，变异系数越小，代表稳定性越好[19](见图7)。

风能和波浪能在11—翌年4月、7—9月的稳定性明显好于其余季节，这是因为11—翌年4月中国海经常遭受冷空气袭击造成的，虽然冷空气往往强度比较大，但规律性很强，稳定性很好；同样，7—9月在稳定的西南季风影响下，风能和波浪能的稳定性也很好。

在夏季风向冬季风转变过程中，风能和波浪能的稳定性并没有表现出太剧烈的变化，仅是风能密度的稳定性在10月份稍有变差；但是，冬季风向夏季风转变过程中，风能和波浪能的稳定性却表现出非常剧烈的变化，变异系数在5月达到峰值，即该月的稳定性最差。

图7 研究海域风能密度、波浪能流密度在各月的变异系数

3 结论

本文利用CCMP风场、数值模拟的海浪场数据，对研究海域的风能、波浪能资源进行了系统性综合评估，包括资源的月际变化特征、有效风速和可用波高出现频率、能级频率、不同海况对波浪能的贡献、资源的稳定性和长期变化趋势、资源储量等方面，得到如下主要结论：

(1)受季风及季风转换的影响，风能、波浪能都表现出“W”型月际变化特征，峰值出现在12月—翌年1月，月平均风能密度在370 W/m2左右，月平均波浪能流密度在20 kW/m左右。研究海域全年都可进行风能和波浪能开发，即使是在能源最贫乏的4—5月，风能密度也都在84 W/m2以上，波浪能流密度在2.2 kW/m以上，均处于可利用状态。

(2)研究海域有效风速、可用波高出现频率、能级频率对于开发利用来讲都很乐观：全年各个月份有效风速出现的频率都在70%以上，尤其是11—翌年3月，出现频率高达90%以上；除了4—6月，研究海域全年大部分时间可用波高出现频率都在50%以上；全年大部分时间50 W/m2以上风能密度、2 kW/m以上波浪能流密度出现频率都高于50%。

(3)研究海域的波浪能主要由以下几种海况贡献：波高2～3m，波周期6～7s的海况，贡献率为14.6%；波高2～3m，波周期7～8s的海况，贡献率为11.1%；波高1～2m，波周期5～6s的海况，贡献率为9.1%；波高3～4m，波周期8～9s的海况，贡献率为8.1%。

(4)研究区域的风能主要由ENE、NE、SW、WSW向贡献，其中又以100～300 W/m2出现的频率最高；1000W/m2以上的高风能主要由WSW向贡献，其次是SW向。研究海域的波浪能主要由NNE和WSW向的浪所贡献。出现频率最高能流密度的是0～5、5～10kW/m，NNE向海浪中，10～15、20～30、大于40kW/m的能流密度出现频率也很高。风能玫瑰图的分布特征与波能玫瑰图相近。

(5)研究海域的风能资源总储量为2 050 kW·h/m2，有效储量为1 722 kW·h/m2；波浪能资源的总储量为84 079 kW·h/m，有效储量为66 336 kW·h/m。

(6)在近24年期间，研究海域风能密度的变化趋势不是很显著，波浪能流密度则表现出显著的递增，趋势为0.25 kW·m-1·a-1。

(7)在规律性较强的冷空气、西南季风的影响下，研究海域的风能、波浪能在冬夏两季表现出很好的稳定性。在夏季风向冬季风转变过程中，风能和波浪能的稳定性并没有表现出太剧烈的变化；但是，冬季风向夏季风转变过程中，却表现出非常剧烈的变化，5月风能和波浪能的稳定性为全年最差。

(8)研究海域的6级以上大风和大浪频率整体较低，这对于延长风能、波浪能装置的寿命、防灾减灾是有利的，且该海域的风向、波向规律性很强，这对于风能、波浪能的开发利用是有利的。

(9)研究海域蕴藏着较为丰富、适宜开发的风能、波浪能资源，值得关注和开发利用。在正式展开风力发电、海浪发电、海水淡化等资源开发工作后，还需要对风能、波浪能展开短期数值预报、中长期预估、灾害天气预警等，以便在能量不足时调集其他能源(如柴油发电)进行补充，确保电力的不间断供给。

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责任编辑 庞 旻

Development of the Islands and Reefs in the South China Sea:Wind Power and Wave Power Generation

ZHENG Chong-Wei1, 2, 3, LI Chong-Yin1,2

(1. College of Meteorology and Oceanography, People's Liberation Army University of Science&Technology, Nanjing 211101, China;2. National Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029， China;3. Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

The shortage of wave power and fresh water will significantly affect the subsistence and sustainable development of deep sea and remote islands and it is also a international puzzle. Based on the CCMP (Cross-Calibrated, Multi-Platform) wind data for the period 1988—2011 and a 24-year WAVEWATCH-III (WW3) hindcast data, this study presents the characteristics of wind energy resources and wave energy resources in an important reef. The results show that： (1) The area is rich in wind energy and wave energy resources. This area can carry out the development of wind and wave energy all year round except some extreme sea conditions. The top value appears in December and January, of about 370 W/m2in wind power density and 20 kW/m in wave power density. Even in the poorest season (April and May) the energy also can be used to development. (2) The occurrences of effective wind speed, effective SWH, energy class are optimistic. The occurrence of effective wind speed is above 70% in each month. The occurrences of effective SWH, wind power density above 50 W/m2, wave power density above 2 kW/m are more than 50% in most of the year. (3) The wave energy is mainly contributed by the sea state of SWH in 2～3m, wave period in 6～7s. (4) The wind energy is mainly contributed by ENE, NE, SW and WSW direction, while the occurrence of wind power density in 100～300 W/m2appears the highest. Wind power density above 1 000 W/m2is mainly contributed by WSW direction. The wave energy is mainly contributed by the NNE and WSW direction ocean wave. The high occurrence of wave power density is 0～5 and 5～10 kW·m-1·a-1. The characteristics of wind energy rose is similar to the wave energy rose. (5) During the past 24 years, the wind power density does not have significant variation. The wave power density exhibits noticeable increasing trend, of about 0.25 kW·m-1·a-1. (6) There is a good stability in wind energy and wave energy in summer, autumn and winter. The stability in May is relative worst all year round. (7) The total storage and effective storage of wind energy is 2050 kW·h/m2, and 1 722 kW·h/m2. The total storage and effective storage of wave energy are 84079 and 66336kW·h/m.

remote island; wind energy; wave energy; sustainable development

国家重点基础研究发展规划项目(2013CB956200)；国家自然科学基金项目(41490642)资助

2015-05-12；

2015-06-20

郑崇伟(1983-)，男，工程师，博士生，主要从事海战场环境建设、物理海洋学及海洋能资源评估。E-mail：chinaoceanzcw@sina.cn

P743.2

A

1672-5174(2015)09-007-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150146