海上丝绸之路波浪能的时空特征分析

段闪华, 姜明波, 薄文波, 李醒飞,5, 杨少波,5

(1.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学青岛海洋技术研究院，山东 青岛 266200；3. 中国人民解放军61540部队，陕西 西安 710054；4. 海军研究院海洋环境研究所，天津300000；5.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266003)

引 言

当今时代，煤、石油等不可再生资源愈发紧缺，能源危机日益严重，各国能源研究者纷纷将矛头对准海洋能源[1]。占地球面积71% 的海洋资源十分丰富，发展潜力巨大，拥有众多的生物资源、矿产资源和动力资源[2]。海上丝绸之路(是2013年10月习近平总书记访问东盟时提出的战略构想，以点带线，以线带面，增进周边国家和地区的交往，串起连通东盟、南亚、西亚、北非、欧洲等各大经济板块的市场链，发展面向南海、太平洋和印度洋的战略合作经济带，以亚欧非经济贸易一体化为发展的长期目标。)主要由南海和北印度洋两大海域组成，是重要的海上资源通道，拥有众多海上交通路线，发展潜力巨大[3]，同时海上丝绸之路海域沿线国家相对落后的经济发展，开发不及时的能源，不完善的基础设施等众多不利因素制约着沿线和边远海岛经济的发展[4]，本研究针对这一现状，对南海和北印度洋海域的波浪能资源分布特征进行系统分析和评估，为海上丝绸之路的波浪能开发提供基础数据，助力海上丝绸之路的发展。

由于波浪能资源具有安全、无污染、分布广、可再生等众多优点，各国学者对波浪能的不同方面进行了很多研究。2012年郑崇伟等以ERA-40风场数据为驱动场驱动WAVEWATCH-III模型对南海-北印度洋海域的有效波高进行模拟，并对波浪能的波候特征进行分析，包括波浪的变化趋势、周期和Nino3指数，指出北印度洋的海表风速和有效波高都存在一个 26.0 a的长周期震荡[5]；2013年郑崇伟对波浪能资源发展前景和波浪发电装置进行了分析和介绍[2]；2014年宗芳伊等采用SWAN模式对1986年—2005年的南海海域有效波高进行模拟，计算分析了波浪能流密度特征[6]；2015年郑崇伟等从科学研究的角度首次系统和精细化地分析了海上丝绸之路的海洋环境特征[7]；2016年高占胜等采用一元线性回归方法对南海-北印度洋海域的有效波高在1957年9月—2002年8月的长期变化趋势进行计算[8]。2017年郑崇伟等构建了首份海上丝绸之路的波浪能大数据库，主要包括波浪能气候背景、变化趋势、涌浪特征等六个方面，实现数据可视化[9]；2018年刘敏等[10]对西北太平洋2017年秋季的混合浪、涌浪和风浪的变化特点进行分析并计算了波浪能的空间分布；2019年郑崇伟等[11]利用ERA-Interim海浪再分析资料，对海上丝绸之路的波浪能资源的气候特征及长期变化趋势进行分析。

为推进海上丝绸之路沿线海域波浪能的开发和建设提供丰富的基础数据，本文采用2009年—2018年的ERA5海浪逐时资料对海上丝绸之路的有效波高(significant wave height，SWH)分布、可用波高月际变化、波浪能流密度(wave power density，WPD)分布、WPD月际变化、波浪能级频率月际变化、波浪能有效储量月际变化和波浪能稳定性(变异系数、月变化指数和季节变化指数)进行计算，不仅为海上丝绸之路海域的海上风力发电、海浪发电、风力海浪联合发电等资源开发工作提供依据和指导，而且为海水淡化、供热、海上养殖、海上浮标、灯塔、潜艇和海上孤岛提供能源中继站，为海上航行蓄力，为人类探索提供有力支撑，共同促进人类可持续发展[1]。

1 资料与方法

1.1 资料介绍

ERA5是欧洲中期天气预报中心(ECMWF)推出的迄今较为强大的全球气候监测数据集第五代工具，是继ERA-interim之后推出的新产品。该数据几乎包含了描述波浪的所有参数，其中包括极值波高、极值波周期、涌浪、SWH、平均周期、平均波向等，使用的是ECMWF综合预测系统(IFS)的CY41R2中的4D-Var数据同化产生，同化数据为ERS-1/2、ENVISAT、Jason-1、Jason-2、CRYOSAT-2和SARAL卫星数据[12-18]。采用的波浪资料是2009—2018年的逐时数据，选取范围是15°S ～ 30°N，30°E ～ 130°E，空间分辨率是0.5°×0.5°，包含SWH、平均周期和平均波向等。

1.2 数据有效性

卫星数据是近年来用于验证SWH的热点数据[19-20]，由于其覆盖范围广、分辨率高和时间范围长等优点被大量用于海浪资料的研究和应用上。前人[21-22]的工作表明卫星数据对SWH数据的验证是可靠的，本文利用Jason-3卫星数据对ERA5的SWH数据进行验证，Jason-3卫星数据由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)、欧洲气象卫星开发组织(EUMETSAT)和法国宇航局(CNES)联合推出，搭载AMR-2 被动式微波辐射计(Advanced Microwave Radiometer-2)和Poseidon-3B双频(5.3 GHz和13.6 GHz)高度计，可提供连续的具有统一的精度和覆盖性的数据[23-24]。

1.3 本文方法

验证ERA5再分析数据SWH的可靠性，采用的卫星数据分辨率是1° × 1°，ERA5数据分辨率为0.5° × 0.5°，不必插值，选择对整个海域的整数经度和纬度的日平均数据进行验证。本文对整个研究海域分别计算了2017年日平均SWH的相关系数(CC)、偏差(Bias)、均方根误差(RMSE)，公式分别如下所示。

(1)

(2)

(3)

计算结果如图1所示，可以看出，整个海域的SWH的相关系数都在0.9以上，说明ERA5再分析数据SWH与高度计数据在变化趋势上是一致的，具有很好的相关性；偏差有正有负，但数值都较小，说明ERA5数据和高度计数据在数值上很接近。整体来看，ERA5再分析数据的SWH具有很好的可靠性，适宜进行波浪能分析和评估。

图1 有效波高验证结果 (a) ～ (c)分别是CC、Bias、RMSE

2 波浪能特征分析

2.1 有效波高分布特征

利用2009—2018年的ERA5波浪逐时资料对海上丝绸之路海域的SWH进行计算，分别计算了SWH季节分布(上一年12月—2月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，下同)和10年平均分布，如图2所示。

其实不过是个游戏，可是看着万姐虔诚的样子，我倒怕真算出个不好的，让她失望。我说：“那东西都是玩儿的，不准，还不如我在网上给你搜搜，看看有没有你女儿的消息。”

图2 海上丝绸之路海域有效波高分布特征 (a)—(e)分别是冬季、春季、夏季、秋季、10年平均(单位：m)

冬季，南海的SWH明显高于北印度洋海域，在1.8 ～ 2.1 m之间，等值线呈东北—西南走向。阿拉伯海和孟加拉湾的SWH大部分在0.9 ～ 1.2 m 之间；春季，南海的SWH低于北印度洋海域，大部分在1.2 m以上，北印度洋海域SWH逐渐增大，比冬季SWH略高，大部分在1.2 m 以上，从等值线向北凸起的部分看出，孟加拉湾的SWH是南印度洋的涌浪北传所致[25]；夏季，西南季风盛行，阿拉伯海的SWH基本在 2.1 m 以上，最高值可达3.3 m。孟加拉湾的SWH次之，在 2.1 ～ 2.4 m 之间。南海的SWH明显小于阿拉伯海和孟加拉湾，大部分1.2 m 以上；秋季，南海的SWH明显高于北印度洋，大部分在 1.5 m 以上，最高值可达2.4 m。孟加拉湾的SWH小于南海，在 1.2 ～ 1.8 m 之间。阿拉伯海的SWH相对最小，在1.2 m左右。从年平均值来看，阿拉伯海、孟加拉湾和南海的SWH数值大致相同，都在1.5 ～ 1.8 m之间。

整体来看，海上丝绸之路海域SWH具有明显的季节特征，南海秋季和冬季SWH较高；阿拉伯海和孟加拉湾海域夏季SWH最高，春季和秋季的SWH次之，冬季SWH较低。

2.2 可用有效波高月际变化特征

通常SWH大于1.3 m时可用于波浪能开发，4.0 m以上SWH具有较大的破坏能力，会缩短波浪能装置的使用寿命，郑崇伟等[26]将1.3 ～ 4.0 m的SWH定义为波浪能开发的可用波高(简称“可用波高”)，可用波高出现的频率( effective wave height occurrence，EWHO)反映出波浪能的可利用率。利用2009—2018年ERA5逐时的SWH数据，统计了海上丝绸之路海域各个月份的EWHO。以1月份为例，将10年所有1月的SWH数据的可用波高进行统计，得到海上丝绸之路海域1月份的EWHO。海上丝绸之路海域1—12月的EWHO，如图3所示。海上丝绸之路海域的EWHO整体呈单峰型月际分布特征，峰值出现在6—9月，EWHO在40 %以上，5、10月—翌年2月次之，EWHO在30 %左右，3月和4月最低，EWHO在27 % ～ 28 %。

图3 海上丝绸之路海域各个月份的波浪能开发可用波高出现的频率

2.3 波浪能流密度分布特征

WPD是评价波浪能资源分布状况最直接的要素，可直观地表示研究区域波浪能资源的空间和时间分布状况[11,27-28]。利用2009—2018年的ERA5逐时数据计算每个网格点的季节平均和10年平均的波浪能流密度，采用公式 (4) 对WPD进行计算，在公式 (4) 中，Pw是WPD，H1/3是SWH，是平均波周期，计算结果如图4所示。

(4)

冬季，在冷空气的影响下[15]，南海的WPD明显高于北印度洋海域，基本在10 kW/m以上，等值线呈东北—西南走向。北印度洋海域的WPD整体偏低，大部分在3 kW/m 以上；春季，南海的WPD低于北印度洋海域，大部分在5 kW/m 以上，北印度洋海域WPD逐渐增大，比冬季WPD略高，大部分在5 kW/m 以上，从等值线向北凸起的部分看出，孟加拉湾的WPD是南印度洋的涌浪北传所致，这与郑崇伟等[24]的结论一致；夏季，西南季风盛行，阿拉伯海的WPD基本在 25 kW/m 以上，最高值可达55 kW/m。孟加拉湾的WPD次之，在 20 kW/m 以上。南海的WPD明显小于阿拉伯海和孟加拉湾，大部分在5 kW/m 以上；秋季，气候逐渐向冬季靠近，冷空气逐渐增强，南海的WPD明显高于北印度洋，大部分在15 kW/m 以上，最高值可达35 kW/m。孟加拉湾的WPD小于南海，基本在 10 kW/m 以上。阿拉伯海的WPD相对最小，在5 ～ 10 kW/m 之间。从年平均值来看，阿拉伯海的WPD最大(12 ～ 24 kW/m)，孟加拉湾次之(12 ～ 21 kW/m)，南海相对最小(9 ～ 12 kW/m)。

整体来看，海上丝绸之路海域WPD具有明显的季节特征，南海秋季和冬季WPD较高，主要受冷空气和西南季风影响[11]；北印度洋海域上，阿拉伯海和孟加拉湾海域夏季WPD最高，春季和秋季的WPD次之，冬季WPD较低，这是因为南印度洋的涌浪常年向孟加拉湾传播，夏季，阿拉伯海域强劲的西南季风产生的涌浪抑制南印度洋的涌浪向阿拉伯海传播，西南季风占主导地位；冬季，夏马风产生向南传播的涌浪影响了南印度洋向阿拉伯海域传播的涌浪[26,29]。

2.4 波浪能流密度月际变化特征

在对WPD季节特征的分析基础上，对WPD的月际变化特征进行计算和分析，可以清晰地观察2009—2018年的WPD的月平均值变化趋势，将海上丝绸之路海域10年所有 1 月份的WPD做平均，得到0.5° × 0.5° 每个网格点上10年平均的1月WPD，然后再进行区域平均，得到海上丝绸之路海域10年平均的1月WPD，同样的方法得到海上丝绸之路海域10年平均2—12月WPD，如图5所示。整体来看，海上丝绸之路海域的WPD呈单峰型月际变化特征。6—8月的WPD明显高于其余月份，都在9.9 kW/m以上。WPD最大值出现在7月，月平均WPD在14.0 kW/m。

图5 海上丝绸之路海域波浪能流密度月际变化特征(单位：kW/m)

2.5 波浪能级频率分布特征

不同等级WPD出现的频率直观体现出波浪能的丰富程度，利用2009—2018年逐时的WPD数据，统计了海上丝绸之路海域各个月份的2 kW/m以上的能级频率(available level occurrence，ALO)和20 kW/m以上能级频率(rich level occurrence，RLO)，如图6所示。整体来看，海上丝绸之路海域的ALO常年都在50 % 左右；RLO在6—9月较高，其余月份较低。由图6(a)可知，频率最大值(53 %)的ALO出现在7—8月和12月—翌年1月；3—4月的ALO为最低值，频率为49 %。由图6(b)可知，11月—翌年4月的RLO整体偏低，频率基本在10 % 以内；5、9、10月略高；峰值出现在6—8月，频率在27 %～30 %。

图6 海上丝绸之路海域各个月份的能级频率

2.6 波浪能资源有效储量

(5)

图7 海上丝绸之路海域各个月份的波浪能有效储量

2.7 波浪能的稳定性

波浪具有间歇性、随机性和不可调控性等特点[31]，因此需要对波浪能的稳定性进行计算和分析。利用2009—2018年逐时的WPD数据，参照Cornett[32]的计算方法，计算海上丝绸之路每个网格点在冬季、春季、夏季、秋季的变异系数(图略)，以及月变化指数图8(a)和季节变化指数图8(b)。变异系数、月变化指数和季节变化指数数值越小，稳定性越好。公式如下所示：

(6)

(7)

(8)

(9)

从波浪能的季节Cv看出：北印度洋冬季和秋季的Cv数值比春季和夏季小，稳定性更好；北印度洋的Cv数值整体上比南海小，在1.0左右，大部分海域的Cv在0.6以下，南海的Cv在0.8以上，秋季Cv数值最高，冬季Cv数值最低。从Mv来看，如图8(a)，阿曼周围海域和南海明显小于孟加拉湾，斯里兰卡周围海域的Mv在7.0左右。Sv的空间分布特征与Mv十分接近，只是有些海域在数值上略小于Mv。

图8 海上丝绸之路海域波浪能流密度的稳定性系数

3 结 论

本文利用2009—2018年的ERA5海浪逐时数据资料，计算分析海上丝绸之路波浪能资源的时空分布特征，得到以下结论：

(1)受冷空气影响，南海的SWH在冬季和秋季高于北印度洋海域，数值在1.5 ～ 2.4 m之间，春季和夏季的SWH偏低。夏季，受西南季风影响，阿拉伯海的SWH最高，最高值可达3.3 m，冬季、春季和秋季阿拉伯海的SWH较低，在0.9 ～ 1.5 m之间。夏季，孟加拉湾的SWH最高，SWH在2.4 m左右，冬季、春季和秋季孟加拉湾的SWH在1.2 ～ 1.8 m之间。从海上丝绸之路海域SWH年平均分布来看，阿拉伯海、孟加拉湾和南海的SWH在1.5 ～ 1.8 m之间，数值大致相等。

(2)根据对EWHO的每个月的数据进行统计发现，海上丝绸之路海域的EWHO呈单峰型月际分布特征，峰值出现在6—9月，数值在40 % 以上，最低值出现在3—4月，数值在27 % ～ 28 %。

(3)从海上丝绸之路的WPD的季节分布看出，冬季和秋季南海的WPD较高，呈东北—西南走向，WPD数值在15 ～ 35 kW/m 左右，春季和夏季WPD偏低，在10 ～ 15 kW/m左右。阿拉伯海的WPD在夏季最高，最高值可达55 kW/m，其余季节WPD偏低。孟加拉湾的WPD 在夏季最高，数值在20 ～ 25 kW/m之间，春季和秋季次之，冬季最低。WPD的季节分布情况和SWH的季节分布情况一致。

(4)从海上丝绸之路的WPD年平均分布看出，阿拉伯海的WPD 最高(12 ～ 24 kW/m)，孟加拉湾次之(12 ～ 21 kW/m)，南海相对最小(9 ～ 12 kW/m)。阿拉伯海的 WPD 主要由西南季风的影响所致；南海的 WPD 主要由冷空气的影响所致，其次是西南季风；孟加拉湾的 WPD 主要是由南印度洋的涌浪北传所致。

(5)海上丝绸之路海域的WPD 呈单峰型月际分布特征，6—8月明显高于其他月份，都在9.9 kW/m 以上，最高月份7月达到14.0 kW/m。

(6)海上丝绸之路的 ALO 数值整体相差不大，基本在50 % 上下浮动，ALO最大值是53 %，出现在7、8、12、1月。海上丝绸之路的RLO呈明显的单峰型分布特征，6—8月的RLO最高，在27 % ～ 30 %，11月—翌年4月，RLO较低，在10 % 以下。

(7)从海上丝绸之路的有效储量的月变化分布看，6—8月有效储量最高，在3×103kW·h/m以上，3—4月的有效储量最低，在0.5×103kW·h/m以下。

(8)海上丝绸之路北印度洋的Cv小于南海，稳定性较高，北印度洋大部分海域Cv数值在0.6以下，南海的Cv数值在0.8以上。Sv的空间分布特征与Mv十分接近，只是有些海域的Sv数值上略小于Mv。