基于ERA-interim資料中國近海風(fēng)能資源時空分布

孫稚權(quán)，項杰，管玉平

（1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101；2.中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室，廣東廣州510301）

基于ERA-interim資料中國近海風(fēng)能資源時空分布

孫稚權(quán)1，2，項杰1，管玉平2

（1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101；2.中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室，廣東廣州510301）

摘要：未來風(fēng)能開發(fā)的重心將逐漸轉(zhuǎn)移到風(fēng)能更為豐富的近海區(qū)域，通過1979—2014年的ERA-interim再分析資料，對不同高度和水深條件下的中國近海風(fēng)能資源的時空分布特征進行了分析研究。結(jié)果顯示我國近海風(fēng)能資源整體呈南高北低分布，大值區(qū)位于臺灣海峽、巴士海峽及南海東南部，過去36 a我國近海風(fēng)能資源沒有顯著變化趨勢。風(fēng)能資源所研究區(qū)域的水深越深、風(fēng)機高度越高，風(fēng)電的可開發(fā)潛力就越大，100 m高度條件及50 m水深條件下我國近海年平均風(fēng)功率密度約為160 W/m2。此外我國近海風(fēng)能資源存在明顯的季節(jié)差異，冬季開發(fā)條件最好，夏季最差，且與ENSO存在顯著的遙相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：近海風(fēng)能資源；ERA-interim再分析資料；ENSO

1　　引言

中國2009年原油消耗22億噸［1］，我國成為全球能源消耗第一大國的同時，傳統(tǒng)能源對環(huán)境的惡化只增不減。風(fēng)能具有安全、無排放、無須燃料、無需運輸、不造成環(huán)境污染、可再生、投資周期短、占地小等明顯優(yōu)點，是極佳的新能源［2］。2005年底，已經(jīng)有66個國家建起了風(fēng)電場，10年平均增長率高達28.6%，成為全球發(fā)展最快的可再生能源［3］。相比于傳統(tǒng)成熟的陸地風(fēng)電，海上風(fēng)電有明顯優(yōu)勢：海水表面粗糙度低，使風(fēng)在海面具有更大的風(fēng)速；海上風(fēng)的湍流強度低，風(fēng)具有更好的穩(wěn)定性，使得海面風(fēng)的有效使用時數(shù)高于陸地風(fēng)，對風(fēng)電機組的耗損低于陸地風(fēng)；海上風(fēng)電廠對人類的噪聲污染可以被忽略，不占用寶貴的陸地資源［4-5］，此外發(fā)展海上風(fēng)電還可以維護我國的海上權(quán)益［6］。中國擁有3× 106km2的巨大海域和1.8×104km的綿長海岸線，距離大陸較遠的海島能源緊缺，制約其經(jīng)濟和軍事的發(fā)展，同時我國沿海地區(qū)GDP產(chǎn)值占全國的70%以上，電力消耗量也在全國的一半以上［7］，再加上密集的人口，使我國沿海地區(qū)存在巨大的電力需求和二氧化碳排放量。中國有巨大的近海風(fēng)電潛力，且大部分處靠近電力負荷高的地區(qū)，是風(fēng)能開發(fā)和新型清潔能源的未來，但是中國在這個新領(lǐng)域仍處于落后弱小地位，截至2013年底，中國海上風(fēng)電裝機容量只有0.42 GW，僅占全國風(fēng)電裝機總?cè)萘康?.5%左右，在《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)方案及有關(guān)管理要求》中，國家能源局也坦陳中國海上風(fēng)電在設(shè)備制造、工程施工和運行維護等方面仍處于試驗和探索階段［8］。

海上風(fēng)電場是以風(fēng)速高、風(fēng)功率密度大、湍流強度小等優(yōu)勢來抵消巨大的投資成本，所以準(zhǔn)確分析、預(yù)測海上風(fēng)電場風(fēng)能資源對海上風(fēng)電場的建設(shè)和發(fā)展至關(guān)重要。但是我國近海風(fēng)資源普查和詳查工作還相對薄弱。Kalvig［9-10］在對近海風(fēng)能的研究中，著眼于海洋邊界層，認為傳統(tǒng)上將海表面假設(shè)為粗糙度守恒，中性穩(wěn)定層結(jié)的光滑表面會帶來很大誤差，不能忽視大氣穩(wěn)定度和波浪對海表面氣

2　　資料及研究方法

現(xiàn)有的海上風(fēng)能資源評估的技術(shù)手段主要有基于觀測資料的評估、衛(wèi)星遙感技術(shù)及風(fēng)能資源評估的數(shù)值模擬［3］。中國近海海域常規(guī)觀測數(shù)據(jù)極度匱乏，衛(wèi)星資料在近海區(qū)域會有一部分缺失，都不適合近海風(fēng)能資源研究。大氣再分析數(shù)據(jù)憑借其先進的數(shù)值模式與完善的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，使其具有很高的可靠性和精確性，本文采用歐洲中期天氣預(yù)報 中 心（EuropeanCentreforMedium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的ERA-interim再分析數(shù)據(jù)［15］不同垂直高度的風(fēng)場、溫度場資料，空間分辨率為0.125°×0.125°，時間間隔為6 h，時間跨度為1979年1月—2014年12月。ERA-interim資料作為新一代高分辨率再分析資料具有明顯優(yōu)勢，其風(fēng)場數(shù)據(jù)與衛(wèi)星觀測資料有著很好的匹配［16］，與中國海海域浮標(biāo)風(fēng)場觀測數(shù)據(jù)也存在很高的相關(guān)性［17］，滿足中國近海風(fēng)場研究精度要求。Etopo1［18］全球地形數(shù)據(jù)取自NOAA的國家地球物理數(shù)據(jù)中心（National Geophysical Data Center，NGDC），水平分辨率1′×1′，它提供了整個全球的地形和水深數(shù)據(jù)，是目前為止比較新的全球地形數(shù)據(jù)。

風(fēng)功率密度（Dwp）（W/m2）的計算方法根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》（GB/T18710—2002）如下［19］：

以往研究中將10 m風(fēng)場通過風(fēng)廓線公式計算得到的其他高度的風(fēng)場存在一定誤差，本文直接使用不同高度的再分析數(shù)據(jù)分別計算分析在10 m、60 m、100 m 3個高度的風(fēng)功率密度。水深大于50 m的水域的風(fēng)能開發(fā)技術(shù)還在不斷探索中［20］，我們將近海水深小于50 m的區(qū)域定義為近海風(fēng)能的可開發(fā)區(qū)域，將Etopo1全球地形數(shù)據(jù)插值到ERA-interim再分析數(shù)據(jù)網(wǎng)格，篩選水深小于50 m的近海海域作為近海風(fēng)電的可開發(fā)利用區(qū)域并計算可開發(fā)利用區(qū)域的風(fēng)功率密度。一元線性趨勢經(jīng)過了Mann-Kendal（MK）趨勢檢驗［21］。在單變量的趨勢分析中，MK檢驗法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法。MK統(tǒng)計檢驗方法不受趨勢是否為線性的影響，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于不滿足正態(tài)分布特征的氣象水文數(shù)據(jù)，計算簡便。

3　　中國近海風(fēng)能時空特征分析

3.1中國近海風(fēng)能空間分布特征

高度越高可承載風(fēng)機的葉片半徑和功率就越大［22］，隨著海上風(fēng)電技術(shù)的進步，未來海上風(fēng)機輪轂高度必將朝著更高的方向發(fā)展，對不同高度風(fēng)功率密度的計算十分關(guān)鍵。圖1是10 m、60 m和100 m 的3個高度下風(fēng)功率密度氣候平均分布，由于近地面風(fēng)速隨高度增加而增加，風(fēng)功率密度明顯與高度成正比?？梢钥吹?個高度下中國海風(fēng)功率密度具有相似的分布特征，整體分布均呈南高北低分布形態(tài)，臺灣海峽受“狹管效應(yīng)”和登陸臺風(fēng)的共同影響使得其平均風(fēng)功率密度明顯要高于其余海域［23］，其余如巴士海峽及南海東北部海域風(fēng)電資源也比較豐富，說明我國風(fēng)能資源最豐富地區(qū)為福建省、浙江省和廣東省沿海地區(qū)。渤海及黃海海域風(fēng)功率密度較低，平均風(fēng)功率密度未達到200 W/m2。

3.2中國近海風(fēng)能及風(fēng)場年際時空分布

風(fēng)能資源的調(diào)查估算基礎(chǔ)是對風(fēng)場的研究分析，需對所選海區(qū)風(fēng)場的時空變化特征有足夠充分的認識［24］，中國海處于西太平洋邊緣，跨越熱帶、副熱帶和溫帶，處于季風(fēng)變換帶，氣候季節(jié)差異顯著，且經(jīng)常遭受臺風(fēng)侵襲。將1979年1月—2014年12月中國海100 m高度的風(fēng)場和風(fēng)功率密度做季節(jié)平均，得到中國海100 m高度風(fēng)場和風(fēng)功率密度的四季分布特征（見圖2）?？梢钥吹郊竟?jié)變化是中國海海表面風(fēng)場變化的最主要特征，總的來看春季、秋季和冬季期間風(fēng)場分布特征較為接近。其中春季屬季風(fēng)轉(zhuǎn)換季節(jié)，可以看到春季25°以南海域受東風(fēng)控制，臺灣海峽風(fēng)場分布與秋冬兩季相似以東北風(fēng)為主，渤海、東海海域風(fēng)場呈反氣旋式分布。夏季期間受西南季風(fēng)影響，南海以南-西南季風(fēng)為主，黃海和東海以南風(fēng)為主；秋冬兩季受亞洲高壓的影響，中國海海域以北風(fēng)為主，特別是臺灣海峽的強偏北大風(fēng)十分穩(wěn)定，南海海域則以東風(fēng)為主。春夏兩季風(fēng)功率密度較低，春季風(fēng)功率密度呈南高北低分布形態(tài)，大值區(qū)位于臺灣海峽、瓊州海峽東側(cè)；夏季風(fēng)功率密度的大值區(qū)位于東海及北部灣海域；秋冬兩季風(fēng)功率密度較高，秋冬兩季風(fēng)功率密度的大值區(qū)位于臺灣海峽、巴士海峽及東沙群島附近海域，大值區(qū)呈東北-西南走向的馬蹄形分布形態(tài)，渤海及黃海海域風(fēng)功率密度較低。

圖1 1979—2014年中國近海10 m，60 m，100 m高度風(fēng)功率密度（W/m2）氣候平均分布

我們將近海水深小于50 m的海域定義為近海風(fēng)能的可開發(fā)區(qū)域，圖3為中國近海小于50 m的水深分布，可以看到我國北方大部分海域?qū)儆陉懠芎＃钶^淺，“長三角”以北海域可開發(fā)海域面積明顯大于以南海域。圖4為中國?？砷_發(fā)海域100 m高度風(fēng)功率密度季節(jié)分布，結(jié)合圖2可以看到可開發(fā)海域內(nèi)風(fēng)功率密度明顯的季節(jié)差異?？砷_發(fā)海域內(nèi)風(fēng)功率密度的季節(jié)分布呈‘W'狀分布，春夏兩季明顯低于秋冬兩季，風(fēng)功率密度在冬季最高可達到450 W/m2，而春夏兩季最低時僅為50 W/m2，再加上夏季東海及南海海域頻發(fā)的強熱帶氣旋和極端大氣條件，使得中國近海風(fēng)電開發(fā)條件存在極大的季節(jié)差異。高度越高、水越深，風(fēng)功率密度越大，但成本及技術(shù)也要求越高。

3.3中國近?？衫蔑L(fēng)能估算及變化趨勢

圖5為1979—2014年3種水深篩選條件下，中國海100 m高度風(fēng)場及風(fēng)功率密度年變化時間序列。從圖中我們能夠發(fā)現(xiàn)水深條件對風(fēng)功率密度大小有顯著影響，小于100 m水深條件下風(fēng)功率密度約為小于50 m條件下的1.25倍；小于50 m水深條件下風(fēng)功率密度約為小于25 m條件下的1.25倍，但水深越深電機的成本及技術(shù)要求也就越高。

圖2 1979—2014年中國海100 m高度風(fēng)場及風(fēng)功率密度（W/m2）的季節(jié)變化

圖3中國近海小于50 m海域水深（m）分布

圖4　1979—2014年中國海100 m高度風(fēng)功率密度季節(jié)變化

我們通過95%置信水平的功率譜檢驗發(fā)現(xiàn)中國近海風(fēng)能可開發(fā)海域的風(fēng)功率密度年變化序列存在顯著的4年周期。我們試圖通過MK趨勢檢驗尋找中國近海風(fēng)能可開發(fā)海域風(fēng)功率密度年變化序列的變化趨勢，結(jié)果發(fā)現(xiàn)近幾十年中國近?？砷_發(fā)區(qū)域平均風(fēng)功率密度并沒有明顯變化趨勢，在圖6中國海100 m高度風(fēng)功率密度變化趨勢分布中可以看到不同海域的風(fēng)功率密度呈現(xiàn)不同的變化特征，最明顯的是巴士海峽的增長趨勢，臺灣海峽和部分南海東海近海海域的減弱趨勢。中國海是全球范圍內(nèi)過去幾十年海表溫度增暖最為明顯的海域之一，圖7中國海海表溫度變化趨勢分布中能夠看到中國海大部分呈比較明顯的增暖趨勢，20°N以南近海海域海溫則呈變冷趨勢，由于海氣相互作用的機制，海溫的變化趨勢分布與風(fēng)功率密度的變化趨勢分布有一定的對應(yīng)關(guān)系，增暖海域風(fēng)能同樣呈增強趨勢。此外，從圖5中我們可以看到風(fēng)功率密度的年變化序列對ENSO十分敏感，風(fēng)功率密度的高值（低值）年對應(yīng)拉尼娜（厄爾尼諾）年，可以看到如1997年（厄爾尼諾年）的年均風(fēng)功率密度約為1988年（拉尼娜年）的1/2。在圖8為中國海100 m高度風(fēng)功率密度與Nino3.4指數(shù)相關(guān)系數(shù)分布中可以看到我國海域風(fēng)功率密度與太平洋海溫存在明顯遙相關(guān)關(guān)系，尤其在南海東北部大部分海域二者的相關(guān)系數(shù)高達-0.7，也就是說厄爾尼諾事件往往伴隨中國海風(fēng)功率密度的降低，反之拉尼娜事件往往伴隨中國海風(fēng)功率密度的升高。

圖5 1979—2014年不同水深條件下中國海100 m高度風(fēng)功率密度年變化時間序列

圖6 1979—2014年中國海100 m高度風(fēng)功率密度（W/（m2·36 a））變化趨勢分布

圖7 1979—2014年中國海海表溫度（℃/36 a）變化趨勢分布

圖8 1979—2014年中國海100 m高度風(fēng)功率密度與Nino3.4指數(shù)相關(guān)系數(shù)分布

4　　結(jié)論

本文使用不同高度的ERA-interim大氣再分析資料，計算分析了中國近海風(fēng)能資源的時空分布特征及變化趨勢，規(guī)定近海水深小于50 m的海域為風(fēng)電可開發(fā)區(qū)域，得到了以下結(jié)論：

（1）氣候平均意義上我國海域風(fēng)功率密度呈南高北低分布，大值區(qū)位于臺灣海峽、巴士海峽及南海東北部海域；

（2）中國近海風(fēng)功率密度受高度和水深條件限制顯著，高度越高、水深越深，風(fēng)功率密度開發(fā)潛力就越大，但同時也伴隨成本和技術(shù)要求的增加；

（3）可開發(fā)海域內(nèi)風(fēng)功率密度的季節(jié)分布呈W狀分布，秋冬兩季明顯高于春夏兩季，再加上夏秋兩季頻發(fā)的強熱帶氣旋，使得中國近海風(fēng)電開發(fā)條件存在較大的季節(jié)差異；

（4）最近幾十年中國近海風(fēng)功率密度大小沒有明顯的變化趨勢，但變化趨勢分布存在區(qū)域差異，巴士海峽及南海東北部呈明顯增強趨勢，臺灣海峽、珠江入?？诤Ｓ虺拭黠@減小趨勢；

（5）我國海域風(fēng)功率密度與太平洋海溫變化存在遙相關(guān)關(guān)系，與Nino 3.4指數(shù)存在顯著負相關(guān)關(guān)系。

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中圖分類號：P743

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）03-0050-07

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.007

收稿日期：2015-11-06

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（41275113）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2013CB956201）。

作者簡介：孫稚權(quán)（1990-），男，碩士研究生，主要從事海氣相互作用研究。E-mail：sunzhiquan15@sina.com流的影響，當(dāng)存在涌浪的情況下，風(fēng)廓線不遵循對數(shù)規(guī)律，而是和海面狀況相關(guān)［11］。Kalvig的觀點指出在以往風(fēng)能計算中僅用10 m風(fēng)場通過風(fēng)廓線公式計算得到的其他高度的風(fēng)場存在一定誤差，由此風(fēng)速得到的風(fēng)功率密度不夠準(zhǔn)確，所以在風(fēng)能資源評估工作中，對數(shù)據(jù)的選擇最好選擇具有高精度低空垂直分層的資料。Dvorak等［12］總結(jié)水深30 m以內(nèi)海域多使用單樁技術(shù)，31—50 m海域多使用多支柱技術(shù)，水深50—200 m以上海域不適合上述兩種傳統(tǒng)風(fēng)電機，適合使用尚不成熟的漂浮式風(fēng)電機，所以在近海風(fēng)能資源估算的工作中必須考慮水深的影響。此外中國海海面風(fēng)場對ENSO有較好的響應(yīng)［13-14］，但近海風(fēng)能與ENSO的關(guān)系尚沒有較為深入的研究。

Wind energy in the offshore areas of China based on ERA-interim reanalysis data

SUN Zhi-quan1，2，XIANG Jie1，GUAN Yu-ping2
（1.The PLA University of Science and Technology，Institute of Meteorology and Oceanography，Nanjing 211101 China；2.State Key Laboratory of Tropical Oceanography，Guangzhou 510301 China）

Abstract：The focus of wind power industry development is gradually shifting to offshore area.Based on ERA-interim reanalyzed data from 1979—2014，we investigated the wind power resources along China offshore areas in different water depth and height conditions.The results show that the overall distribution of wind energy presents a spatial distribution characteristic which increase from north to south，and has the highest value in the Taiwan Strait，the Bashi Channel and the south-east of the South China Sea.The offshore wind power density has no significant variation trend over the past 36 years.Under the condition of the height of 100 m and the water depth of 50 m，the annual average wind power density along China offshore areas is about 160 W/m2.The offshore wind power in China displayed distinctive seasonal differences，and shows a close connection with ENSO.

Key words：offshore wind energy；ERA-interim reanalysis；ENSO