全球海域波浪能資源評估的研究進(jìn)展

鄭崇偉，李崇銀

（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)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連 116018）

全球海域波浪能資源評估的研究進(jìn)展

鄭崇偉1，2，3，李崇銀1，2

（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)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連 116018）

摘要：日益嚴(yán)峻的資源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)給人類的生存與可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅。安全、無污染、儲量大、分布廣、可再生等諸多優(yōu)點(diǎn)使得波浪能資源成為時(shí)代的寵兒。高效展開海浪發(fā)電、海水淡化等波浪能開發(fā)工作，將有效促進(jìn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。但是，波浪能資源的不穩(wěn)定性、季節(jié)性和區(qū)域性差異也增加了其開發(fā)難度。資源開發(fā)，評估先行。文章首先分析了波浪能資源的優(yōu)勢與不足，探討了國內(nèi)外波浪能資源評估的研究進(jìn)展，重點(diǎn)梳理了中國近海的波浪能資源評估現(xiàn)狀，進(jìn)一步展望了未來波浪能資源評估的焦點(diǎn)，期望可以為海浪發(fā)電、海水淡化等波浪能開發(fā)工作提供參考，緩解能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)，提高邊遠(yuǎn)海島的生存能力，為南海島礁建設(shè)、“21世紀(jì)海上絲綢之路”建設(shè)、以及人類社會的共同繁榮進(jìn)步盡綿薄之力。

關(guān)鍵詞：波浪能；資源評估；海浪發(fā)電；海水淡化；可持續(xù)發(fā)展

1　　引言

日益嚴(yán)峻的資源危機(jī)給人類的生存與可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅，各國紛紛采取一定的能源戰(zhàn)略。資源危機(jī)往往還導(dǎo)致環(huán)境危機(jī)，甚至武裝沖突。近年來，美國采取的一系列軍事行動，不僅僅是為了維護(hù)其霸權(quán)主義，很大程度上也是為了掠奪資源。相比之下，我國的能源戰(zhàn)略則是倡導(dǎo)和平與發(fā)展、合作共贏：“一帶一路”、“亞投行”、“非洲援建”等，處處彰顯我國延續(xù)和平與發(fā)展主題、為整個人類社會謀福祉的負(fù)責(zé)任大國的風(fēng)范。此外，我國還積極倡導(dǎo)太陽能、風(fēng)能、海洋能等可再生新能源。安全、無污染、可再生、儲量大、分布廣等諸多優(yōu)點(diǎn)使得波浪能資源成為時(shí)代的寵兒。2011年1月李克強(qiáng)總理訪問英國時(shí)，英國人展示的高新成果就是海浪發(fā)電。海浪發(fā)電是波浪能開發(fā)利用的主要方式，除此之外波浪能還廣泛應(yīng)用于海水淡化、供熱、制氫等，能有效克服深遠(yuǎn)海、邊遠(yuǎn)島礁淡水稀缺、電力緊張、生態(tài)脆弱等諸多困境，使得波浪能資源的優(yōu)勢更是凸顯。

前人對波浪能裝置研究做了很大貢獻(xiàn)，在實(shí)際的波浪能開發(fā)過程中，必須做到“資源評價(jià)和規(guī)劃先行”。波浪能資源的不穩(wěn)定性、季節(jié)性和區(qū)域性差異也增加了其開發(fā)難度。如果僅有先進(jìn)設(shè)備，而資源不充分，難免出現(xiàn)“巧婦難為無米之炊”的尷尬局面。在資源詳查的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的建設(shè)規(guī)劃，方可提高對波浪能的采集、轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有序的開發(fā)利用。本文探討了國內(nèi)外波浪能資源評估的研究進(jìn)展，并展望了未來波浪能資源評估的焦點(diǎn)，期望可以為海浪發(fā)電、海水淡化等波浪能開發(fā)工作提供參考，緩解能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)，促進(jìn)海洋建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

2　　波浪能資源的優(yōu)勢與不足

2.1可再生、無污染、無危害

持續(xù)的霧霾、愈發(fā)惡化的自然環(huán)境越來越得到人類社會的高度重視。在煤、石油等常規(guī)能源日益緊缺的當(dāng)今世界，各發(fā)達(dá)國家分別通過法律、減免稅收等措施鼓勵新能源的開發(fā)。目前，太陽能和陸上風(fēng)能已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；苜Y源地域限制嚴(yán)重；核能的能量巨大，但對人類存在較大的潛在威脅，如2011年日本海嘯引起的核泄漏、1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核泄漏；波浪能則屬于清潔能源：安全、無污染、可再生。

2.2儲量大、分布廣、全天候

波浪能以機(jī)械能形式出現(xiàn)，是海洋能中品位最高的能量，功率密度最高，在海洋中無處不在，無時(shí)不有，也就是說可以全天候地利用波浪能。太陽能受到白晝的限制，每日可以用于能源開發(fā)的時(shí)間不足一半。波浪能的平均密度可達(dá)2—4 kW/m2，明顯高于太陽能（100—200 W/m2）、風(fēng)能（400—600 W/m2）等新能源［1］。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織出版的《海洋能開發(fā)》［2］，全球波浪能資源的量級為109kW。世界能源委員會公布的數(shù)據(jù)顯示：全球可利用的波能達(dá)到20億kW，相當(dāng)于目前世界發(fā)電量的2倍［3］。馬懷書［4］的研究發(fā)現(xiàn)中國近海及周邊海域的總波浪功率為5 740×108kW。程友良等［5］曾指出中國波浪能的理論存儲量為7 000萬kW左右。南海蘊(yùn)藏著豐富的波浪能、溫差能、海流能、鹽差能等，以波浪能、海上風(fēng)能資源的優(yōu)點(diǎn)最為突出，尤其是南海北部海域［6］。

2.3節(jié)約土地資源、隱蔽性好、防破壞能力強(qiáng)

波浪能開發(fā)不占用島礁寶貴的土地資源。在軍事應(yīng)用方面有很好的隱蔽性：（1）波浪能裝置在海表，不易被敵偵察，隱蔽性好于風(fēng)能、太陽能裝置；（2）建立水下充電站，可以為自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）等充電，增強(qiáng)其續(xù)航、隱蔽能力。波浪能裝置還具有很強(qiáng)的防破壞能力：（1）在關(guān)鍵海域大面積散點(diǎn)布設(shè)，能有效避免戰(zhàn)時(shí)被敵方全部摧毀，保證電力的不間斷供給；（2）抵抗臺風(fēng)打擊、船舶撞擊的能力強(qiáng)［7-8］（如LIMPET電站在艾萊島安裝后的第1個冬季，遭遇50年一遇的波浪卻安然無恙）。海浪發(fā)電在軍事上可以作為一種有效的“軟實(shí)力”［9］，為提高戰(zhàn)力服務(wù)。

2.4促進(jìn)走向深遠(yuǎn)海、邊遠(yuǎn)海島

很多島礁遠(yuǎn)離大陸，卻有著無法替代的戰(zhàn)略地位（如我國的永暑礁、赤瓜礁、黃巖島等），緊張的電力和淡水狀況，嚴(yán)重制約著島礁的經(jīng)濟(jì)和軍事活動。由于艦船往返周期長、成本高，這些島礁的補(bǔ)給困難，尤其在惡劣海況下。因地制宜，發(fā)揮波浪能的優(yōu)勢，可以為海上孤島、石油平臺、海上燈塔、海水養(yǎng)殖場、海上氣象浮標(biāo)等提供能源。邊遠(yuǎn)海島大多生態(tài)脆弱，一旦遭到破壞極難修復(fù)，清潔的波浪能有利于保護(hù)島礁脆弱的生態(tài)，避免常規(guī)能源發(fā)電帶來的破壞。目前，微型、小型波力發(fā)電技術(shù)也趨于成熟，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，綜合考慮發(fā)電成本、環(huán)境污染等外部成本，海浪發(fā)電將極具競爭力。離網(wǎng)式海浪發(fā)電對于實(shí)現(xiàn)島礁的電力、淡水自給自足、海洋國防工程有著實(shí)用的價(jià)值，可以克服補(bǔ)給和輸電困難，促進(jìn)走向深遠(yuǎn)海。

2.5緩解能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)

大力開發(fā)波浪能資源將有效緩解能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)，促進(jìn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。以我國為例，沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）占全國70%左右，但也是我國的電力負(fù)荷中心，用電量占全國的50%以上。能源困境已經(jīng)成為制約沿海地區(qū)持續(xù)快速發(fā)展的瓶頸，為實(shí)現(xiàn)沿海地區(qū)電力可持續(xù)發(fā)展，國家采取了“西電東送”、“西氣東輸”、大力開發(fā)核電等戰(zhàn)略，即便如此，電力供應(yīng)仍有很大的缺口。發(fā)揮沿海、邊遠(yuǎn)海島的波浪能優(yōu)勢，將有效緩解能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)。

2.6不足

波浪能資源也并非十全十美，大家熟知的我國海軍解救馬爾代夫淡水危機(jī)，便可以折射出波浪能裝置（海水淡化裝置）存在的隱患。波浪能的不足表現(xiàn)在：（1）季節(jié)性、區(qū)域性差異顯著，能量分散不易集中，利用難，這就更要求做好先期的評估工作；（2）對材料抗海水腐蝕的要求高；（3）設(shè)計(jì)施工復(fù)雜，投資造價(jià)高；（4）容易受浮游生物的影響，需要特殊涂料處理以防止浮游生物的附著；（5）目前，波浪能資源的轉(zhuǎn)換效率仍然相對比較低；（6）并網(wǎng)困難。

3　　波浪能資源評估進(jìn)展

資源開發(fā)，評估先行。尋找資源豐富、可利用率高、穩(wěn)定性好、災(zāi)害性天氣發(fā)生頻率低的優(yōu)勢區(qū)域，可以達(dá)到事半功倍的效果。本文在此分析了國內(nèi)外波浪能資源評估的研究進(jìn)展，并重點(diǎn)梳理了中國近海的波浪能資源評估現(xiàn)狀，期望可以從中發(fā)現(xiàn)提高波浪能的采集效率、轉(zhuǎn)換效率的方法。整體來看，波浪能資源評估主要經(jīng)歷了以下幾個階段：（1）基于有限觀測資料的波浪能資源評估；（2）衛(wèi)星觀測資料運(yùn)用于波浪能資源評估；（3）數(shù)值模擬手段運(yùn)用于波浪能資源評估；（4）再分析資料應(yīng)用于波浪能資源評估。

3.1觀測分析階段

早在20世紀(jì)70年代，人們就已利用有限的大洋船舶報(bào)資料和浮標(biāo)資料，計(jì)算和評估全球海洋沿岸波浪能資源的分布［10］。Tornkvist［11］和Hulls［12］指出，全球海域波浪能流密度的大值區(qū)位于北大西洋東北部海域、太平洋東北部北美西海岸、澳大利亞南部沿岸以及南美洲的智利和南非的西南部沿岸海域。1986年，Denis［13］利用有限的觀測資料，給出了全球近岸的波浪能流密度分布概況。Thorpe［14］曾利用觀測資料，分析了英國周邊的波浪能流密度分布特征。2002年，歐洲能源中心（Centre for Renewable Energy Sources，CRES）［15］利用收集到的全球海浪觀測資料，制作了全球海域波浪能流密度分布圖（見圖1）。Lenee-Bluhm等［16］利用美國國家資料浮標(biāo)中心（National Data Buoy Center，NDBC）和沿海數(shù)據(jù)信息計(jì)劃（Coastal Data Information Program，CDIP）數(shù)據(jù)，分析了美國西北部的太平洋海域的波浪能資源。發(fā)現(xiàn)該海域的波浪能資源主要由2—5 m的有效波高、8—12 s波周期的海況貢獻(xiàn)。但由于波浪觀測資料極為稀缺，無法實(shí)現(xiàn)大范圍海域、精細(xì)化的波浪能資源評估，也就不能很好地為宏觀選址提供指導(dǎo)。

圖1歐洲能源中心制作的全球沿岸波浪能流密度（kW/m）［15］

3.2衛(wèi)星反演階段

隨著海洋觀測手段的不斷進(jìn)步，越來越多的衛(wèi)星資料被運(yùn)用于波浪能資源的研究。Barstow等［17］利用2 a的TOPEX/Poseidon（簡稱T/P）衛(wèi)星高度計(jì)資料反演的有效波高（Significant Wave Height，SWH）以及浮標(biāo)站SWH與波能周期的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，計(jì)算了全球海岸附近幾百個站點(diǎn)的波浪能流密度，得到全球近岸波浪能分布圖（見圖2）。Pontes［18］也曾利用遙感數(shù)據(jù)對波浪能展開評估。由于衛(wèi)星資料在時(shí)間同步性方面存在一些不足，時(shí)間序列相對較短，并不能很好地展現(xiàn)波浪能的長期變化趨勢。

3.3數(shù)值模擬階段

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來一些先進(jìn)的海浪數(shù)值模式在歐美國家如雨后春筍般出現(xiàn)，越來越多的數(shù)值模式被用于波浪能資源評估。海浪數(shù)值模擬可以逐漸實(shí)現(xiàn)局部海域波浪能資源的精細(xì)化評估，也可以對一些無觀測資料的海域進(jìn)行研究。常用的海浪模式有WaveAction Model（WAM）、WAVEWATCH-III（WW3）、Simulating WAves Nearshore（SWAN）。Liberti等［19］曾利用WAM模式分析了地中海近10 a的波浪能資源特征。Iglesias等［20］曾利用浮標(biāo)數(shù)據(jù)和44 a（1958—2001年）的WAM、SWAN模擬數(shù)據(jù)，分析了阿斯圖里亞斯（西班牙北部）外海和近岸的波浪能資源特征，發(fā)現(xiàn)大部分波浪能主要由2—5 m的SWH、11—13 s波周期的海況貢獻(xiàn)。Cornett［21］利用NWW3海浪模式模擬了1997—2006年的全球浪場，計(jì)算了全球波浪能的分布（見圖3）；Folley等［22］、Iglesias等［23］分別利用第三代海浪模式MIKE21 NSW和SWAN計(jì)算和分析了蘇格蘭近岸和西班牙近岸的波浪能的變化；Roger［24］在2009年通過WW3海浪模式成功預(yù)報(bào)了太平洋東海岸的波浪能，并取得了較好的模擬效果。Rusu等［25］曾利用SWAN模式，模擬分析了黑海的波浪能資源特征。Akp?nar等［26］利用來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的ERA-Interim風(fēng)場驅(qū)動SWAN海浪模式，模擬得到黑海1995—2009年的海浪場，分析了該海域的波浪能特征，發(fā)現(xiàn)黑海的西南近海是合適波浪能開發(fā)的區(qū)域。Neill等［27］曾利用SWAN模式，模擬得到歐洲西北部2005—2011年的海浪場，分析了該區(qū)域波浪能的氣候特征，并發(fā)現(xiàn)冬季的波 浪 能與 北大 西洋 濤 動（North Atlantic Oscillation，NAO）有著密切的聯(lián)系。受地形效應(yīng)等諸多因素的影響，數(shù)值模式在某些地形特殊的海域模擬效果較差［28-30］，這就意味著模擬數(shù)據(jù)需要以浮標(biāo)觀測資料、衛(wèi)星數(shù)據(jù)來做為重要補(bǔ)充。

圖2 Barstow繪制的全球海域波浪能流密度（kW/m）［17］

圖3 Cornett模擬的全球海域波浪能流密度（kW/m）［21］

3.4再分析資料階段

隨著觀測技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可用于波浪能資源評估的數(shù)據(jù)越來越豐富，各種再分析資料越來越廣泛地應(yīng)用于該領(lǐng)域。Pontes等［31-32］利用部分浮標(biāo)資料和WAM模式得到的浪場，研究歐洲近岸的波浪能資源分布和季節(jié)變化并繪制圖集。Rusu等［33］曾利用衛(wèi)星資料、浮標(biāo)資料、SWAN模式模擬數(shù)據(jù)，分析了馬德拉群島周邊海域的波浪能資源特征。Reguero等［34］曾利用61 a（1948—2008年）的海浪再分析資料，分析了全球海域波浪能資源的季節(jié)特征、年際變化特征和長期變化，并發(fā)現(xiàn)部分海域的波浪能流密度與北極濤動（Arctic Oscillation，AO）有著密切的相關(guān)（見圖4），這將有利于對波浪能展開預(yù)測。前人的工作對波浪能資源研究做了很大的貢獻(xiàn)，但多是針對能流密度的大小而展開的研究，在實(shí)際的波浪能資源開發(fā)過程中，不僅需要考慮能流密度的大小，同樣需要考慮到波浪能資源的穩(wěn)定性和長期變化趨勢、資源儲量等各方面。作者利用來自ECMWF近45 a（1957年9月—2002年8月）、逐6 h、覆蓋全球范圍的ERA-40波浪再分析（wave reanalysis），從實(shí)用的角度出發(fā)，綜合考慮能流密度的大?。ㄒ妶D5）、能級頻率、能流密度的穩(wěn)定性和長期變化趨勢等，對全球海域的波浪能資源進(jìn)行系統(tǒng)性研究，并構(gòu)建了一套波浪能資源評估系統(tǒng)，填補(bǔ)了波浪能資源評估系統(tǒng)的空白，對全球海域的波浪能資源進(jìn)行等級區(qū)劃［35］，該研究也是初次對全球海域的涌浪能展開分析。

圖4全球海域波浪能流密度與AO的相關(guān)性［34］，彩色區(qū)域表示通過了顯著性檢驗(yàn)

圖5全球海域波浪能流密度（kW/m）

3.5中國海域的波浪能資源

我國科研工作者在海浪資料極度缺乏的情況下，對中國近岸的波浪能資源評估做了很大貢獻(xiàn)。1983年，馬懷書［4］利用海洋觀測資料和船舶報(bào)資料，將中國近海及鄰近海域劃分為332個區(qū)塊，對中國海的總波浪能和總波浪功率展開估算。游亞戈等［7］曾指出南海為我國海域的波浪能資源相對富集區(qū)，渤海較差，但即使在貧乏的海域，波浪能也能夠?yàn)橛^測浮標(biāo)提供充足的電量。褚同金指出［36］，在盛風(fēng)區(qū)和長風(fēng)區(qū)的沿海，波浪能流密度一般比較高。任建莉等［37-38］利用大量的實(shí)測波高，對浙江嵊山海域的波浪能資源進(jìn)行評估，研究發(fā)現(xiàn)該海域的波浪能流密度在0.5—8.8 kW/m，2 kW/m以上的能流密度出現(xiàn)頻率為60%左右，有利于波浪能資源的開發(fā)。王傳崑等［39］利用1960—1969年的海洋站觀測波高和波周期，計(jì)算了我國沿岸的波浪能流密度，發(fā)現(xiàn)我國沿岸理論波功率為7.0×107kW，還發(fā)現(xiàn)我國沿岸波浪能流密度的分布很不均勻，高值區(qū)位于西沙地區(qū)沿岸、福建海壇島以北、臺灣、浙江中部、渤海海峽。Chiu等［40］曾利用浮標(biāo)觀測資料分析了臺灣島周邊海域的波浪能特征，發(fā)現(xiàn)東北部近海為波浪能的優(yōu)勢區(qū)域，大部分海域的波浪能在秋冬兩季未全年最高，僅在臺灣島的西南部近海是春夏兩季的波浪能為全年最高。

海洋觀測資料稀缺是一個全球性問題，也嚴(yán)重限制著波浪能的宏觀選址，大范圍沒有數(shù)據(jù)的地方無法做出資源評估。2010年，作者利用SWAN模式，在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了波浪能資源的數(shù)值模擬，可以對大范圍海域的波浪能進(jìn)行精細(xì)化研究［41］。2011年，作者利用交叉定標(biāo)多平臺合成洋面風(fēng)場（Cross-Calibrated Multi-Platform，CCMP），驅(qū)動目前國際先進(jìn)的第三代海浪模式WW3，模擬得到國內(nèi)首份覆蓋整個中國海、長時(shí)間序列（1988年1月—2009年12月）、高時(shí)空分辨率、高精度的海浪場數(shù)據(jù)；并利用該海浪數(shù)據(jù)，首次實(shí)現(xiàn)了整個中國海域的波浪能資源的精細(xì)化、系統(tǒng)性模擬研究［42］，波浪能流密度的大小見圖6。在波浪能資源的評估中，通常認(rèn)為能流密度大于2 kW/m時(shí)為可用［37-38］，大于20 kW/m的海域被認(rèn)定為波浪能資源的富集區(qū)。這就意味著不同等級波浪能流密度出現(xiàn)的頻率是衡量波浪能資源可開發(fā)程度、豐富程度的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。作者在該研究中將不同等級波浪能流密度出現(xiàn)的頻率定義為“能級頻率”［43］，該定義也得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用［44-46］。綜合考慮能流密度的大小、能級頻率、能流密度的穩(wěn)定性，作者實(shí)現(xiàn)了中國海域波浪能的系統(tǒng)性、精細(xì)化評估。結(jié)果表明：中國海的波浪能流密度具有明顯的季節(jié)特征，除渤海和黃海北部以外的大部分海域的年平均能流密度在2 kW/m以上，南海北部海域四季皆為能流密度的相對大值區(qū)，比傳統(tǒng)的估值2—7 kW/m樂觀。2013年，蔣廷松［45］利用SWAN海浪模式，精細(xì)化地模擬分析了浙江省海域的波浪能資源特征。Liang等［47］曾利用SWAN模式，模擬分析了山東半島近16 a（1996—2011年）波浪能資源的氣候特征。發(fā)現(xiàn)近岸最大的波浪能流密度為296 kW/m，平均的波浪能流密度為5.1 kW/m。

在風(fēng)能開發(fā)過程中，3—25 m/s之間的風(fēng)速有利于風(fēng)能的采集，稱之為風(fēng)能開發(fā)的有效風(fēng)速。2012年，參照有效風(fēng)速，作者定義了波浪能資源開發(fā)的可用波高［42］。目前較好的海浪發(fā)電裝置在波高大于0.5 m時(shí)就可以采集波浪能，波高大于4 m時(shí)容易對波浪能裝置的安全性造成影響，作者將0.5—4.0 m之間的有效波高定義為波浪能資源開發(fā)的可用波高，并統(tǒng)計(jì)了中國?？捎貌ǜ叱霈F(xiàn)的頻率，發(fā)現(xiàn)該頻率整體較高，這就意味著我國的波浪能開發(fā)是樂觀的。該研究對中國海的波浪能資源展開了初步的等級區(qū)劃，發(fā)現(xiàn)我國除渤海和黃海北部以外，大部分海域蘊(yùn)藏著較為豐富的、適宜開發(fā)的波浪能資源，南海北部海域?yàn)槲覈ɡ四苜Y源的相對優(yōu)勢區(qū)域。2013年，作者在可用波高的基礎(chǔ)上，定義了波浪能資源開發(fā)的有效時(shí)間［48］：某一時(shí)刻，如果同時(shí)滿足波高在0.5—4.0 m之間，風(fēng)速小于13.9 m/s（7級），波浪能流密度大于2 kW/m，則將該時(shí)刻視為波浪能資源開發(fā)的有效時(shí)間。目前的海浪發(fā)電裝置在波高大于0.5 m時(shí)就可以較好地發(fā)電，波高大于4 m會產(chǎn)生較嚴(yán)重的破壞力，往往導(dǎo)致儀器損毀，因此本文選擇波高范圍在0.5—4.0 m之間；由于7級以上大風(fēng)具有較強(qiáng)的破壞力，會導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備的損壞甚至損毀，因此本文選擇風(fēng)速范圍在7級以下；通常認(rèn)為波浪能流密度大于2 kW/m時(shí)才可用于發(fā)電，因此對能流密度也作了限制。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)東海和南海大部分海域的有效時(shí)間出現(xiàn)頻率較高，南海北部海域（海南島至呂宋海峽之間的海域）常年為有效時(shí)間的高頻中心（見圖7）。隨著裝置吸波能力的不斷提高、抗風(fēng)浪破壞能力的不斷增強(qiáng)，有效時(shí)間的范圍將不斷擴(kuò)大，該研究得到了我國科技部的認(rèn)可［49］。

波浪能的資源儲量密切關(guān)系到發(fā)電量，馬懷書［4］曾利用海洋觀測資料和船舶報(bào)資料，計(jì)算發(fā)現(xiàn)整個中國近海及周邊臨近海域的總波浪功率為5 740× 108kW，由于資料稀缺，空間分辨率偏低（1°×1°）。2013年，作者利用模擬得到的高時(shí)空分辨率海浪數(shù)據(jù)，首次精細(xì)化計(jì)算了整個中國海單位面積的波浪能資源總儲量、有效儲量、技術(shù)開發(fā)量［50］。2014年，作者對中國海的波浪能資源的中長期變化趨勢展開研究［51］，發(fā)現(xiàn)一個對于我國的波浪能資源開發(fā)非常樂觀的現(xiàn)象：在近24 a（1988—2011年）期間，中國海大部分海域的波浪能流密度表現(xiàn)出顯著性逐年遞增趨勢，見圖8。

圖6　　中國海波浪能流密度（kW/m）［42］

3.6南海島礁海浪發(fā)電

南海自古就是中國的神圣海疆，因地制宜、開發(fā)利用波浪能資源，進(jìn)行海浪發(fā)電、海水淡化等，將有效提高島礁的生存能力、可持續(xù)發(fā)展能力，為我國海洋權(quán)益維護(hù)、軍地海洋建設(shè)提供強(qiáng)有力支撐。

早在2011年，作者就率先對我國西沙、南沙的波候（海浪氣候特征）、波浪能資源展開分析，發(fā)現(xiàn)這兩個區(qū)域蘊(yùn)藏著較為豐富的波浪能資源［52］。2014年，李崇銀等［53］對南海關(guān)鍵島礁的波浪能、海上風(fēng)能進(jìn)行了綜合評估（見圖9、圖10），首次論證了南海島礁海浪發(fā)電、海上風(fēng)力發(fā)電的可行性。通常風(fēng)能密度在50 W/m2以上屬于可用、大于200 W/m2屬于豐富，波浪能流密度在2 kW/m以上屬于可用、大于20 kW/m屬于豐富。由圖9可見，研究海域全年都可進(jìn)行風(fēng)能、波浪能開發(fā)，風(fēng)能甚至一半以上的時(shí)間屬于豐富；由圖10可見，該海域的風(fēng)能、波浪能都穩(wěn)定地來自兩個方向，這就非常有利于資源的采集與轉(zhuǎn)換。此外，李崇銀等［54］還對島礁的海洋環(huán)境特征進(jìn)行精細(xì)化研究，可為島礁開發(fā)建設(shè)的防災(zāi)減災(zāi)、海洋工程等提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：冬季，當(dāng)冷空氣南下至該海域時(shí)，破壞性大大降低，但能量依然很充足；夏季在西南季風(fēng)的影響下，能量充足、穩(wěn)定性好、破壞力弱。整體來看，研究海域的資源豐富、來向穩(wěn)定、惡劣海況稀少，具有資源開發(fā)的“天賦”。Wan等［55］近期利用ERA-interim資料分析了中國近海的波浪能資源，結(jié)果也表明南海蘊(yùn)藏著較為豐富的波浪能。我國釣魚島、黃巖島的海洋能資源、海洋環(huán)境特征的研究成果［56］可為我海洋權(quán)益維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

圖7波浪能資源開發(fā)的有效時(shí)間出現(xiàn)的頻率（%）

4　　展望

圖8中國海有效波高和波浪能流密度的長期變化趨勢

圖9南海某重點(diǎn)島礁的風(fēng)能密度和波浪能流密度的月變化特征［53］

圖10 南海某重點(diǎn)島礁的風(fēng)能和波能玫瑰圖［53］

前人對波浪能資源評估做了很多工作和很大貢獻(xiàn)，但多集中在波浪能的氣候特征分析方面，對波浪能的預(yù)報(bào)、預(yù)測工作開展的較少，而這又密切關(guān)系到波浪能開發(fā)的中長期規(guī)劃、電力調(diào)度等。我們在此展望了未來波浪能資源評估的焦點(diǎn)，期望可以為提高波浪能的采集效率、轉(zhuǎn)換效率提供參考。

4.1涌浪能的利用

由于資料稀缺，以往多是針對混合浪的研究，對涌浪能的研究可謂鳳毛麟角。而在實(shí)際的海洋中，涌浪具有能量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，利于采集與轉(zhuǎn)換，近年來國際上對涌浪發(fā)電的研究正成為新的熱點(diǎn)。作者曾利用來自ECMWF近45 a（1957—2002年）將風(fēng)浪和涌浪分離的ERA-40海浪再分析資料，系統(tǒng)性地評估了全球海域的風(fēng)浪能、涌浪能、混合浪能。但該數(shù)據(jù)的空間分辨率為1.5°×1.5°，分辨率較低，容易將一些重要的島礁、海域遺漏，在未來的工作中，需要對全球海域的涌浪能展開更為精細(xì)的研究。

4.2大范圍、精細(xì)化、系統(tǒng)性

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、并行算法的快速發(fā)展，波浪能的氣候特征分析將向著“大范圍、精細(xì)化、系統(tǒng)性”的方向發(fā)展，可以同時(shí)為波浪能開發(fā)的宏觀、微觀選址提供更為科學(xué)、合理的依據(jù)。以往的波浪能評估多是分析能流密度的大小、能級頻率、可用波高出現(xiàn)的頻率等，在實(shí)際應(yīng)用中還需要綜合分析能流密度的長期變化趨勢和穩(wěn)定性、波浪能資源的總儲量、有效儲量、技術(shù)開發(fā)量等各方面，對資源進(jìn)行系統(tǒng)性評估、等級區(qū)劃。作者曾利用1.5°×1.5°的ERA-40海浪再分析資料，對全球的波浪能資源進(jìn)行等級區(qū)劃，但空間分辨率較低，有的海域并沒有數(shù)據(jù)，因此也就無法劃分資源等級。在未來的工作中，需要對波浪能資源展開更為精細(xì)的等級區(qū)劃。

4.3短期預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)化

短期預(yù)報(bào)可以為波浪能裝置的業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供保障。氣候特征分析可以為波能開發(fā)的選址提供依據(jù)，設(shè)備安裝之后，業(yè)務(wù)化運(yùn)行過程中往往更為關(guān)注資源的短期預(yù)報(bào)，及時(shí)調(diào)整設(shè)備以提高對資源的利用率，同時(shí)為防災(zāi)減災(zāi)提供參考。作者曾以T639預(yù)報(bào)風(fēng)場驅(qū)動WW3海浪模式，在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了整個中國海域的波浪能數(shù)值預(yù)報(bào)，也取得了較好效果［57］。該短期預(yù)報(bào)內(nèi)容主要包括：未來一周中國海逐3 h的波浪能流密度預(yù)報(bào)、未來一周的資源儲量預(yù)報(bào)、站點(diǎn)預(yù)報(bào)等，該方案也為我國波浪能的短期預(yù)報(bào)指明了方向。

4.4資源的中長期預(yù)估

波浪能的長期變化趨勢密切關(guān)系到資源開發(fā)的中長期規(guī)劃、電力調(diào)度等問題，但以往多是計(jì)算歷史的變化趨勢，在實(shí)際的開發(fā)過程中，未來的資源變化趨勢更具有實(shí)際的指導(dǎo)意義，彌補(bǔ)短期預(yù)報(bào)的不足。通常有如下幾種方法可以實(shí)現(xiàn)波浪能的中長期預(yù)估。

方法一：利用CMIP5數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)估。利用CMIP5風(fēng)場預(yù)測數(shù)據(jù)驅(qū)動WW3或SWAN模式，模擬分析未來的波浪能資源分布特征。Reeve等［58］曾利用IPCC的成果，對比分析了1961—2000年、2061—2100年英國康沃爾（Cornwall）近海的波浪能資源。

方法二：利用MJO（Madden-Julian Ocillation）、ENSO等現(xiàn)象輔助波浪能的中長期預(yù)測。Li等［59-60］曾指出東亞冬季風(fēng)的年際變化與ENSO現(xiàn)象有很好的聯(lián)系，El Nino年東亞冬季風(fēng)往往較弱，La Nina年則常常出現(xiàn)強(qiáng)的東亞冬季風(fēng)。李崇銀對ENSO機(jī)理及預(yù)測、南亞夏季風(fēng)等做過系統(tǒng)性研究［61-66］，可以借鑒該成果指導(dǎo)波浪能的中長期預(yù)測。Gulev等［67-68］曾指出太平洋SWH的長期變化趨勢與ENSO現(xiàn)象有很好的聯(lián)系。中國海處于大洋邊緣，風(fēng)浪在混合浪中占了較大比例；大氣MJO的活動對西北太平洋臺風(fēng)的生成有比較明顯的調(diào)制作用。因此，SWH與MJO、ENSO現(xiàn)象之間必定存在著密切聯(lián)系，這就意味著可以利用MJO、ENSO等現(xiàn)象輔助波浪能資源的中長期預(yù)測。

方法三：利用最小二乘法支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Hilbert變換下的瞬時(shí)頻率與瞬時(shí)振幅重構(gòu)預(yù)測法等，對波浪能展開中長期預(yù)測。也可以通過建立統(tǒng)計(jì)模型對波浪能展開預(yù)測。Pinson等［69］曾通過建立統(tǒng)計(jì)模型的方法，對波浪能展開預(yù)測，并在北美13站點(diǎn)處展開驗(yàn)證。

4.5海洋環(huán)境特征

深入研究海洋環(huán)境特征是高效開發(fā)利用波浪能、防災(zāi)減災(zāi)的先決條件［70-72］，同時(shí)也有益于延長波浪能裝置的壽命。在波浪能開發(fā)過程中，需要考慮的要素主要包括水深、海底地質(zhì)、風(fēng)速風(fēng)向和波高波向的季節(jié)特征、大風(fēng)頻率、大浪頻率［73-74］、風(fēng)向和波向頻率、極值風(fēng)速和極值波高等［75-82］。此外，由于海洋環(huán)境的腐蝕性很強(qiáng)，還需要關(guān)注海水的溫度和鹽度。

4.6站點(diǎn)資源評估、預(yù)報(bào)

波浪能的開發(fā)，最終要落實(shí)到具體的站點(diǎn)，這就需要對站點(diǎn)的資源特征進(jìn)行系統(tǒng)性分析。主要包括站點(diǎn)的海洋環(huán)境特征、資源的氣候特征、短期預(yù)報(bào)、中長期預(yù)估、涌浪指標(biāo)（涌浪在混合浪中所占的成分）。此外，作者設(shè)計(jì)了“波能玫瑰圖”，通過該圖可以用于波浪能的氣候特征分析，工程人員可以很容易就掌握：在不同的季節(jié)，波浪能由什么方向的海浪貢獻(xiàn)，“波能玫瑰圖”同樣可以用于資源的短期預(yù)報(bào)，合理調(diào)整裝備狀態(tài)，最大限度的提高對波浪能的采集效率。作者曾對瓜達(dá)爾港的風(fēng)能資源展開評估［83］，在未來的工作中，可對“21世紀(jì)海上絲綢之路”一系列關(guān)鍵島礁的波浪能資源進(jìn)行評估，為海浪發(fā)電、海水淡化等提供輔助決策，將這一系列島礁打造為戰(zhàn)略支撐點(diǎn)，助力邁向深藍(lán)。

波浪能資源的高效開發(fā)利用將有效緩解人類的資源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)。但是，如果過度將波浪能、海上風(fēng)能等海洋動能大面積轉(zhuǎn)化成我們需要的電力，勢必會造成海洋動能攝入減少，從而導(dǎo)致邊界流減弱，由于守恒作用，赤道流系將會呈現(xiàn)減弱或者混合加強(qiáng)的異常情形，從而導(dǎo)致氣候異常的情況產(chǎn)生。因此，需要我們在資源詳查的基礎(chǔ)上，因地制宜，系統(tǒng)性、合理地展開海浪發(fā)電、海水淡化等波浪能資源開發(fā)工作，方可在有效保護(hù)海洋生態(tài)的前提下，提高邊遠(yuǎn)海島的生存能力，同時(shí)也可以為我國的海洋權(quán)益維護(hù)提供支撐，更將有效緩解能源危機(jī)、環(huán)境危機(jī)，促進(jìn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

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中圖分類號：743.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）03-0076-13

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.011

收稿日期：2015-08-16

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（2013CB956200）；國家自然科學(xué)基金（41490642）。

作者簡介：鄭崇偉（1983-），男，工程師，博士，主要從事海戰(zhàn)場環(huán)境建設(shè)、物理海洋學(xué)及海洋能資源評估。E-mail：chinaoceanzcw@sina.cn

通訊作者：李崇銀（1940-），男，教授/研究員，中國科學(xué)院院士，主要從事天氣氣候變化及其動力學(xué)研究。E-mail：lcy@lasg.iap.ac.cn

Review on the global ocean wave energy resource

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，Institute of Atmospheric Physics，the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100028 China；3.Dalian Naval Academy，Dalian 116018 China）

Abstract：The increasingly serious energy and environmental crises have caused serious threat to the survival and sustainable development of human society.The advantages，such as safety，non-pollution，huge storage，wide distribution and renewable，make wave energy resources to be the focus of times.Effective development of wave power generation and seawater desalination will make contribution to the sustainable development of human society.But the instability，seasonal and regional differences also increase the development difficulty.The evaluation of wave energy should be ahead of the resource development.In this study，the advantage and disadvantage of the wave energy resource were analyzed firstly，and then the status of evaluation on the wave energy was discussed.At last，we exhibit the focuses of wave energy resource evaluation in the future，in hope of providing reference for the wave energy development，such as wave power generation and seawater desalination，alleviating the energy crisis and contributing to emission reduction and environmental protection，improving the survivability of remote Islands，thus promoting sustainable development of our military and civilian marine constructions.

Key words：wave energy；resource evaluation；wave power generation；seawater desalination；sustainable development