南海海域波浪能资源模拟评估

席林通,李醒飞,宋龙江,杨少波,黄贞贞

（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.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛266003；3.天津大学 青岛海洋技术研究院，山东 青岛266200；4.广州大学 化学化工学院，广东广州510006）

0 引言

海洋面积约占地球总面积的70%，而我们赖以生存的陆地仅占地球总面积的30%左右。随着人口的不断增长和陆地资源的不断消耗，资源短缺和环境恶化问题将会日益严峻，因而我们势必走上经略海洋、开发海洋的道路。据了解，海洋中除了含有大量石油、天然气等海洋矿产资源和海洋生物资源以外，还拥有丰富的海洋动力资源，例如潮汐能、海流能以及波浪能等。近年来，波浪能引起了国内外学者的广泛关注，主要是因为波浪能是一种可再生、储量丰富、清洁环保的能源，并且它在海水淡化和海洋能发电方面，具有很高的研究价值，对于缓解目前资源短缺的现状意义重大[1]，[2]。

我国的南海是21世纪海上丝绸之路的关键区域，而且该区域蕴含丰富的海洋资源，因此，本文主要针对南海海域进行波浪能资源评估。由于卫星高度计可全天候实时提供数据且具有受环境影响小的特点[3]，[4]， 我们将T/P（TOPEX/POSEIDON）卫星高度计的测量数据作为实测数据和WW3模式模拟数据进行有效性检验，计算有效波高的相关参数，得到参考位置有效波高的最大偏差不超过0.115 m，相关系数均在0.9左右，证明了模拟数据可以代替实测数据用作波浪能评估。通过对波浪能流密度、变异系数、能级频率和波浪能资源有效储量等参数进行定量计算和定性分析，发现南海波浪能资源丰富，适宜波浪能资源的开发和转化，本文的研究可以为今后进行大尺度评估波浪能资源提供参考数据。

1 波浪模型

1.1 WW3模式简述

WW3（WAVE WATCH-III）是美国NOAA/NCEP的MMAB（Marine Modeling and Analysis Branch）研制开发的第三代海浪模式，也称深水大洋模式，具有高精度和高稳定性特点，主要适用于研究大范围和深海域的波浪演化[5]，[6]。在第一代和第二代海浪数值模式的基础上，WW3模式对控制方程、数值方法以及程序结构进行了改善。在WW3模式中，若不考虑流对平均动能的影响，此时波浪能守恒；若考虑其对平均动能的影响，波浪能将不再守恒。一般认为，波作用量是守恒量，因此，波作用密度谱N为

式中：F（k，θ）为波数-方向谱；k为波数，m-1；θ为波向，rad；σ为固有频率，Hz。

波浪的传播控制方程为

式中：t为时间，s；S为源函数项；R为地球半径，m；Cg为群速度，m/s；Uφ和Uλ分别为φ和λ方向上的平均海流矢量，m/s；λ和φ分别为经、纬度；θg为沿大圆传播的矫正项。

在WW3模式中，源函数项的参数选取多种多样，但一般情况下要考虑风浪相互作用项Sin，波-波非线性相互作用项Snl，耗散项Sds和底摩擦项Sbot，则源函数项的计算公式为

1.2 CCMP风场简述

CCMP风场是美国国家航天局的物理海洋数据中心结合多种风场资料利用变分同化分析方法研制的风场产品，CCMP风场的空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为6 h，模拟范围为78.375°S～78.375°N，0.125°E～359.875°E，时间跨度为1987年-现在[7]，[8]。本文利用CCMP风场对我国南海海域进行波浪能资源评估，模拟的地理范围为104.125°E～124.125°E，4.125°N～26.125°N，模拟的时间跨度为2008年1月1日0时-2017年12月30日18时，仿真计算的时间步长为900 s，每3 h输出一次结果。

2 模型验证

图1为南海水深地形图，其中P1～P6为参考位置，P1（6°N，107°E），P2（8°N，109°E），P3（10°N，111°E），P4（12°N，113°E），P5（16°N，114°E），P6（18°N，116°E）。6个参考位置处在模拟海域的对角线，从浅海经南海中北部热带气旋区到东沙群岛重要海区，基本跨越整片海域，所选位置极具代表性，可以更好地验证模型的准确性。本文利用T/P卫星高度计测量的波高数据作为实际值，用WW3模型计算的数据作为模拟值，由于数据空间分辨率为0.25°×0.25°，因此利用参考位置的模拟有效波高与高度计反演的数据进行了有效性检验。

图1 南海水深地形图Fig.1 Bathymetric topographic map of the South China Sea

表1为南海6个参考位置的有效波高相关参数。从表1可以看出，有效波高的偏差（Bias）不超过0.115 m，出现4次负偏差说明模拟的平均值小于实际的平均值，6个位置的根均方误差（Root Mean Square Error，RMSE）为0.354～0.501 m，相关系数（Correlation Coefficient，CC）均为0.9左右。

表1 有效波高相关参数Table 1 Relevant parameters of significant wave height

选取3个参考位置对模拟波高和实际波高进行对比分析，结果如图2所示。从图2可以看出，模拟值和实际值有良好的一致性，因此，在南海海域使用CCMP风场驱动WW3模式可对有效波高进行准确地模拟，并对波浪能资源进行精确地评估。

图2 参考位置的实际波高和模拟波高对比结果Fig.2 Comparison results of actual and simulated significant wave height at the reference position

3 模型结果分析

3.1 波浪能流密度的季节分布特征

通常情况下用波浪能流密度的大小来表示某个地区的波浪能资源的富集程度，波浪能流密度Pw的计算公式为[9]

图3 四季的平均波浪能流密度分布特征Fig.3 The distribution characteristics of the average wave power density in four seasons

从图3可以看出：平均能流密度分布表现出明显的季节差异，由于受到冬季风的影响，冬季的平均能流密度为全年最大，其次是秋季，夏季和春季；在冬季，东沙群岛和中部海域的平均能流密度较其周边海域高，东沙群岛附近海域的平均能流密度的最大值甚至超过了30 kW/m；在秋季，东沙群岛的平均能流密度的最大值超过了20 kW/m，并且从东沙群岛向西南方向延伸，平均能流密度呈现出逐渐减小的趋势；在夏季，平均能流密度大值区主要集中在东北部小范围海域，但大部分海域的能流密度在4 kW/m以上，最大值达到了10 kW/m；春季是季风转换的过度季节，因此春季的平均能流密度较其他季节小，且从东沙群岛经中沙群岛到南沙群岛附近，平均能流密度呈现出明显的带状分布，最大的平均能流密度为10 kW/m。总体来看，平均能流密度大值区主要分布于南海中北部地区、台湾岛附近以及东沙群岛附近海域，低值区分布于北部湾和曾母暗沙附近海域。

3.2 波浪能流密度稳定性

通过分析波浪能流密度的稳定性，可以为波浪能开发和勘测提供可靠性依据。波浪能流密度的稳定性通常用其变异系数来表征，其变异系数越小，则波浪能流密度越稳定。稳定的波浪能有利于被开发装置采集转换[10]，而不稳定的波浪能可能会毁坏波能转换设备，并造成不必要的财产损失。波浪能流密度变异系数CV（Coefficient of Variation）的计算式为

图4 四季的平均波浪能流密度变异系数分布特征Fig.4 Variation coefficient of average wave power density in four seasons

从图4可以看出：平均波浪能流密度变异系数的分布表现明显的空间差异和季节差异，而且秋季和冬季的平均波浪能流密度相对较为稳定；春季的平均波浪能流密度变异系数为1.0～2.0；在夏季，60%海域的平均波浪能流密度变异系数不超过1.5；在秋季，90%海域的平均波浪能流密度变异系数为1.0～1.5；在冬季，70%海域的平均波浪能流密度变异系数都在1.0以下。纵观四季的平均波浪能流密度变异系数的空间分布，可以发现，春季的波浪能流密度的稳定性最差，可能是春季处在季节转换时期，不时受到冷空气影响所致；因为时常受到强烈冬季风的影响，冬季的平均波浪能流密度变异系数相对小于其他季节，其波浪能流密度的稳定性最高，因此，在冬季可进行稳定的波浪能开发和转换。

3.3 可用波高概率

有效波高大于1.3 m为可开发（可用），有效波高大于4 m时具有一定的破坏能力，可能破坏波能转换设备，因此，可用波高的范围被定义为1.3～4 m[11]，[12]。南海海域2008-2017年四季的可用波高概率分布如图5所示。从图5可以看出：整体来看，可用波高概率的空间分布表现出明显的季节特性，秋冬季节相对其他季节存在明显优势，大值区主要集中在东沙群岛附近以及台湾岛周边海域，低值区主要分布于北部湾以及曾母暗沙附近海域；在冬季，大部分海域的可用波高概率均在70%以上，最大甚至超过80%；在秋季，大部分海域的可用波高概率达到了45%；夏季和春季的可用波高概率的整体水平较冬季和秋季有所减小，其中夏季的最大可用波高概率达到了45%，大部分海域的可用波高概率为30%；在春季，大部分海域的可用波高概率为20%～45%。

图5 四季的可用波高概率分布Fig.5 Occurrence of seasonal exploitable significant wave height

3.4 波浪能有效储量

在波浪能的开发和转换中，波浪能有效储量极具实际的工程应用价值，这也直接关系到波浪能的输出效率。波浪能有效储量的计算公式为[13]

本文计算了南海海域2008-2017年四季的平均波浪能有效储量，结果如图6所示。通过图6可知：平均波浪能有效储量的空间分布表现出明显的季节特性，由于受到冬季风的影响，冬季的平均波浪能有效储量的总体水平比其他季节大；平均波浪能有效储量的大值区集中在台湾岛东南海域和中沙群岛邻近水域，并在东北-西南方向呈现出明显的带状分布，东沙群岛附近海域的平均波浪能有效储量最大，最大值达到了50 MW·h/m，低值区为北部湾、曾母暗沙和泰国湾邻近海域；秋季的平均波浪能有效储量相对冬季有明显的减小，但中北部海域也基本保持在24 MW·h/m；夏季和春季的平均波浪能有效储量相对较小，其中，夏季大部分海域的平均波浪能有效储量维持在3 MW·h/m以上；春季的平均波浪能有效储量是全年最低的，大值区主要分布在台湾岛东南部海域，最大值可达10 MW·h/m，但南沙群岛以南海域以及边缘零星海域的平均波浪能有效储量均不足2 MW·h/m。综上可知，南海海域的波浪能资源丰富，适宜波浪能的开发；冬季是波浪能开发的最佳季节，且中北部海域、东沙群岛附近以及台湾岛周边海域为开发的优势区域。

图6 四季的平均波浪能有效储量分布特征Fig.6 The distribution characteristic of average wave energy effective storage

4 结论

本文利用CCMP风场驱动WW3模式对南海海域四季的波浪能资源进行了评估，得到如下结论。

①南海海域的波浪能分布表现出明显的季节及空间分布特征，大值区主要集中在中北部海域、东沙群岛和台湾岛邻近海域，而低值区主要分布在北部湾、曾母暗沙以及泰国湾周边海域；在冬季，平均波浪能流密度和波浪能有效储量均比其他季节有明显的优势，且冬季的大部分海域的平均波浪能流密度超过了20 kW/m，平均波浪能有效储量最大达到了50 MW·h/m；虽然春季的平均波浪能流密度和波浪能有效储量的总体水平表现为全年最低，但是，大部分海域的平均波浪能流密度也在3 kW/m以上，平均波浪能有效储量也超过2 MW·h/m。

②通过分析波浪能流密度的变异系数发现，冬季的波浪能流密度比其他季节稳定且大部分海域的变异系数均在1.0以下，因此冬季宜进行稳定高效的波浪能开发。

③南海海域的波浪能资源丰富，适宜波浪能的开发，冬季可作为波浪能稳定转换和开发的最佳季节，且南海中北部海域、台湾岛东南部海域以及东沙群岛附近海域可以作为资源优势区域。