1988-2010年中国海域波浪能资源模拟及优势区域划分

基于国际先进的第三代海浪数值模式WAVEWATCH -Ⅲ,以CCMP风场为驱动场,模拟得到中国海域域1988年1月-2010年12月的海浪场。从提高波浪能资源利用效率的角度出发,定义了波浪能资源开发的有效时间,综合考虑波浪能流密度的大小、资源开发有效时间出现的频率、能流密度的稳定性(变异系数)、SWH和能流密度的变化趋势、资源的总储量和有效储量等方面,对中国海域域的波浪能资源进行评估。研究发现:(1)南海北部四季皆为能流密度的大值区,各个季节基本都在8 kW/m以上,秋冬两季更是高达20 kW/m以上。(2)东海和南海大部分海域的波浪能资源开发有效时间出现频率较高。(3)能流密度的稳定性在1月最好,4月和10月次之,7月最差;南海能流密度的稳定性好于其余海域,其中又以南海北部海域的稳定性最好。(4)中国海域域大部分海域单位面积的波浪能总储量在2×104 kW·h/m以上,高值中心分布于南海北部海域,有效储量的分布特征与总储量基本一致。(5)我国大部分海域的SWH和波浪能流密度呈显著的逐年线性递增趋势,SWH的递增趋势为0.5~2.5 cm/a,能流密度的递增趋势为0.05~0.55 kW/(m·a)。(6)我国大部分海域蕴藏着较为丰富的波浪能资源,其中南海北部、台湾以东洋面及琉球群岛附近海域为波浪能资源的优势区域。     

近22年南海波浪能资源模拟研究

利用目前国际先进的第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ(WW3),以CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场为驱动场,对近22年南海的波浪能资源进行模拟研究。综合能流密度大小、能级频率、有效波高(significantwave height,SWH)和能流密度的长期变化趋势以及能流密度的稳定性等各方面,发现我国南海尤其是南海北部海域蕴藏着较为丰富、适宜开发的波浪能资源;并探索性地构建了一套资源评估系统,对南海的波浪能资源进行综合分析,寻找资源的相对优势区域,为海浪发电、海水淡化等波浪能资源开发工作提供科学依据。结果表明:1)南海大部分海域的能流密度在2—16kW m 1,大值区分布于吕宋海峡—中南半岛东南海域一线。2)近22年期间,南海大部分海域的SWH以0.005—0.025m a 1的速度显著性逐年线性递增,大部分海域的波浪能流密度以0.05—0.55kW m 1 a 1的速度显著性逐年线性递增。3)南海大部分海域2W m 1以上能流密度出现频率在60%以上。4)南海大部分海域波浪能流密度各月的变异系数Cv基本都在0.9以内,稳定性较好,大部分海域的月变化指数Mv指数在6以内,季节变化指数Sv指数在4以内。5)南海北部为波浪能资源的相对优势区域。     

中国南海岛礁建设:风力发电、海浪发电

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6~7s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;1 000W/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0.25kW·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2 050kW·h/m2,有效储量为1 722kW·h/m2;波浪能的总储量为84 079kW·h/m,有效储量为66 336kW·h/m。     

经略21世纪海上丝路之海洋环境特征:波候统计分析

文章利用来自ECMWF的ERA-interim海浪再分析资料,统计分析了21世纪海上丝路涉及海域的波候特征,结果表明:1 2月,南海的有效波高(SWH——significant wave height)在1.4m以上,明显大于北印度洋。南海的波向以NE向为主导;北印度洋以偏S、偏E向为主。5月,北印度洋以偏S向浪为主;南海中部为SE向,北部为偏E向。北印度洋的SWH在1.2m以上,明显大于南海。8月,南海—北印度洋以SW向的浪为主。阿拉伯海的SWH在2.2m以上,孟加拉湾为1.4~2.8m;南海的SWH相对最弱。11月,南海的波向以NE向为主,北印度洋以偏S、偏E向为主。南海的SWH明显大于北印度洋。2 2月,南海以偏NE向的浪出现频率最高,需要引起重视的有NE、NNE、ENE向的强浪。北印度洋主要以偏S向的浪为主,强浪出现频率很低。8月,南海—北印度洋以偏S、SW向的浪为主;需要注意的是SSW、SW、WSW向的强浪。3 2月、11月,北印度洋的大浪频率在10%以内,南海明显高于北印度洋。5月,南海—北印度洋在10%以内。8月,阿拉伯海的大浪频率在40%以上,孟加拉湾次之,南海的频率低于北印度洋。4 1979-2014年期间,南海大部分海域的SWH显著性递增,趋势在每年0.4cm/s以上。孟加拉湾、印度半岛西部海域没有显著的变化趋势。阿拉伯海西部、印度洋15°S-0°显著递增,趋势为每年0.1~0.4cm/s。仅部分零星海域表现出显著性递减。     

钓鱼岛、黄岩岛海域风能及波浪能开发环境分析

利用模拟海浪数据、CCMP风场资料,对我国钓鱼岛、黄岩岛附近海域的波浪能、风能资源特征展开研究,为海浪发电、风力发电、海水淡化等资源开发工作提供参考,也期望可为解决我国维护海洋权益、海洋资源开发、在边远海岛驻军、军用/民用舰船在远洋活动的电力、淡水问题提供科学依据和辅助决策。此外本研究还就钓鱼岛、黄岩岛附近海域的风力等级频率、浪级频率、风向频率、波向频率等海洋环境特征进行统计分析,为海洋工程、防灾减灾等提供参考。结果表明:(1)钓鱼岛海域的风能密度呈单峰型月变化特征,年平均值为450 W·m-2,黄岩岛海域的风能密度呈"W"型月变化特征,年平均值为228 W·m-2;钓鱼岛年平均值波浪能流密度为14 kW·m-1,黄岩岛为11 kW·m-1;(2)钓鱼岛、黄岩岛海域的有效风速、可用波高、100W·m-2以上风能密度、2 kW·m-1以上波浪能流密度出现频率都整体较高,这对资源开发是很有利的;(3)1988—2010年期间,钓鱼岛、黄岩岛的风能密度、波浪能流密度整体呈递增趋势,这对风能、波浪能资源的开发也是有利的。(4)从资源的储量来看,钓鱼岛、黄岩岛蕴藏着丰富的波浪能、风能资源,且资源储量比我国沿海平均值丰富。综上,钓鱼岛、黄岩岛海域蕴藏着丰富的、适宜开发的风能、波浪能资源,实行海浪发电、风力发电、风浪联合发电、海水淡化等工作,将具有广阔的军事和经济前景。     

基于ERA-Interim再分析数据的近35年中国海域波浪能资源评估

波浪能是一种可再生能源,对波浪能资源进行可靠的评估是开发利用的前提。本文利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)ERA-Interim 1981-2015年0.125°×0.125°的较高分辨率的海浪场数据,计算了中国海域的波浪能流密度,采用波浪能流密度的富集度频率和变异系数评价了中国海域的波浪能资源,系统研究了波浪能流密度的季节特征及富集度特征。研究表明:(1)我国周边海域波浪能资源呈现非常明显的季节分布特征,秋冬季较丰富、春夏季较贫乏。(2)波浪能资源的丰富的海区为海南岛以东、广东省以南海域(即南海中北部),同时,台湾岛东部海域波浪能资源也较为丰富。(3)波浪能资源相对稳定的区域为台湾岛以东海域和南海中北部海域,其中冬季稳定性最好,夏季最差。(4)综合考虑到波能资源开发的特点,建议选择广东沿岸海域作为波浪能开发的重点海域。     

基于SWAN模式的舟山海域波浪能资源的评估研究

利用ECMWF的ERA-Interim风场数据与GEBCO_2014系列的水深数据,基于近海海浪模式SWAN,对2007年1月—2017年12月舟山近海的海浪开展水平分辨率为0.01°×0.01°的精细化模拟。通过对波功率密度、能级频率、变异系数的计算,并结合有效波高及风场的变化特征,综合分析了舟山海域的波能分布特征、富集程度及稳定状况,从而为舟山海域波浪能资源的开发和利用提供科学依据。结果表明:(1)舟山海域的波浪能分布具有显著的地域和季节性变化特征,其中朱家尖东南方向海域的波浪能在夏季最为丰富,而东极岛东北方向海域的波浪能则在冬季最为丰富,这两个海域的年平均波功率分别为1.97 kW/m和1.73 kW/m;(2)舟山海域波浪能稳定性存在差异,东极岛东北方向的海域在冬季波浪能的稳定性较好,朱家尖东南方向的海域以及象山、岱山等地区的北侧海域在夏季波浪能稳定性最差;(3)东极岛东北方向海域的波浪能丰富程度以及稳定性均为最佳,该海域具有较好的波浪能开发前景。     

1957～2002年南海—北印度洋海浪场波候特征分析

利用ERA-40海表10 m风场驱动第三代海浪数值模式WAVEWATCH-Ⅲ,得到南海—北印度洋1957年9月至2002年8月的海浪场,并分析其波候(风候)特征.研究发现如下主要特征:(1)该海域的波高波向、风速风向受季风影响显著;(2)北印度洋大部分海域的海表风速呈显著性逐年线性递增趋势,大约0.01～0.02 m/(s·a),南海线性递增的区域则较少,有效波高呈显著性逐年线性递增的区域主要集中在低纬度中东印度洋(约0.003～0.006 m/a)、索马里附近海域(大约0.002～0.005 m/a)、南海大部分海域(约0.002～0.004 m/a),线性递减的区域主要集中在孟加拉湾海域(约-0.002 m/a);(3)Nino3指数与南海—北印度洋的海表风场、浪场存在密切的关系;(4)南海—北印度洋的海表风速与有效波高存在5.2a左右的共同周期,南海的海表风速、有效波高还存在2.0a左右的共同周期,北印度洋的海表风速、有效波高还存在26.0a的长周期震荡.     

基于近20年的SWAN模式海浪模拟结果的南海波浪能分布、变化研究

由于南海海域地形复杂,岛屿众多,不可避免的会产生折射、变浅、绕射、波浪破碎、非线性波相互作用等近岸物理过程。因此采用以风场驱动的第三代海浪数值模式SWAN,可得到南海海域1986年1月至2005年12月较高分辨率的波浪场,计算了南海海域的波浪能流密度,综合考虑能流密度的大小和14个站位能流密度分级统计的特征等方面对南海海域波浪能资源进行了研究,寻找该海域波浪能资源的相对优势区域,为建立海上波浪能电站提供科学依据。     

福建沿海海域波浪能资源分析与评价

采用波浪模拟的方法,较准确计算得出福建沿海海域波浪能资源分布状况,并给出相应的分析和综合评价.主要结论如下:(1)福建沿海海域波浪能平均密度为2.6～7.3 kW/m,波浪能资源储量为2 210.45 MW,在我国沿海海域仅次于台湾和广东,是波浪能开发利用可以优先考虑的海区之一.(2)福建沿海海域波浪能资源储量的70%分布于平潭岛以北海域,其值达1 512.49 MW.其中,尤以北礵地区值最大,为378.80 MW.(3)以年平均波高为指标,福建沿海海域中东山区段为三类区,其他区段均为一类区和二类区,具有良好的开发前景.(4)福建沿海海域波浪能具有波功率密度低、资源分布广泛且不均匀、波功率密度随季节变化、能量具有多向性等分布特点.(5)基于福建波浪能的开发与利用现状,建议应优先着眼于解决边远海岛等特殊场所的用电问题.     

Exploitable wave energy assessment based on ERA-Interim reanalysis data—A case study in the East China Sea and the South China Sea

Wave energy resources assessment is a very important process before the exploitation and utilization of the wave energy. At present, the existing wave energy assessment is focused on theoretical wave energy conditions for interesting areas. While the evaluation for exploitable wave energy conditions is scarcely ever performed.Generally speaking, the wave energy are non-exploitable under a high sea state and a lower sea state which must be ignored when assessing wave energy. Aiming at this situation, a case study of the East China Sea and the South China Sea is performed. First, a division basis between the theoretical wave energy and the exploitable wave energy is studied. Next, based on recent 20 a ERA-Interim wave field data, some indexes including the spatial and temporal distribution of wave power density, a wave energy exploitable ratio, a wave energy level, a wave energy stability, a total wave energy density, the seasonal variation of the total wave energy and a high sea condition frequency are calculated. And then the theoretical wave energy and the exploitable wave energy are compared each other; the distributions of the exploitable wave energy are assessed and a regional division for exploitable wave energy resources is carried out; the influence of the high sea state is evaluated. The results show that considering collapsing force of the high sea state and the utilization efficiency for wave energy, it is determined that the energy by wave with a significant wave height being not less 1 m or not greater than 4 m is the exploitable wave energy. Compared with the theoretical wave energy, the average wave power density, energy level, total wave energy density and total wave energy of the exploitable wave energy decrease obviously and the stability enhances somewhat. Pronounced differences between the theoretical wave energy and the exploitable wave energy are present. In the East China Sea and the South China Sea, the areas of an abundant and stable exploitable wave energy are primarily located in the north-central part of the South China Sea, the Luzon Strait,east of Taiwan, China and north of Ryukyu Islands; annual average exploitable wave power density values in these areas are approximately 10–15 k W/m; the exploitable coefficient of variation(COV) and seasonal variation(SV)values in these areas are less than 1.2 and 1, respectively. Some coastal areas of the Beibu Gulf, the Changjiang Estuary, the Hangzhou Bay and the Zhujiang Estuary are the poor areas of the wave energy. The areas of the high wave energy exploitable ratio is primarily in nearshore waters. The influence of the high sea state for the wave energy in nearshore waters is less than that in offshore waters. In the areas of the abundant wave energy, the influence of the high sea state for the wave energy is prominent and the utilization of wave energy is relatively difficult. The developed evaluation method may give some references for an exploitable wave energy assessment and is valuable for practical applications.     

Distribution characteristics of wave energy in the Zhe-Min coastal area

A 10-year（2003–2012） hindcast was conducted to study the wave field in the Zhe-Min coastal area（Key Area OE-W2） located off Zhejiang and Fujian provinces of China. Forced by the wind field from a weather research and forecasting model（WRF）, high-resolution wave modelling using the SWAN was carried out in the study area. The simulated wave fields show a good agreement with observations. Using the simulation results, we conducted statistical analysis of wave power density in terms of spatial distr...     

基于多星融合高度计数据的中国海波浪能资源评估

Wave energy resources are abundant in both offshore and nearshore areas of the China's seas. A reliable assessment of the wave energy resources must be performed before they can be exploited. First, for a water depth in offshore waters of China, a parameterized wave power density model that considers the effects of the water depth is introduced to improve the calculating accuracy of the wave power density. Second, wave heights and wind speeds on the surface of the China's seas are retrieved from an AVISO multi-satellite altimeter data set for the period from 2009 to 2013. Three mean wave period inversion models are developed and used to calculate the wave energy period. Third, a practical application value for developing the wave energy is analyzed based on buoy data. Finally, the wave power density is then calculated using the wave field data. Using the distribution of wave power density, the energy level frequency, the time variability indexes, the total wave energy and the distribution of total wave energy density according to a wave state, the offshore wave energy in the China's seas is assessed. The results show that the areas of abundant and stable wave energy are primarily located in the north-central part of the South China Sea, the Luzon Strait, southeast of Taiwan in the China's seas; the wave power density values in these areas are approximately 14.0–18.5 k W/m. The wave energy in the China's seas presents obvious seasonal variations and optimal seasons for a wave energy utilization are in winter and autumn. Except for very coastal waters, in other sea areas in the China's seas, the energy is primarily from the wave state with 0.5 m≤H s≤4 m, 4 s≤T e≤10 s where H s is a significant wave height and T e is an energy period; within this wave state, the wave energy accounts for 80% above of the total wave energy. This characteristic is advantageous to designing wave energy convertors(WECs). The practical application value of the wave energy is higher which can be as an effective supplement for an energy consumption in some areas. The above results are consistent with the wave model which indicates fully that this new microwave remote sensing method altimeter is effective and feasible for the wave energy assessment.     

北太平洋西部和印度洋东部及其邻近海域表层水体中137Cs的分布

对北太平洋西部海域、苏禄海及印尼海、中国南海、印度洋东部海域、孟加拉湾及安达曼海等表层水体中放射性核素137Cs的活度进行了测定。结果表明,上述海域表层水体中137Cs活度显示了较大的变化范围,最低值出现在南极附近的南大洋(1.1Bqm-3),较高的活度值则出现在北太平洋西部海域及中国南海(3Bqm-3)。在所研究水域范围内,137Cs活度的纬度分布特征并没有完全有效地反映出137Cs的全球理论大气沉降趋势及其纬度效应。综合本研究及Miyake等人(1988)的测定结果,我们计算出137Cs自表层海水中的析出速率在苏禄海及印尼海约为0.016/a,在孟加拉湾及安达曼海约为0.033/a,在中国南海约为0.029/a,这一结果明显低于西北太平洋日本沿海表层水体中137Cs的析出速率。这可能是因为在这些海域,横向及纵向的水体混合过程相对都较慢,而且颗粒物对137Cs的吸附析出过程也比较弱所致。     

海洋混合层深度时空分布及其与风、浪参数的相关性分析

本文应用一个经验证的全球尺度FVCOM海浪模型，模拟了2012年全球海洋海浪场的分布和演变，分析了海表面风场、海浪场与混合层深度的全球尺度分布及相关性。综合观测资料和模型结果显示，海表面10 m风速、有效波高与混合层深度的全球尺度分布随季节发生显著的变化，并且其分布态势存在明显的相似性。从相关系数的全球分布来看，海表面10 m风速在印度洋低纬度海区（纬度0°~20°）与混合层深度间有较强的相关性，相关系数大于0.5；有效波高与混合层深度间相关系数大于0.5的网格分布在北半球高纬度海区和印度洋北部。谱峰周期与混合层深度间在部分海区存在负相关关系，这些网格主要分布在低纬度海区（纬度0°~30°）。统计结果显示，有效波高、海表面10 m风速和谱峰周期与混合层深度间的平均相关系数分别为0.31、0.25和0.12。综合以上结果表明，有效波高较谱峰周期能更有效地表征波浪能对海洋上层混合的影响；相比于海表面风速，有效波高与混合层深度间存在更强的相关关系，其变化对海洋上层混合有更显著的影响。     

山东省周边海域波浪能资源评估

采用第三代海浪模式SWAN对2001-2010年期间山东省周边海域的波浪状况进行了数值模拟。波浪能数值模拟值与台站观测值的比对结果表明模拟值可靠、实用。分析发现山东省周边海域平均波能流密度以2 000W/m以下为主,低于中国南部海域及欧美沿岸波能流密度。选取12个典型代表点,从波能流密度大小、变化特征、稳定性等角度分析了不同代表点的波浪能情况,发现山东周边波能流密度受气候变化影响近10年来呈上升趋势。综合不同区域波浪能大小及需求情况,建议选取山东半岛东部海域、蓬莱外围岛屿近渤海中部海域和渤海中部海域作为波浪能开发利用的首选区域。其中成山头东部海域波能流密度在冬季高达5 000 W/m,在该季节大部分区域可归为一类资源丰富区。基于此,建议开发利用中小规模的波浪能供电设备或供电设施。     

1988—2009年中国海波候、风候统计分析

利用高精度、高时空分辨率、长时间序列的CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform)风场,驱动国际先进的第三代海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ(WW3),得到中国海1988年1月～2009年12月的海浪场。对中国海的波候(风候)进行精细化的统计分析,分析了海表风场和浪场的季节特征、极值风速与极值波高、风力等级频率和浪级频率、海表风速和波高的逐年变化趋势,结果显示:(1)中国海的海浪场与海表风场具有较好的一致性,尤其是在DJF(December,January,February)期间;海表风速和波高在MAM(March,April,May)期间为全年最低,在DJF期间达到全年最大;MAM和JJA(June,July,August)期间,中国海大部分海域的波周期在3～5.5s,SON(September,October,November)和DJF期间为4.5～6.5s。(2)中国海极值风速、极值波高的大值区分布于渤海中部海域、琉球群岛附近海域和台湾以东广阔洋面、台湾海峡、东沙群岛附近海域、北部湾海域、中沙群岛南部海域。(3)吕宋海峡在MAM、SON、DJF期间均为6级以上大风和4m以上大浪的相对高频海域,JJA期间,6级以上大风的高频海域位于中国南半岛东南部海域,4m以上大浪主要出现在10°N以北。(4)在近22a期间,中国海大部分海域的海表风速、有效波高呈显著性逐年线性递增趋势,风速递增趋势约0.06～0.15m.s-1.a-1,波高递增趋势约0.005～0.03m.a-1。     

Hydrodynamic Response and Power Performance of A Heave and Pitch Buoy Wave Energy Converter Under Bimodal Ochi-Hubble Wave Spectrum

In coastal sea areas with the bimodal Ochi-Hubble wave spectrum, such as parts of the China Sea and Indian Ocean,wave energy is the superposition of wind wave and swell. Traditional heaving buoy wave energy converters developed with narrowband wave spectrums suffer from big energy loss in these areas, leading to lower power absorption efficiency and higher generating costs. In contrast, multi-freedom buoy has different resonant frequencies and maximal power capture wave frequencies in different ...