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。     

海南东方近岸海域海浪观测特征研究

利用海南东方近岸海域2014年至2015年间一整年的海浪观测资料, 分析了海浪的时间变化特征。观测时间段内, 有效波高最大值为4.03m, 平均值0.79m; 平均周期最大值为6.32s, 平均值为3.58s。该海域冬季波高较大, 秋季最小, 常浪向为SSW方向, 强浪向为WSW向。基于该长期观测数据, 文章亦研究了平均周期、有效波高之间的关系, 同时还确立了该海域波高与平均持续时间之间的关系。最后讨论了观测时间段内波浪能流密度的变化特征, 发现一年中能流密度大于2kW·m^-1的频率为26%, 且从全年的计算结果来看, 观测位置处12月的波浪能较适宜开发, 但总体波浪能资源不够丰富。文章对于认识海南东方近岸海域波浪特征以及工程设计都具有重要的意义。     

The temporal and spatial variations in the Pacific wind and wave fields for the period 2002–2011

本文利用第三代海浪模式（WAVEWATCH III）分析了2002-2011年太平洋风速和海浪场的时空变化特征。首先,使用浮标观测数据对模式模拟的有效波高结果进行验证。结果表明模式可以有效地后报太平洋的有效波高。模式偏差较大的区域为中低纬度地区。随后将太平洋分为多个子区域,分别讨论了其风速和有效波高的时空变化特征。多年平均太平洋风速和有效波高存在类似的纬向分布特征,各子区域之间风速和有效波高的季节变化存在差别。模式刻画的太平洋有效波高年际变化最大的区域为南半球中高纬区域。进一步,我们研究了波浪能量的输入与耗散。相应的源函数项的各区域平均值显示了量化的表面波的变化。最后,对日平均的风速与有效波高值进行功率谱分析寻找序列的显著周期。结果表明有效波高时间变化对应的频谱和风速谱具有一定的差异。     

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。     

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。     

太平洋波高熵的分布变化规律研究

使用1992年IO月到1998年12月连续共75个月、230个重复周期的Topex／Poseidon卫星高度计有效波高资料，对南、北太平洋波高熵的空间分布特征和时间变化规律进行了研究。统计分析了太平洋波高熵的多年的空间分布特征和多年各月的时间变化规律。结果表明，太平洋波高熵呈现出中间低、南北高的马鞍形空间分布特征和明显季节变化的规律，与太平洋的平均有效波高和气候分布特征和变化规律相一致。给出了南北太平洋模拟波高熵的计算公式及计算稳定性检验。     

太平洋波高分布及变化规律研究

使用 Topex/ Poseidon卫星高度计 1 992年 1 0月～ 1 998年 1 2月连续 75个月 ,2 30个重复周期的有效波高资料对南北太平洋的有效波高进行了统计 ,分析了太平洋有效波高的多年平均、多年各月平均和多年各季平均的空间分布特征和时间变化规律。结果表明 ,太平洋波高分布具有明显季节变化的规律 ,与太平洋的风速分布特征具有良好的对应关系     

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。     

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。     

大西洋波高熵的分布变化规律研究

使用1992年10月-1998年12月连续75个月、230个重复周期的Topex／Poseidon卫星高度计有效波高资料，对南北大西洋波高熵的空间分布特征和时间变化规律进行了研究，统计分析了大西洋波高熵的多年的空间分布特征和多年各月的时间变化规律。结果表明，大西洋波高熵呈现出中间低、南北高的马鞍形空间分布特征和明显季节变化的规律，与大西洋的平均有效波高、气候的地理分布以及大气活动分布特征和变化规律相一致。     

中国海域波浪能资源分布及波浪能发电装置适用性研究

首先全面综述了国内外波浪能资源开发利用现状,系统总结了目前国内外海洋波浪能资源发电技术中应用的主要波浪能资源开发装置及存在问题;基于ERA-Interim再分析数据,给出了中国海域的平均波浪能流密度和季节特征,从而获取高波能资源分布区域,得到了中国海域波浪能资源分布富集区域;结合不同海岸岸线及海底类型,综合给出了中国波能资源富集区域中发电装置适用建议、高峰发电季节。对提高我国波浪能资源开发利用、推动海洋可再生能源行业的发展具有重要意义,也为实用化、商业化海洋波浪能资源选址提供了科学依据。     

基于T/P卫星高度计资料的台湾岛周边海域风浪的分布和时间变化特征

利用有效波高和风速的3种概率密度函数分布:Rayleigh概率密度函数分布、Weibull概率密度函数分布、Log-Normal密度函数分布,结合TOPEX卫星高度计资料,对台湾岛周边海域的有效波高和风速进行分析比较.结果表明:有效波高的观测资料直方图与Log-Normal概率密度函数分布符合较好;而风速的观测资料直方图与Weibull概率密度函数分布符合较好.台湾岛周边海域的大部分海域以年变化为主,有效波高的平均值在冬季达到最大值,每年12月的平均值最大.每年平均有效波高最大值大多数出现在夏季,春季则是一年中有效波高平均值最小的季节,秋季和冬季则是巨浪出现频率较高的季节.同时,对有效波高平均值的时间序列做傅立叶展开表明,对应周期为1 a变化时的波动能量占每条轨道的波高波动能量的主要分量.     

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。     

基于LAGFD-WAM海浪数值模式的海南万宁近海波浪能资源评估

利用1991—2010年的NCEP再分析风场驱动LAGFD-WAM海浪数值模式,通过数值后报方法,对海南万宁近海海域近20年的波浪场进行了逐时数值模拟,数值模拟结果和实测结果对比的一致性良好。在数值后报数据的基础上计算了万宁近海波浪能流密度和能流密度变异系数,并对其年内变化特点、区域分布特征和稳定性进行了分析。万宁近海年均波浪能流密度3—10 k W/m,属于波浪能资源可利用区和较丰富区。年内各月月均能流密度差别较大,12月波浪能资源最好,5月波浪能资源最差。秋季(9—11月)和冬季(12—2月)月均波浪能流密度分别为5—24 k W/m和6—29 k W/m,春季(3—5月)和夏季(6—8月)分别为3—7 k W/m和1—6 k W/m。地形对波浪能量的辐聚作用明显,受岬角、岛屿、海底陡坡等因素影响,大洲岛、白鞍岛周边、大花角附近及白鞍岛以北部分近岸区域形成波浪能富集区。除9月外,年内其他时段能流密度变异系数都在2.8以下,9月能流密度变异系数在3.0—5.9之间。     

近45 年南海-北印度洋波浪能资源评估

利用 ERA-40海表10 m 风场驱动第三代海浪数值模式(WAVEWATCH-,Ⅲ简称 WW3),得到南海–北印度洋1957年9月~2002年8月的海浪资料,计算该海域的波浪能,分析波浪能流密度的四季分布特征、不同能级出现的频率及波浪能流密度的稳定性,为海浪发电、海水淡化等选址提供依据.研究发现,南海–北印度洋海域蕴藏着较为丰富的波浪能:(1)南海–北印度洋大部分海域的年平均波浪能流密度在2 kW/m 以上,大值区位于南海、孟加拉湾、索马里附近海域.(2)南海–北印度洋海域波浪能流密度大于2 kW/m 和大于4 kW/m 出现的频率都较高.(3)南海–北印度洋的波浪能流密度具有较好的稳定性,春季、秋季、冬季的稳定性好于夏季,南海的稳定性好于北印度洋     

基于SWAN模式的成山头海域波浪能资源评估

采用中尺度大气模式MM5构建渤海、黄海和东海高时空分辨率风场,以此风场驱动第三代海浪数值模式SWAN,得到成山头海域1991年1月至2010年12月较高分辨率的波浪场,计算了成山头海域的波浪能流密度,综合考虑能流密度的大小和10个站位能流密度分级统计的特征等方面对成山头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,为波浪能海上测试场场址的选择提供科学依据。     

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。     

石岛海域海浪数值模拟及特征分析

本文基于SWAN(Simulating Waves Nearshore)模式研究了2001～2016年石岛海浪有效波高的季节和年际变化特征,评估了不同区域风场对其贡献,并探讨了其与ENSO的关系。结果表明,石岛有效波高受黄海季风系统的影响呈现显著的季节变化:12月份最大, 6月份最小, 1%大波有效波高季节变化不显著。石岛有效波高年际变化信号显著,其与风速年际变化之间的关系存在季节性差异:石岛有效波高和石岛、黄海区域平均风速不同月份的年际异常分别在7、10月份相关性较高,而石岛1%大波有效波高和石岛、黄海区域平均1%大风风速不同月份的年际异常则在8月份左右相关性最高。不同区域风场对石岛有效波高场的影响也呈现了季节性差异:夏季,黄海南部区域风场对石岛海浪的贡献较大,而石岛风场的贡献较小;冬季,石岛风场的贡献较大。ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)事件会对石岛有效波高的年际变化产生一定的影响,但影响比较小。本研究旨在对石岛海浪在季节和年际尺度上的变化特征以及风场等影响因素进行研究,对该海域海浪场进行了详细的认识,对了解该海域海浪有重要意义。     

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.     

浙江苍南近岸海域实测波浪特征分析

利用浙江苍南近岸海域一年实测波浪资料,统计分析了波参数特征,采用最小二乘法拟合分析了波参数之间的相关关系,研究波浪平均持续时间和波高的关系,对波浪能进行估算,并分析了台风“利奇马”期间典型台风浪特征。结果表明：研究海域以谱峰周期5～9 s的轻浪为主,年平均有效波高为1.25 m,年最大波高为10.80 m,常浪向为E,强浪向为ENE。特征波高之间具有显著的线性关系,符合典型的瑞利分布。有效波高2.7 m以下的非台风、非寒潮期和4.1 m以上的台风期,波浪平均持续时间随波高的增大呈指数衰减,且有效波高在4.1 m以上的台风期的波浪衰减速率高于有效波高在2.7 m以下的非台风、非寒潮期。台风“利奇马”影响期间,最大波高、谱峰周期、谱峰密度呈现基本同步的先增大后减小的过程,最大谱峰密度为55.10 m²/Hz;台风影响前、后的波浪谱型均呈双峰谱,台风影响最显著期间的波浪谱型呈单峰谱。