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全球海洋波浪能资源评估（1957-2002）
摘要
在当前世界面临能源危机的背景下，人类面临着环境和资源问题。发展清洁能源成为解决问题的必然选择。人类重新分析了欧洲数据中心（ECMWF）1957年至2002年的ERA-40波再分析数据。在开发波能源的过程中，人类不仅定义了有效波高（简称SWH）,还在尝试计算波能源的总潜力。综合考虑波能量密度，波能级频率，有效波高的频率，波能密度的稳定性，长期发展趋势，涌浪指数和波能存储量，人类对全球海洋波浪能资源进行重新分析和区别，为波能发电站的选址、海水淡化、供热、抽水等波浪能资源的开发提供参考。
关键词：全球海洋，波浪能资源，有效浪高，波能存储，等级划分。
- 引言
现如今，许多国家和地区都面临着能源危机，人类困扰于环境和资源问题。为了应对能源危机，充分开发利用清洁资源是一种理想的选择，也是很多国家的共同战略。目前，风能和太阳能的利用正走向工业化和规模化，但这些都受到地理因素的限制。核能是一种有效的能源，但也容易受到自然灾害和人类的影响。例如，2011年3月日本海啸造成的核泄漏以及1986年由于人为操作失误引起的切尔诺贝利核灾难。海洋能源的开发和利用还处在初级阶段，与核能相比，海洋能源具有无污染、可再生、储量大、分布广的特点，是一种安全能源，但它的不稳定性也增加了开发的难度。
波浪发电是发展利用波能资源的主要方式，是发达国家追求的高科技之一。2011年1月，李克强副总经理访问英国时，英国最具特色的高科技成果就是波浪发电。波浪发电设施正在为海水养殖、海洋天气浮标、石油平台、灯塔和岛屿提供电力。此外，波浪能还可用于其他许多方面，比如海水淡化，加热，泵送和产氢。如今，世界上许多国家和地区的电力和淡水资源非常匮乏，特别是中东和许多偏远的岛屿，中国的永暑礁就是这种情况。对于跨大陆旅行，只有通过船只供应能源和淡水。因此，海洋波浪能发电和海水淡化技术的发展将有效缓解电力和淡水危机，促进人类可持续发展，在重要的军事和经济价值上也具有广阔的前景。研究人员利用有限的海洋船舶报告数据和浮标数据分析了20世纪70年代以来全球沿岸波浪能密度的分布，Hulls（1977）指出，世界波浪能主要集中在北大西洋东北部，北美太平洋西海岸，澳大利亚南海岸，南美洲智利南部以及南非的西南海岸。Denis（1986）提供了全球波能量的密度分布状况。随着海洋勘测技术的发展，尤其是海浪数值模式的进步，越来越多的海洋浮标数据、卫星检索数据、数值模型数据和观测数据被广泛应用于波浪能资源的评估中。先进的数值波浪预报模型也适用于近海岸。利用部分浮标数据和WAM数据，Pontes（1998）研究了欧洲波浪能密度的密度和季节变化，并绘制了图谱。基于卫星高度计数据反演浮标站SWH和波能量循环的关系，Barstow（1998）计算了全球海岸数百个地震波能量密度，得到了全球沿海波浪能量图。近年来，国际上越来越重视波浪能的研究和开发。可再生能源中心（CRES）2002年研究了全球波浪能资源，并表明波浪能主要分布在南非南部海域以及澳大利亚和新西兰的周边海域。Cornett（2008）通过波浪模型NWW3模拟了1997年至2006年的全球波场，然后演算了全球波能密度的分布和变化。Folley、Whittaker（2009）、Lglesias和Carballo（2010）使用第三代波浪模型Mike 21 NSW和SWAN分析了苏格兰近海和西班牙近岸波浪能量密度的变化规律。Roger（2009）通过第三代波浪模型WW3成功预测了太平洋东海岸的波浪能量密度，取得了良好的模拟效果。郑等人分别在2002年和2003年利用CCMP（交叉校准，多平台）驱动的WAVE WATCH-Ⅲ（WW3），对近22年（1988-2009）的中国海洋波浪能资源进行了模拟研究，发现南海北部的波浪能源比中国其他地区更丰富。
波浪能源利用有两个关键点：波浪能源的技术潜力和评估。前人对推动波浪能源评估研究做出了巨大贡献。但先前的研究大多数只是根据波能量密度的值来确定波能量的丰富度，而稳定性、长期变化趋势、波能级频率、有效波高和能量存储在波资源的开发过程中同样值得注意。以前的研究大都以混合波为基础，对涌浪能的研究很少。涌浪能具有能量高、稳定性好的优点，这有利于波能的收集和转换。最近，一家澳大利亚公司在使用涌浪能源产生电力的技术上取得了良好的成果，这使得对涌浪能源的研究成为世界新的热点。
本研究中使用了ERA-40波再分析数据，其中1957年9月至2002年8月的数据被分离成风浪和涌浪，同时定义了SWH，并且定量计算了全球海洋中波浪能源的总潜力。综合考虑波能量密度、波能级频率、有效波高频率、稳定性、波能密度的长期变化趋势、波能涌浪指数和波能存储量，人类创造性地建立了波浪能资源评估系统，世界各地的波浪能资源因此得到了分类。为波浪发电和海水淡化等波浪能源开发利用提供了科学依据，从而起到了缓解作用。
2.数据
本文使用的数据是ECMWF的ERA-40波再分析数据，它是第一种通过耦合波浪模型（WAM）和同化观测数据的模拟结果产生的再分析产物。空间范围为90°S-90°N，180°W-180°E，时间范围为1957-09-01-00：00-2002-08-31-00：00，空间分辨率为1.5°times;1.5°，时间分辨率为6h。这些数据最突出的特征和优点就是将风浪和涌浪分离。ERA-40波再分析数据被许多国家的研究人员广泛运用于全球海洋的波特性分析中，特别是北大西洋和南北太平洋。
3.全球海洋能量资源评估
参考US EPRA（Electric Power Research Institute电力研究所）的波能密度算法（Hagerman,2003;Roger,2009），本文利用近45个ERA-40波再分析数据计算了全球海洋能量密度数据。
PW=0.5H2 13T （1）
其中Pw是波能量密度；H13有效波高（SWH）；T是平均周期；根据组合方程（1）和ERA-40波再分析数据，我们计算出1957年至2002年每6小时的全球海浪能量密度，包括风浪，涌浪和混合浪。
3.1波能量密度的季节特征
通过计算1957年9月至2002年8月每6小时收集的波能量密度的季节平均值数据，本文分析了全球海洋能量密度的季节特征，包括风浪，涌浪和混合浪。
风浪能密度的特征（图1）：MAM（3月，4月，5月）期间，风浪能密度的大值区主要位于两个半球西风带下值为15-30kw/m的区域中。JJA（6月，7月，8月）期间，北半球的波能量密度值通常较低，大多低于5kw/m。在西风衰弱的影响下，北大西洋和北太平洋东北部地区出现超过5kw/m的大值。南半球风浪能的密度明显高于北半球，北半球相对值较大的区域是索马里附近的水域，约15kw/m。最值得注意的是位于南半球西风下20-45kw/m的大值区，最大值出现在印度洋南部的“咆哮西风”之下。SON(9月，10月，11月)期间，南半球和北半球西风带有大值区域，分别在10-45kw/m和5-20kw/m之间.DJF期间（12月，1月，2月）期间，风浪能密度的大值区集中在两个半球受西风影响的水域中，由于北半球西风带显著增强，太平洋中北部的最大能量密度高于30kw/m，甚至在北大西洋中部达到50kw/m。在冬季季风的影响下，东海和南海也会有一个超过10kw/m的大值区。对于年平均值而言，最大值集中在南半球和北半球西风带影响的水域中，其中南半球南极附近的带状高值区明显大于北大西洋和北太平洋的高值区，而北大西洋的值远高于北太平洋。索马里的东部有一个相对高值的区域，我国受一小块季风影响的南海和东海海域也有相对高值区。
涌浪能密度的特征：MAN,SON和DJF期间，涌浪能密度的大值区域主要位于北半球和南半球的西风带区域，JJA期间，南半球的西风是如此的强烈，以至于南半球的高纬度地区出现大面积的环状极大值区域。随着西风的流动，南印度洋和澳大利亚波浪能密度的最大值可达70-80kw/m，并且呈现向北的扩散趋势。北半球波浪能密度一般小于南半球，在太平洋和北大西洋中东部会出现一个密度大于10kw/m的大值区。DJF期间，南半球西风的强度减弱，而北半球的西风则增强，根据相同的原理，波浪能密度的相对大值区出现在北大西洋和北太平洋的中东海域，在60-70kw/m以上。此时，南半球极地波浪能密度减弱到约40kw/m。类似于风浪能，涌浪能长期平均密度的大值区主要集中在两个半球受西风影响的水域中。南半球南极周边地带的密度约为40-60kw/m，明显高于北大西洋和北太平洋（30-40kw/m）。
混合浪能密度的特征：混合浪能密度的分布特征和涌浪能相似。
只从波浪能密度的值来判断，大值区出现在北大西洋和太平洋东北部，北美西部海岸，澳大利亚南部海岸，智利和南非西南海岸，这与Tornkvist（1975）和Hulls（1977）的得到结果一致。
图1.45年全球海洋MAM（a），JJA（b），SON（c），DJF（d）风浪能密度和年平均值（e）。
图2.全球海洋MAM，JJA，SON，DJF涌浪波能量密度、混合浪能量密度及年平均值。
3.2涌浪指数
涌浪指数越大，混合浪中涌浪的比例越大。涌浪指数计算公式：
S=ES/Et。 （2）
其中，S是涌浪指数，ES是涌浪能，Et是风浪能和涌浪能的总和。实际上涌浪总是表现出惊人的破坏力，这会导致船只停滞，下沉等现象。从而严重损害船只，甚至导致船只分解。近年来，由于涌浪能的逐渐稳定，人们将注意力越来越多地放在了涌浪发电的研究开发中。涌浪能丰富，并且稳定性好，有利于收集。通过选取涌浪占主导地位的海洋，将大大提高WEC的研究效率。根据Chen（2002）和Deng（2007）等人的涌浪指数算法，人类计算出1958年至2001年MAN，JJA，SON和DJF全球海域的涌浪指数（略）。
全球大部分海域的涌浪指数全年均在0.8以上，这意味着涌浪在混合浪中占据主导地位。涌浪能具有良好的稳定性，有利于涌浪能的收集、转换波能和发电。
在全球范围内，海洋中部的涌浪指数总是高于沿岸，东海岸的指数高于西海岸，北半球和南半球西风带的涌浪指数全年相对较低。Chen等人通过同步卫星高度计观测到风速和有效波高等数据，研究了风浪和涌浪的全球分布情况，发现位于太平洋，大西洋和印度洋东海域的三个地区形成明显的涌浪优势区，称之为“涌浪池”。本文中也发现了三个涌浪池，但它们的面积都大于Chen（2002）等人发现的涌浪池面积。
3.3波能密度的稳定性
Cornett（2008）指出，评估波浪发电厂位置时，必须考虑数据的分散程度和稳定性。稳定的波能密度有助于波能的转换，不稳定的波能密度不仅会降低转换率，还可能损坏发电设备。为了评估波能密度的稳定性，本文利用1957年9月至2002年8月每6小时收集到的波能密度数据，计算了不同月份波能密度（风浪、涌浪、混合浪）的网络变异系数（Cv），Cv越小，波能密度越稳定。Cv计算公式如下：
Cv=ds/ （3）
其中x是平均波能密度，ds为标准偏差。
无论是DJF（以1月份为例，下同）JJA（以7月份为例，下同），全球海域风浪能Cv值范围从1到5（略），其稳定性总体较差。在赤道印度洋，赤道西太平洋和30°N至30°S的亚热带海域，变异系数大于2.0。夏季半球风浪能的变异系数高于冬季半球（图略）。
MAN，JJA，SON和DJF期间，全球大部分海域涌浪的变异系数低于1.0，明显低于风浪的变异系数。相对低值区分布在30°N和30°S之间，太平洋，印度洋和大西洋的热带地区。相对高值区主要分布在南北半球西风带影响的海域，但Cv在1.0以上的地区一直分布在西北太平洋和西北大西洋海域的部分区域。南大西洋的Cv总是低于1.0。
结果表明涌浪能明显比风浪能更加稳定。中纬度海域的涌浪能稳定性高于高纬度海域，东部沿海的稳定性优于西部沿海的稳定性。混合浪能量密度的稳定性分布（图略）与涌浪能密度稳定性分布一致。稳定的涌浪能量密度将有助于电网连接和波能转换。同时，混合浪中占主要部分的涌浪有助于全球波浪资源的开发利用。
3.4能级频率
能级频率是判断波能资源丰富度的重要标准。一般来说，波能密度大于2kw/m时，能够被利用，波能密度大于20kw/m的区域被认定为富裕地区（Zheng和Zhou，2012；Zheng等人，2012），例如欧洲北海。本文基于1957年9月至2002年8月每6h收集的ERA-40波再分析数据，统计确定了混合浪能密度大于2kw/m（略）和大于20kw/m的概率。
全球海洋中，90%区域的波能量密度大于2kw/m（图略）。这意味着全球大部分海洋都拥有可开发的波浪能源。能量密度大于20kw/m的高频概率位于南太平洋的中纬度西风带（全年超过90%）。北半球高频概率集中在北太平洋和北大西洋东部（约60%-80%）。南部海海域能源密度超过20kw/m的频率明显高于北部海域。中东部海域能量密度超过20kw/m的能级频率明显高于西部海域
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