中国大陆沿岸波浪能分布初步研究

王绿卿，冯卫兵，唐筱宁，龚政

（1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.海军工程设计研究院 工程综合试验中心，山东 青岛 266100）

1 引言

波浪能作为一种可持续、重复利用的清洁能源，被越来越多的人所重视，在燃料能源日渐匮乏的背景下，诸多国家加大了对波能发电的研究力度，各国的研究团队相继开发出了各种波能转化技术及装置［1－2］，有些国家已经开始采用波能发电设备向国家电网供电，初步实现了波能发电的商业化发展，如英国的Islay岸基式波能发电站（2000年，发电量0.5MW），该电站已并入国电网，可满足500户家庭的用电需求①http：//www.reuk.co.uk/Islay－Wave－Power－Station.hhm。

根据相关研究②Cornett A M.A global wave energy resource assessment，Paper No.ISOPE－2008－579.，全球范围内波能较大区域位于南、北半球纬度30°～60°之间盛行西风的海域带。中国沿海海域位于北太平洋西部，在亚欧大陆的遮挡下，受西风带影响较小，另据文献［3］介绍，中国沿海的波能功率密度基本在2～7kW/m之间，属于波能较低的海域。

中国大陆沿岸波能储量较弱，在发展中国的波能发电产业时应当紧密结合本国海域的波能实际分布规律，严格论证项目选址可行性，合理选择波能转化装置，避免盲目投资带来的巨大浪费。

本文基于上述情况，采用数值模拟方法对中国沿岸的波浪能分布情况进行了初步研究，通过研究初步明确了中国沿岸－30m等深线上的波浪能空间分布，并得出了波浪能在不同季节的分布趋势，研究成果可为波能发电场的选址提供合理的评估依据。

2 波能储量研究方法

数值模型法在波浪能储量估算领域应用广泛［4－7］，已成为学术界研究波浪能分布规律较通用的方法。数值模型法是指采用合适的波浪数值计算模型，对研究海域的波浪条件进行多年后报模拟，通过数值模拟获得研究海域的波高、周期、波向等数据，基于上述数据可由波能计算公式得到波浪能储量，从而实现对波能储量分布的研究。

目前，见诸文献较多的波浪计算模型主要以第三代波浪模型为主，如WAM、WAVEWATCHⅢ（下文简称 WW3）和SWAN（Simulating Wave Nearshore）等，其中WW3和SWAN被诸多国际研究机构采用作为波浪预报及后报的计算平台，模型的计算精度也在诸多研究项目中得到了验证③Paul A Wittmann.Implementation of WAVEWATCHⅢat Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center.OCEANS.MTS/IEEE Conference and Exhibition（Volume 3），zoll：1474－1479.，限于篇幅，本文不再详细介绍关于波浪模型的相关知识，可参考相关文献。

3 波浪能计算

在评估波浪能储量时通常使用波能功率密度作为衡量某一水域波能储量的指标，理论上波能功率密度P等于作用于与波浪前进方向正交的垂直平面上的液体动压强p和水质点通过这个平面的速度u的乘积，在深水条件下的波功率密度计算可用下列简化公式计算：

式中，Te为波能周期，Te可用波谱的不同阶矩求得

为方便实际应用，有学者采用了较为简洁的系数法，由已知的特征波周期求波能周期，

Tp为谱峰周期，当波浪谱型为JONSWAP谱，且谱峰因子γ＝3.3时，α＝0.9，本文在计算波能周期时采用该系数。

4 WW3模型简介及设置

研究采用了两级嵌套波浪模型，低精度大范围模型为北半球波浪模型，高精度小范围模型为中国沿海海域波浪模型，模型中采用的地形数据来自高分辨率（2′×2′）全球地形数据库ETOPO2，陆地岸线则根据GSHHS高分辨率岸线数据库确定。北半球波浪模型纬度范围为0°～55°N，经度范围环全球，网格精度为30′×30′，中国沿海波浪模型纬度范围为17.5°～41°N，经度范围为105°～124°E，网格精度为10′×10′，模型驱动风场采用NOAA的后分析风场数据（http：//nomads.ncdc.noaa.gov/data.php），风场时间间隔6h，空间分辨率为1°。

5 模型验证

研究后报了2007—2009年的波浪分布情况，并根据NOAA发布的10个大洋浮标数据对模型进行了验证，浮标所在海域覆盖整个北太平洋，限于篇幅，本文仅简要介绍其中一个测站的验证结果，其余测站与之基本类似。

图1 21178浮标测站（NOAA）3a波浪要素对比结果

图1为21178浮标（NOAA编号）的模型计算值与浮标实测值的对比结果，图2为实测值和模型值的统计直方图对比，据图1、图2，WW3模型能够较好地模拟出波浪随时间过程的主要分布规律，两测站的波高计算值与浮标数据符合良好。之后，对实测值和模型值的同时段样本分别进行了统计分析，定量研究了实测值和模型值之间的相似程度。表1是21178浮标波浪实测值和模型值统计特征值对照表。

参考图、表对比结果，可以看出，所建数学模型较好地复演了2007—2009年的波况条件，计算结果与实测值之间吻合良好，通过数学模型获得的波浪条件是合理的，可用于波浪能储量研究，下文所列波能研究结果均基于上述模型计算结果。

图2 21178浮标波浪要素实测值与模拟值分布特征对比图

表1 21178浮标波浪要素实测值与模拟值统计特征对比（样本数量：18 414）

图3 中国沿海波能功率密度年均值分布

6 波能分布及主要特征

图3为年均波能功率密度值在我国沿海的整体分布形势图，据图可知，中国沿海波浪能分布基本以长江口为分界线，长江口以北海域波能明显小于其以南海域。此外，深海波能储量明显大于近海及近岸海域，但由于深海波能利用难度较大，本文主要对沿岸相对浅水区进行研究、分析。

台湾岛东侧沿海海域为我国波浪能最集中海域，全年平均波能功率值基本在9kW/m左右；海南岛东侧海域次之，全年平均波能功率值在7kW/m左右；浙江和福建附近海域则是我国大陆省份波能分布较集中的海域。

在实际工程中，波能转化装置宜布设在水深相对较浅便于施工的近海水域，工程规划设计人员所关心的通常是工程海域的波能分布情况。为此，本文假定－30m等深线为工程海域，并针对中国沿海－30m等深线的波能分布做了详细研究，研究成果具有一定的工程实际应用价值。

图4～7分别给出了不同季节我国海域 －30m等深线上波能功率密度值沿纬度的分布趋势图。对比不同年份的波能功率密度值可知，在不同年的相同月份，各海域的波能具体量值虽然有一定差异，但整体规律性较为明显，年均值较接近（图8）。

图4 中国沿海波能功率密度1—3月份均值沿纬度分布及年份变化情况

图5 中国沿海波能功率密度4—6月份均值沿纬度分布年份变化情况

图6 中国沿海波能功率密度7—9月份均值沿纬度分布及年份变化情况

图7 中国沿海波能功率密度10—12月份均值沿纬度分布及年份变化情况

图8 中国沿海波能功率密度年均值沿纬度分布及年份变化情况

根据3a平均计算结果，1—3月份，波浪能最大区域分布在20.5°N和25.5°N水域，波能功率密度值（3a均值，下同）约为5.8kW/m，此时，28°N左右水域的波能功率密度值约为5.1kW/m；4—6月份期间全国沿海波能功率密度整体较弱，分布区域集中在28°N左右，此处的波能功率密度值约为3.4kW/m；7—9月份期间波能分布与4—6月份期间相似，主要集中在28°N左右，波能功率密度值为5.5kW/m；10—12月期间波浪能整体相对较大，分布趋势与1—3月份类似，20.5°N和25.5°N海域波能密度最大，为8kW/m，28°N附近波能功率密度约为7.1kW/m。

据年均波能功率密度值沿纬度分布图分析（见图8），27°～29.5°N 之间海域年均波能功率密度在4kW/m以上，以28°N附近（温州湾和台州湾之间水域）波能密度值最大，年平均波能功率密度为5kW/m左右，其余海域波能功率密度均在3kW/m以下，尤其以35°N以北最小。

为详细说明28°N附近海域的波浪特征，在该海域选取了4个点进行了重点分析，点位分布见图9。根据WW3波浪模型计算结果对“波高周期联合分布”及“波能方向分布”等进行了研究。图10为各点的波高－周期分布图，据图可以方便地看出不同波级波浪在全年波浪序列中所占的比重，如在P1点，Hs在0.5～1.5m之间，Tp在4～7s的波浪占到了全年波浪的44%，从该图可以得出该海域波浪要素的主要特征，从而为波能设备选型提供依据。

图9 点位分布图

图11为P1—P4点的波能方向分布玫瑰图，从各图可以看出温州湾不同海域波浪方向分布具有一定差异，其中P2、P3、P4这3点波浪方向特征相似，波浪主要以E－NE向为主，该方向波浪占到全年波浪的50%左右，而P1点则略有不同，通过研究波浪能的方向分布，对合理确定波能发电场的选址具有一定的参考价值。

图10 P1—P4点的波高－周期联合分布

图11 P1—P4波能方向玫瑰图（单位：kW/m）

7 结语

研究基于WW3全球波浪数值模型，对中国沿海的波能分布进行了初步探讨，本文简要介绍了研究的主要成果：

（1）中国沿海波能功率密度季节性变化明显，秋冬季节（10月—翌年3月）波浪能偏大，春夏季节（4—9月）则相对较弱。

（2）根据数值模型计算结果，中国沿海－30m等深线上波能功率密度沿海分布不均，整体上以长江口为分界线，以北波能较低，以南则整体偏高。

（3）中国大陆海域在27°～29.5°N之间波能较为集中，其中28°N左右海域波能最集中，该处海域年平均波能功率密度为5kW/m左右。

（4）本文所得出的中国沿海波能功率密度数值结果及其时间、空间分布规律与文献［8］相一致，并在此基础上提供了波浪－周期的联合分布及方向性分布，完善了波浪能储量研究成果，可为工程应用提供参考。

（5）从本文研究结果看，中国沿海波能功率密度相对较低，在进行波浪能开发规划时应当充分论证，并根据各海域的波浪统计特征，科学合理地选用波浪能转化设备，防止盲目开工造成巨大经济损失。

（6）本文仅提供了20°N以北大陆沿海3a的波浪能分布情况，能够说明我国沿海波浪能分布的主要规律，在以后的研究中可增加后报年限，并增加北部湾、海南省和台湾省的研究成果，进一步细化研究成果。

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