钓鱼岛、黄岩岛海域风能及波浪能开发环境分析

郑崇伟，游小宝，潘静，陈晓斌

(1.92538部队，辽宁大连116041；2.中国科学院大气物理研究所，北京100029；3.北京应用气象研究所，北京100029)

1 引言

海表风、浪是人类较为关注的海洋水文要素，对人类的海上生产和生活、海上军事行动有着重要的影响。海洋环境状况及其信息对海洋水文保障、海洋能资源开发等都有重要意义。边远海岛的电力、淡水资源紧缺一直以来是一项世界性难题，资源紧缺往往会阻碍边远海岛的经济、军事建设[1]。我国有300余万平方公里海洋国土，岛屿众多，有居民海岛能源十分紧张，这些海岛大多远离大陆，能源瓶颈已经成为制约发展的重要问题，发挥沿海可再生能源的资源优势，实行海浪发电、海上风力发电具有实用的经济、军事价值。目前很多边远海岛的电力供给是靠柴油发电，而舰船对柴油的补给较为困难，尤其是在恶劣海况下，补给尤为艰难。在边远海岛、深远海实行海浪发电、海上风力发电、海水淡化等资源开发，可解决我国维护海洋权益、将来在边远海岛驻军的电力、淡水问题，实现电力、淡水自给，具有实用的军事、经济价值。

前人在资料极度稀缺的情况下对我国近岸局部小范围海域、单站的风能、波浪能做过很多工作[2-3]；Zheng 等[4]在2011年初次利用海浪模式WW3，对整个中国海的波浪能资源进行系统的模拟研究，并利用高精度、高分辨率的CCMP风场，对中国海的风能资源进行评估，发现中国海蕴藏着较为丰富的风能、波浪能资源，且优势区域为南海北部海域。前人的工作对我国的波浪能、风能资源研究做了很大贡献，但目前为止尚没有针对边远海岛展开的精细化研究，而边远海岛、深远海的资源紧缺现象往往更为严重，也尤为迫切。本文就我国钓鱼岛、黄岩岛附近海域的波浪能、风能资源展开精细化研究，此外，本文还对钓鱼岛、黄岩岛附近海域的风力等级频率、浪级频率、风向频率、波向频率等要素进行统计分析，为资源开发的海洋环境研究提供参考，该研究还可为解决我国维护海洋权益、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。

2 数据来源

2.1 模拟方法

目前常用的风场资料有欧洲数值预报中心的ERA-40 海表10 m 风场、美国NCEP 风场、美国QN混合风场，美国CCMP 风场。本文用于风能资源研究的资料为CCMP风场，该风场在数据精度、空间分辨率方面均优于其余风场[5]。所用海浪资料为模拟海浪数据，模拟过程中使用的地形数据为来自NOAA的ETOPO1全球地形数据集，分辨率为1°×1°，是目前覆盖全球空间分辨率最高的地形数据，如果需要展开更为精细化的研究，则需要借助高分辨率海图水深数据，进而展开研究。以CCMP 风场驱动目前国际先进的第三代海浪模式，对中国海的海浪场进行模拟，该方法经前人研究表明是可行的[6]，模拟海浪数据的时间序列为1987年7月至2010年12月，时间分辨率为3 h，空间范围为：0.125°S—41.125°N，95.125°E—135.125°E，空间分辨率取0.1°×0.1°，空间范围及水深见图1。采用双线性插值方法，将模拟得到的海浪数据以及风场数据插值到钓鱼岛、黄岩岛周边，对这两个海域的风能、波浪能资源进行精细化研究。

钓鱼岛（Fishing Islands）、黄岩岛（Scarborough Shoal）自古就是中华人民共和国的神圣领土。钓鱼岛及其附属岛屿分散于25°40′—26°N、123°—124°34′E之间；黄岩岛是我国三沙市管辖中沙群岛中惟一露出水面的岛礁，位于北纬15°07′，东经117°51′，地理位置见图1。

图1 中国海地形数据及钓鱼岛、黄岩岛的地理位置

图2 2009年9月日本“佐多岬”观测站的观测SWH与WW3模式模拟的SWH

2.2 数据验证

周良明[7]、Zheng[8]等曾利用卫星资料反演的有效 波 高（SWH——significant wave height），发 现WW3 模式对中国海的海浪场具有较强的模拟能力。由于我国海浪资料较为紧缺，也不易获取，本文在此利用来自日本“佐多岬”的观测资料，验证模拟海浪数据的有效性，见图2。

从曲线走势来看，模拟波高与观测波高保持了很好的一致性。定量地分析误差发现，CC=0.81，表明模拟值与观测值相关性非常好，且通过了99%的信度检验；Bias=-0.09，模拟值稍小于观测值，均方根误差RMSE和平均绝对误差（MAE）也较小，综上，模拟的海浪数据具有较高精度。

3 海上风能、波浪能资源评估

利用模拟的海浪数据、风场数据，根据风能密度、波浪能流密度的计算方法，计算得到1988年01月01日00:00 时—2010年12月31日18:00 时逐3 h的钓鱼岛、黄岩岛附近海域的波浪能流密度、风能密度。综合考虑能流密度的大小、能级频率、有效风速、可用波高、能流密度的长期变化趋势、资源储量等各方面，对两个海域的风能资源、波浪能资源进行深入的系统性研究。

3.1 海上风能、波浪能的月变化特征

钓鱼岛、黄岩岛四周的风能流密度因地域而表现出的差距较小。钓鱼岛海域的风能密度呈单峰型月变化特征，10—2月为峰值，基本在600 W·m-2以上，5—6月为波谷，但也都在200 W·m-2以上，年平均风能密度为450 W·m-2。黄岩岛海域的风能密度明显小于钓鱼岛，表现出“W”型月变化特征，主峰值出现在12月，约350 W·m-2，次峰值为8月，约310 W·m-2，波谷出现在4月，约70 W·m-2，年平均风能密度为228 W·m-2。前人的研究表明我国沿海的风能密度大值区在200 W·m-2左右[9-10]，由图3 可见，钓鱼岛、黄岩岛海域的风能密度优于我国沿海的风能密度平均值。

钓鱼岛四周的波浪能流密度因地域而表现出的差距较小，整体来看，东部和南部的波浪能流密度在各个月份均大于西部和北部，这应该是由于钓鱼岛东临太平洋，东部和南部受大洋的涌浪影响更为显著所致。10—1月，该海域的月平均波浪能流密度都在18 kW·m-1以上，5月份为波谷，在5 kW·m-1左右，年平均值为14 kW·m-1。黄岩岛四周的波浪能流密度因地域而表现出的差距也比较小，整体来看，西部和北部的波浪能流密度大于东部和南部，这应该是由于黄岩岛位于南海东南部，涌浪或风浪由南海中部传至边缘的衰减过程所致。11—12月为波峰，能流密度高达22 kW·m-1以上，1月在18 kW·m-1以上，4—5月为波谷，但也都在3 kW·m-1以上，年平均值为11 kW·m-1，详见图4。研究表明我国沿海的波浪能流密度在2—7 kW·m-1[11]，浙江嵊山海域的波浪能流密度在0.5—8.8 kW·m-1[12]，通过图4不难发现，钓鱼岛、黄岩岛的波浪能流密度远比我国沿海平均值丰富。

图3 钓鱼岛、黄岩岛附近海域风能密度的月变化特征

图4 钓鱼岛、黄岩岛附近海域波浪能流密度的月变化特征

图5 钓鱼岛、黄岩岛附近海域有效风速出现频率

图6 钓鱼岛、黄岩岛附近海域可用波高出现频率

比较图3 和图4 可以看到，风能密度的年变化都存在两个低谷，这是冬季风向夏季风转换，以及夏季风向冬季风转换所带来的风场特征；只是在黄岩岛附近W型特征更为明显，这应该是由于两个岛屿的地理位置不同所致。虽然波浪与风场关系密切，但毕竟风并非就是波浪，所以波浪能流密度与风能密度的年变化在钓鱼岛和黄岩岛都不一样，在黄岩岛附近海域波浪能流密度的月际变幅明显小于风能密度；钓鱼岛附近海域波浪能流密度的月际变幅更是小于风能密度，以至于看不到W型变化特征。由于夏季黄岩岛附近海域的西南季风较为强劲，它转换为冬季风的变化也就较大，海洋对其的响应也就会更显著，波浪能流密度的W型特征也就相对明显一些；而钓鱼岛附近海域夏季风较弱，它转换为冬季风的变化也就小，海洋对其的响应也就会较弱，波浪能流密度的W型特征就不明显乃至看不到。

3.2 有效风速、可用波高出现频率

在风能资源开发过程中，风速在3—25 m·s-1之间时有利于风能开发，称之为有效风速[4-5]；同理，波能资源开发也是如此，郑崇伟曾参考有效风速的定义方法，定义波高大于1.3 m 时为波浪能资源开发利用的可用波高，简称可用波高[4]。有效风速、可用波高出现的频率分别是衡量风能、波浪能是否有利于开发的重要指标，本文利用近23年逐3 h的风场、海浪场数据，统计了钓鱼岛、黄岩岛附近海域有效风速、可用波高出现的频率（见图5、图6）。

有效风速（见图5）：钓鱼岛附近海域有效风速出现频率整体较高，各个季节都在85%以上，全年2/3 以上的时间出现频率在90%以上，且出现频率的月变化尺度较小，即稳定性较好，这一条件对风能资源开发是很有利的；黄岩岛附近海域有效风速出现频率呈“W”型月变化特征，出现频率整体低于钓鱼岛，但各个季节也都在60%以上，11—2月出现频率都在90%以上，这对于风能资源的开发利用是很有利的。

可用波高（见图6）：钓鱼岛附近海域可用波高出现频率常年在40%以上，10—2月出现频率较高，在80 %以上，5—8月为波谷，出现频率基本在40%—50%；黄岩岛附近海域可用波高出现频率整体低于钓鱼岛，10—2月出现频率相对较高，基本在60%以上，4—5月为波谷，出现频率在20%左右，其余季节基本都在40%以上，表明这两个海域全年有很大一部分时间是有利于波浪能资源的开发利用。

3.3 能级频率

在风能、波浪能资源的评估中，不同等级能流密度出现频率是衡量资源丰富程度的重要标准之一。通常认为风能密度大于50 W·m-2为可用区（有的标准认为大于100 W·m-2为可用区）[4-5]，大于200 W·m-2为富集区；波浪能流密度大于2 kW·m-1时为可用，大于20 kW·m-1的海域为富集区[4]。本文利用计算得到的近23年逐3 h的风能密度、波浪能流密度，统计了钓鱼岛、黄岩岛附近海域风能密度大于50 W·m-2、大于100 W·m-2和大于200 W·m-2出现频率，以及波浪能流密度大于2 kW·m-1、大于10 kW·m-1和大于20 kW·m-1出现频率（见图7—8）。

图7 钓鱼岛、黄岩岛附近海域的风能密度等级频率

图8 钓鱼岛、黄岩岛附近海域的波浪能流密度等级频率

风能密度等级频率：10—2月，钓鱼岛100 W·m-2以上的频率基本在80%以上，其余季节在60%左右；10—2月200 W·m-2以上的频率基本在70%以上，3—4月、9月200 W·m-2以上出现频率在50%左右，5—8月出现频率相对偏低，在35%左右。黄岩岛的风能密度等级频率表现出“W”型月变化特征，11—2月为波峰，100 W·m-2以上出现频率在50%以上，次峰值为8月，出现频率接近60%，波谷出现在4月，频率为20%，其次10月也是一个相对低点，频率为35%；200 W·m-2以上频率的月变化特征与100 W·m-2以上频率的月变化特征基本接近。总的来看，钓鱼岛、黄岩岛附近海域的风能密度等级频率分布特征对风能资源开发来说是乐观的。

波浪能流密度等级频率：钓鱼岛能级频率的月变化较为剧烈，11—2月，2 kW·m-1以上出现频率都在90%以上，7月为波谷，出现频率在30%左右，其余季节在60%上下震荡；20 kW·m-1以上出现频率基本在40 %以内，频率相对较高的季节为11—2月，4—7月为波谷。黄岩岛能级频率的月变化也较为剧烈，2 kW·m-1以上、20 kW·m-1以上出现频率整体低于钓鱼岛，11—2月，2 kW·m-1以上出现频率都在70%以上；20 kW·m-1以上出现频率的月变化特征与钓鱼岛海域相似。

3.4 能流密度的长期变化趋势

分别将钓鱼岛、黄岩岛附近海域的风能密度、波浪能流密度从1988—2010年取逐年平均，分析近23年期间各个要素的逐年变化趋势（图略）。

风能密度：钓鱼岛海域的回归系数为10.76，相关系数|r|=0.84，通过了99%的信度检验，即近23年期间，钓鱼岛海域的风能密度以10.76 W·m-2·a-1的速度显著性逐年递增，1988—1998年期间，该海域的风能密度变化较为平缓，基本在370 W·m-2上下轻微波动，1998—2005年期间进入剧烈的递增阶段，并在2005年前后达到波峰，达到600 W·m-2左右，而后呈缓慢的递减趋势；黄岩岛海域的回归系数为2.94，相关系数|r|=0.57，通过了99%的信度检验，即近23年期间，黄岩岛海域的风能密度以2.94 W·m-2·a-1的速度显著性逐年递增，1988—1998年期间，该海域的风能密度呈缓慢的递减趋势，并在1998年达到近23年期间的波谷，约150 W·m-2，1998以后震荡递增。

波浪能流密度：钓鱼岛海域的回归系数为0.47，相关系数|r|=0.85，通过了99%的信度检验，即近23年期间，钓鱼岛海域的波浪能流密度以0.47 kW·m-1·a-1的速度显著性逐年递增，1988—1998年期间，该海域的波浪能流密度变化较为平缓，基本在11 kW·m-1上下轻微波动，1998以后进入上升通道，持续递增至今，且递增趋势较为强劲；黄岩岛海域的回归系数为0.33，相关系数|r|=0.82，通过了99%的信度检验，即近23年期间，黄岩岛海域的波浪能流密度以0.33 kW·m-1·a-1的速度显著性逐年递增，1988—1998年期间呈缓慢的递减趋势，1999年迅速拉升，2000年以后表现出平稳的递增趋势。

风能密度、波浪能流密度的整体递增趋势对风能、波浪能资源的开发也是有利的。

3.5 风能、波浪能资源储量

为了给波浪能、海上风能资源开发提供更为精确的参考，本文定量计算了钓鱼岛、黄岩岛附近海域的资源储量，主要包括资源总储量、有效储量、技术开发量。具体计算方法如下：

（1）风能资源总储量=年平均风能密度×风速小时数；

（2）风能资源有效储量=年平均风能密度×有效风速小时数；

（3）风能资源技术开发量=风能资源有效储量×0.785；

（4）波浪能资源总储量=年平均波浪能流密度×波能小时数；

（5）波浪能资源有效储量=年平均波浪能流密度×可用波高小时数；

（6）波浪能资源技术开发量=波浪能资源有效储量×转换率。

通过计算得到了钓鱼岛、黄岩岛附近海域风能、波浪能资源的总储量、有效储量、技术开发量，见表1。整体来看，钓鱼岛、黄岩岛的风能资源较为丰富，且明显比陆上丰富，波浪能资源也较为丰富，钓鱼岛附近的风能、波浪能整体比黄岩岛丰富。

王毅荣等[13]指出：河西走廊的狭长地带形成了中国乃至世界特有的风能资源富集带，风能资源储量为1.5×105kW·h·m-2左右；龚强等[13]指出：辽滨、明阳50 m高处的年有效风能分别为2763.2 kW·h·m-2、1481.6 kW·h·m-2，比10 m 高处多1 倍以上；董旭光等[14]发现：昌邑沿海为风能资源丰富区，利用的年有效风能总量为2924.7 kW·h·m-2。对比不难发现，钓鱼岛、黄岩岛海域的风能资源储量远比我国近海、陆上最丰富区域的风能资源平均值还要乐观。这两个海域的波浪能资源储量也比我国沿海的波浪能资源平均储量丰富[15]。

4 风、浪等海洋环境特征

在海浪发电、风力发电、海水淡化、海洋矿产资源开发等海洋工程中，对风、浪等海洋环境特征较为关注，恶劣的海况往往造成严重损失，甚至灾害，反之，如果能较好的掌握海洋环境特征，则可以延长设备的寿命，提高工作效率。本文在此就钓鱼岛、黄岩岛附近海域的风力等级频率、波浪等级、风向频率、波向频率展开统计分析，为海洋工程提供参考。

4.1 风力等级频率、波浪等级频率

利用1988年01月01日00：00 时—2010年12月31日18：00时逐3 h的模拟海浪数据、风场数据，统计了钓鱼岛、黄岩岛附近海域的风力等级频率（表略）、波浪等级频率（见表2）。

风力等级频率（表略）：1月和10月，钓鱼岛出现频率较高的是4—6级风（5.5—13.8 m/s），4月和7月出现频率较高的是3—5 级风（3.4—10.7 m/s）；1月黄岩岛出现频率较高的是3—5 级风（3.4—10.7 m/s），4月和10月出现频率较高的是2—4级风（1.6—7.9 m/s）；7月出现频率较高的是2—5 级风（1.6—10.7 m/s）。整体来看，无论哪个季节，钓鱼岛附近海域的大风频率均高于黄岩岛附近海域。

波浪等级（见表2）：1月和10月，钓鱼岛附近海域出现频率最高的是中浪（1.25—2.5 m），出现频率分别为49.65%，46.96%，其次是大浪，再次是轻浪；4月和7月出现频率最高的是轻浪，出现频率分别为49.77%，51.57%，其次是中浪。1月和10月，黄岩岛附近海域的波高主要集中在中浪，出现频率分别为40.29 %，43.02 %，其次是轻浪，再次是大浪；4月，黄岩岛出现频率最高的是小浪（42.71%），其次是轻浪（35.87%）；7月，出现频率最高的是轻浪（34.46%），其次是大浪（29.31%）。整体来看，钓鱼岛海域的大浪频率在1、4、10月均大于黄岩岛，仅7月除外，该月黄岩岛大浪频率高于钓鱼岛，这应该是因为7月黄岩岛海域受强劲的西南季风的影响，而钓鱼岛受西南季风影响没有黄岩岛显著。

4.2 风向频率、波向频率

利用近23年的海浪数据、风场数据，统计了钓鱼岛、黄岩岛附近海域的风向频率、波向频率（图略）。

表1 钓鱼岛、黄岩岛的风能、波浪能资源储量

表2 近23年期间钓鱼岛、黄岩岛附近海域的波浪等级频率（单位/%）

钓鱼岛：1月，钓鱼岛附近海域的风向均以NNE为主（约30%），其次是NE向（约18%）；4月以NNE为主（约15%），此外NE-SSW 向均有体现，这应该是由于4月属于季风过渡季节，风速较小，风向相对1月散乱；7月受西南季风影响，钓鱼岛附近的风向以S-SSW 向为主导（S 向、SSW 向出现的频率都在20%左右）；10月，风向以NNE、NE 向为主，出现频率都在30%左右。波向频率与风向频率大体上保持了较好的一致性。

黄岩岛：1月和10月，黄岩岛附近海域的风向以NE 向为主（1月出现频率35 %，10月出现频率18%），其次是NNE 和ENE 向；4月，黄岩岛附近海域的风向比钓鱼岛附近稳定，主要为NNE-E 向；7月受西南季风影响显著，以SW-SSW 向为主（SW向、SSW向出现的频率都在22%左右）。整体来看，波向频率与风向频率大体上保持了较好的一致性。

5 结论

（1）钓鱼岛海域的风能密度呈单峰型月变化特征，10—2月为峰值，基本在600 W·m-2以上，年平均值为450 W·m-2；黄岩岛海域的风能密度明显小于钓鱼岛，表现出“W”型月变化特征，主峰值出现在12月，约350 W·m-2，年平均风能密度为228 W·m-2。钓鱼岛10—1月的波浪能流密度都在18 kW·m-1以上，年平均值为14 kW·m-1；黄岩岛的波浪能流密度在11—12月为波峰，高达22 kW·m-1以上，年平均值为11 kW·m-1。钓鱼岛、黄岩岛海域的风能密度、波浪能流密度均优于我国沿海平均值；

（2）钓鱼岛、黄岩岛海域的有效风速、可用波高出现频率对资源开发是很有利的。钓鱼岛海域有效风速出现频率整体较高，各个季节都在85 %以上，且出现频率的月变化尺度较小；黄岩岛海域有效风速出现频率呈“W”型月变化特征，出现频率整体低于钓鱼岛，但各个季节也都在60%以上。钓鱼岛海域可用波高出现频率常年在40%以上，10—2月可达80%以上；黄岩岛海域可用波高出现频率整体低于钓鱼岛，10—2月为波峰，在60%以上；

（3）10—2月，钓鱼岛100 W·m-2以上的频率基本在80%以上，其余季节在60%左右；黄岩岛的风能密度等级频率表现出“W”型月变化特征，11—2月为波峰，100 W·m-2以上出现频率在50 %以上。钓鱼岛、黄岩岛的波浪能级频率的月变化较为剧烈。11—2月，钓鱼岛2 kW·m-1以上出现频率都在90%以上，7月为波谷，出现频率在30%左右，其余季节在60%上下震荡；黄岩岛2 kW·m-1以上出现频率整体低于钓鱼岛，11—2月，2 kW·m-1以上出现频率都在70%以上。总的来看，钓鱼岛、黄岩岛附近海域的能级频率分布特征对资源开发是乐观的；

（4）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。递增趋势分别为：钓鱼岛风能密度10.76 W·m-2·a-1，黄岩岛风能密度2.94 W · m-2· a-1，钓鱼岛波浪能流密度0.47 kW · m-1· a-1，黄岩岛波浪能流密度0.33 kW · m-1·a-1；

（5）从风能、波浪能资源的总储量、有效储量、技术开发量来看，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；

（6）从风力等级频率、浪级频率、风向频率、波向频率来看，钓鱼岛、黄岩岛海域的海洋环境特征表现出较好的规律性，这对于资源开发、防灾减灾是有利的。

综合能流密度的大小、可用波高出现频率、有效风速出现频率、能级频率、能流密度的长期变化趋势、资源储量、海洋环境特征等几个方面，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、海浪和风力联合发电、海水淡化等工作，将具有广阔的经济和军事前景。

致谢： 稿子在撰写过程中得到了李崇银院士的悉心指导，李老师对文章的构思、框架以及物理机制等给予了宝贵的意见，在此深表感谢！

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