莊卉 ，鄭崇偉 ，賈本凱，郭隨平

(1.解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京 211101;2.92538部隊氣象臺，遼寧大連 116041；3.91967部隊，河北邢臺 054100)

1 引言

在全球眾多國家和地區(qū)都面臨能源危機的今天，發(fā)展清潔能源是眾多發(fā)達國家為應對氣候變化所采取的共同戰(zhàn)略之一。清潔能源包括太陽能、風能、海洋能等。目前，太陽能和風能的開發(fā)利用已逐步走向產業(yè)化、規(guī)?；Ｑ竽軇t處于探索階段，海洋能包括波浪能、潮汐能、溫差能、海流能、鹽差能等。據估算，世界海洋能蘊藏量為750 多億千瓦，其中波能占了很大一部分[1]。海洋能是一種無污染、可再生、儲量大、分布廣、不穩(wěn)定、利用難的能源[2]。褚同金[3]指出，在盛風區(qū)和長風區(qū)的沿海，波浪能流密度一般比較高；任建莉等[4-5]利用大量的實測波高，對浙江嵊山海域的波浪能資源進行評估，研究發(fā)現該海域的波浪能流密度在0.5—8.8 kW/m，2 kW/m 以上的能流密度出現頻率為60%左右，有利于波浪能資源的開發(fā)；王傳崑[6]利用1960—1969年的海洋站觀測波高和波周期，計算了我國沿岸的波浪能流密度，發(fā)現我國沿岸理論波功率為7.0×107kW，還發(fā)現我國沿岸波浪能流密度的分布很不均勻，高值區(qū)位于西沙地區(qū)沿岸、福建海壇島以北、臺灣、浙江中部、渤海海峽。游亞戈等[7]曾指出南海為我國海域的波浪能資源相對富集區(qū)，渤海較差，但即使在貧乏的海域，波浪能也能夠為觀測標提供充足的電量。本文主要分析了北大西洋波浪能的特征，可為波浪發(fā)電的選址提供參考。在環(huán)境和資源嚴重困擾人類的今天，波浪能的開發(fā)利用是海洋界越來越關注的焦點[8-9]，必將具有廣闊的前景。

2 資料簡介

ERA-40海浪資料來自歐洲中期天氣預報中心（ECMWF——European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）。ECMWF 與全球眾多國家具有合作關系，實測數據能廣泛共享，并通過VSAT衛(wèi)星氣象水文數據通信網實現數據共享。其范圍覆蓋全球海域，時間范圍從1957年09月01日00:00時—2002年08月31日18:00時，時間分辨率為6 h，空間分辨率為1.5°×1.5°。ERA-40海浪資料精度較高[2,10]，且該資料將風浪、涌浪進行分離，由于目前的海浪資料多為混合浪，ERA-40海浪資料成為將風浪、涌浪分離的較佳選擇，被廣泛運用。

圖1 北大西洋春季、夏季、秋季、冬季的風浪能流密度(a1—d1)、涌浪能流密度(a2—d2)和混合浪能流密度(a3—d3) (單位：kW/m)

3 波浪能特征分析

3.1 波浪能的季節(jié)分布特征

由于海洋中波浪運動十分復雜，波浪能的大小一般只是估算，根據Kinsman（1965年）的公式[11-12]，一個嚴格簡單正弦波單位波峰寬度的波浪功率為：

式（1）中T為波浪平均周期，Hˉ為平均波高，ρ為海水密度，g為重力加速度。本文將ERA-40 海浪資料中逐6 h的海浪資料代入式（1），得到北大西洋1958—2001年逐6h 的風浪能流密度、涌浪能流密度、混合浪能流密度，就北大西洋風浪、涌浪、混合浪能流密度的分布特征進行分析，見圖1—2。

風浪能流密度：30° N 是一條非常明顯的分界線，大值區(qū)基本都在30°N 以北，主要集中在冰島和紐芬蘭島之間的海域，30°N以南常年為低值區(qū)，基本都在3 kW/m 之內，大值區(qū)和低值區(qū)的差距較大，能達到20 kW/m左右。冬季風浪能流密度為四季中最大，大值區(qū)能達到50 kW/m；春季和秋季次之，大值區(qū)能達到24 kW/m；夏季最小，大值區(qū)的能流密度僅在6 kW/m左右。

涌浪能流密度：整個海域分布較為均勻，大值區(qū)常年位于冰島南部及西南部海域。冬季涌浪能流密度為四季中最大，大值區(qū)能達到70 kW/m；春季和秋季次之，春季大值區(qū)能達到45 kW/m，秋季在30 kW/m 左右；夏季最小，大值區(qū)的能流密度僅在12 kW/m左右。

混合浪能流密度：大值區(qū)常年位于冰島南部及西南部海域。冬季混合浪能流密度為四季中最大，大值區(qū)在60—110 kW/m；春季和秋季次之，春季大值區(qū)在30—70 kW/m，秋季大值區(qū)在30—50 kW/m；夏季最小，大值區(qū)的能流密度僅在14 kW/m 左右。以往的研究曾指出，在大西洋東岸的波能豐富的海域，能流密度能達到100 kW/m[2]。

3.2 不同等級波浪能出現頻率

在波浪能的評估中，能流密度不同能級出現的頻率是衡量能量豐富程度的一個重要標準，通常認為能流密度大于2 kW/m時為可用[3-5],本文利用近44年逐6 h 的波浪能流密度，統(tǒng)計了北大西洋的能級頻率，見圖3。

整個北大西洋海域混合浪能流密度大于2 kW/m出現的頻率較高，大部分海域基本都在90%左右，出現頻率在90%以上的區(qū)域主要集中在中低緯海域，冰島南部海域主要集中在70%—90%，墨西哥灣在40%左右，加勒比海在70%左右。混合浪能流密度大于6 kW/m 出現頻率較高的海域主要位于亞速爾群島西部海域和佛得角附近海域，能達到70 %—90 %?；旌侠四芰髅芏却笥?0 kW/m 出現頻率較高的海域主要位于亞速爾群島西部海域和佛得角附近海域，能達到60%左右，值得注意的是，加勒比?；旌侠四芰髅芏却笥?0 kW/m出現頻率在15%—20%。由此可見北大西洋蘊藏著豐富的波浪能。

圖2 a-c 北大西洋年平均風浪能流密度、涌浪能流密度和混合浪能流密度（單位：kW/m）

圖3 a-c 混合浪能流密度大于2 kW/m、大于6 kW/m、大于10kW/m出現的頻率（單位/%）

圖4 北大西洋1月、4月、7月、10月風浪能流密度的變異系數(a1—e1)、涌浪能流密度的變異系數(a2—e2)和混合浪能流密度的變異系數(a3—e3)(單位：kW/m)

3.3 波浪能的穩(wěn)定性

波浪能的開發(fā)利用不僅僅關注一定等級能流密度出現的頻率，也關注能流密度的穩(wěn)定性，越是穩(wěn)定，越有利于波浪能的采集與轉換。本文通過計算變異系數來判斷風浪、涌浪、混合浪能流密度的穩(wěn)定性。

涌浪能流密度的變異系數(a2—e2)和混合浪能流密度的變異系數(a3—e3)(單位：kW/m)。

由圖4可以看出，無論哪個月份，涌浪能流密度的變異系數均遠遠小于風浪能流密度，也就是說，涌浪能流密度的穩(wěn)定性更好，在涌浪占主導的海域更適合波浪發(fā)電?；旌侠四芰髅芏鹊淖儺愊禂蹬c涌浪較為接近。無論風浪、涌浪還是混合浪能流密度的變異系數，均是低緯度海域（約0°—30°N）遠小于中高緯海域（約30°—80°N），說明低緯度海域的波浪能流密度比中高緯海域更為穩(wěn)定。在大洋中涌浪能流密度比近岸穩(wěn)定。

研究表明[2]大西洋的涌浪在混合浪中占據主導地位，充分依據涌浪具有能量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在該海域進行海水淡化、海浪發(fā)電等波浪能資源開發(fā)工作，有利于緩解人類能源危機，將具有廣闊前景。

4 結論

（1）北大西洋蘊藏著豐富的波浪能，波浪能流密度的大值區(qū)常年位于冰島南部及西南部海域；30°N是一條非常明顯的風浪能流密度分界線，大值區(qū)基本都在30°N以北，30°N以南常年為低值區(qū)，基本都在3 kW/m 之內，且大值區(qū)和低值區(qū)的差距較大，能達到20 kW/m 左右；涌浪能流密度在整個海域分布則較為均勻；冬季波浪能流密度為四季中最大；

（2）整個北大西洋能流密度大于2 kW/出現的頻率較高，大部分海域基本都在90%左右，出現頻率在90%以上的區(qū)域主要集中在中低緯海域；

（3）在北大西洋，涌浪的能流密度比風浪能流密度更為穩(wěn)定，低緯度海域的波浪能流密度比中高緯海域更為穩(wěn)定。充分依據涌浪具有能量大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在該海域進行海水淡化、海浪發(fā)電等波浪能資源開發(fā)工作，有利于緩解人類能源危機，將具有廣闊前景。

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