鄭崇偉, 莊卉, 郭隨平, 賈本凱
(1.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院,南京 211101;2.92538部隊(duì)氣象臺(tái),遼寧大連 116041;3.海軍航空兵學(xué)院,河北 邢臺(tái) 054100)
目前,陸上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已較成熟,海上風(fēng)力發(fā)電只是在少數(shù)歐洲國(guó)家較為成熟,我國(guó)的海上風(fēng)能開發(fā)尚屬初級(jí)階段[1-2]。美國(guó)1980年采用國(guó)內(nèi)975個(gè)氣象站的地面測(cè)風(fēng)資料,繪制了美國(guó)風(fēng)能資源分布圖,1986年又增加了270多個(gè)氣象站觀測(cè)資料,得到美國(guó)的陸上風(fēng)能資源分布圖[1]。中國(guó)氣象局分別在20世紀(jì)80年代和90年代開展了兩次風(fēng)能資源普查,均是對(duì)氣象站歷史測(cè)風(fēng)資料的統(tǒng)計(jì)分析,最后給出了中國(guó)陸上風(fēng)能資源分布圖。王曉亮等[3]利用上海沿海5個(gè)站點(diǎn)風(fēng)要素資料,對(duì)上海海域可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明東海大橋附近海域、崇明島以東海域、南匯和橫沙東灘以東海域、遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)為豐富區(qū),風(fēng)能資源儲(chǔ)量約為3 373.1×104kW;杭州灣北岸奉賢海域?yàn)檩^豐富區(qū),風(fēng)能儲(chǔ)量約為38.3×104kW,長(zhǎng)江口水域?yàn)榭衫脜^(qū)。但由于受各種因素限制,以往多是基于非常有限的觀測(cè)資料,在陸上或近岸展開的,較少對(duì)海上的風(fēng)能資源展開分析[4],而深遠(yuǎn)海、邊遠(yuǎn)海島的風(fēng)能資源開發(fā)利用具有更為迫切的需要和實(shí)用價(jià)值。本文利用1999年8月~2009年7月期間的QN (QuikSCAT/NCEP)混合風(fēng)場(chǎng)資料,計(jì)算了東中國(guó)海的風(fēng)能密度,并就其特征進(jìn)行分析,以期為我國(guó)的海上風(fēng)能資源開發(fā)利用提供參考。
QN混合風(fēng)場(chǎng)是對(duì)全球天氣中心 (NCEP,National Centers for Environmental Prediction)分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星散射計(jì) (QuikSCAT)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空混合分析的結(jié)果,其空間分辨率為0.5°×0.5°,時(shí)間分辨率為 6 h, 其空間范圍為: 88°S~88°N, 180°W~180°E,時(shí)間范圍從1999年8月~2009年7月。QN風(fēng)場(chǎng)具有很高的精度和時(shí)空分辨率[5-6],常被用作模擬海浪過程的驅(qū)動(dòng)場(chǎng),且效果明顯好于NCEP風(fēng)場(chǎng)[7-9]。本文選擇QN混合風(fēng)場(chǎng)用以東中國(guó)海的風(fēng)能資源分析。
風(fēng)能密度定義為垂直于氣流的單位截面上風(fēng)的功率,計(jì)算方法[10-13]為:
式中,W為風(fēng)能密度;V為風(fēng)速;ρ為空氣密度。
利用1999年8月1日00:00~2009年7月31日18:00逐6 h的QN混合風(fēng)場(chǎng)資料,對(duì)海表風(fēng)速、風(fēng)能密度分別進(jìn)行多年平均,分析年平均海表風(fēng)速、風(fēng)能密度的空間分布特征,如圖1所示。
東中國(guó)海的海表風(fēng)速和風(fēng)能密度的空間分布特征具有較好的一致性,均表現(xiàn)出離岸大近岸小、南部大北部小的特點(diǎn)。
(1)海表風(fēng)速。由北往南,風(fēng)速逐漸遞增,渤海的年平均風(fēng)速最小,基本在5.0 m/s以內(nèi),黃海北部海域在4.0~5.0 m/s,黃海中部的年平均風(fēng)速為5.5 m/s左右,黃海南部在6.0 m/s左右,東海為6.5~7.5 m/s左右。
(2)風(fēng)能密度。渤海中部的風(fēng)能密度在150 W/m2左右,渤海近岸則在100 W/m2以內(nèi),黃海北部為100~200 W/m2,黃海中部在200~250 W/m2,黃海南部為250~300 W/m2,到了東海,風(fēng)能密度明顯增大,大部分海域在300 W/m2以上,琉球群島附近海域在400 W/m2以上,臺(tái)灣海峽中部高達(dá)450 W/m2以上,風(fēng)能密度的空間分布特征與海表風(fēng)速的空間分布特征大體一致。
圖1 東中國(guó)海年平均海表風(fēng)速、風(fēng)能密度
圖2 渤海、渤海海峽、黃海、東海風(fēng)能密度的月變化特征
分別將渤海、渤海海峽、黃海、東海的風(fēng)能密度進(jìn)行多年月平均,分析幾個(gè)重點(diǎn)海域風(fēng)能密度的月變化特征,如圖2所示。由圖2可見,幾個(gè)海域中,東海的風(fēng)能密度最大,黃海的風(fēng)能密度次之,渤海海峽的風(fēng)能密度再次,渤海的風(fēng)能密度最低,與圖1b相符。幾個(gè)海域的風(fēng)能密度均表現(xiàn)出 “V”形月變化特征,波峰處出現(xiàn)在11月至來年2月,這期間東海的風(fēng)能密度基本在460 W/m2以上,黃海在310 W/m2以上,渤海海峽在240 W/m2以上,渤海在100 W/m2以上,即這個(gè)季節(jié)東中國(guó)海的風(fēng)能資源較為豐富;6月~7月為風(fēng)能密度的波谷,這期間渤海的風(fēng)能密度在30~40 W/m2,渤海海峽和黃海的風(fēng)能密度在70 W/m2左右,東海在180 W/m2左右。
大風(fēng)往往會(huì)對(duì)海洋工程、航海等造成嚴(yán)重影響,甚至災(zāi)害,本文利用1999年8月~2009年7月的逐6 h的QN風(fēng)場(chǎng)資料,統(tǒng)計(jì)了東中國(guó)海的6級(jí)以上大風(fēng)頻率 (圖3a),為防災(zāi)減災(zāi)、海上風(fēng)能資源開發(fā)利用提供參考。通常將風(fēng)速在3~25 m/s之間定義為風(fēng)能資源開發(fā)有效風(fēng)速[6],簡(jiǎn)稱有效風(fēng)速。本文利用近10年逐6 h的QN風(fēng)場(chǎng)資料,統(tǒng)計(jì)了東中國(guó)海風(fēng)能資源開發(fā)有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率 (圖3b)。
由圖3a可見,整個(gè)東中國(guó)海6級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)的頻率比較低,大部分海域在16%以內(nèi)。渤海的6級(jí)以上大風(fēng)頻率在4%以內(nèi);黃海北部海域出現(xiàn)頻率略高于渤海,但也都在8%以內(nèi),黃海中南部在8%~14%;到了東海,6級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)頻率明顯增加,達(dá)到16%左右,尤其是對(duì)馬海峽至長(zhǎng)江口一帶,這應(yīng)該是由于黃渤海的海域較為狹小,而東海海域則較為寬廣,具有廣闊的光滑下墊面所致;臺(tái)灣海峽為大風(fēng)頻率的高值中心,在16%~18%。由圖3b可見,除了部分近岸,整個(gè)東中國(guó)海有效風(fēng)速出現(xiàn)的頻率整體較高,渤海大部分海域在50%~70%,黃海北部和黃海中部在60%~80%,黃海南部海域和東海則基本在80%以上,由此可見,東中國(guó)海全年至少有半數(shù)以上時(shí)間的風(fēng)速是有可用于風(fēng)能資源開發(fā)的,這對(duì)于海上風(fēng)能資源開發(fā)是極為有利的。
通常認(rèn)為風(fēng)能密度低于50 W/m2時(shí)為貧乏區(qū),在50 W/m2以上時(shí)為可用區(qū),100 W/m2以上屬于較豐富區(qū),200 W/m2以上屬于豐富區(qū)[1]。利用近10 a逐6 h的風(fēng)能密度資料,統(tǒng)計(jì)了東中國(guó)海風(fēng)能密度大于50 W/m2、 大于 100 W/m2、 大于 150 W/m2、 大于200 W/m2出現(xiàn)的頻率,見圖4。
50 W/m2以上出現(xiàn)頻率:各海域出現(xiàn)頻率整體較高,有利于海上風(fēng)能資源開發(fā),渤海出現(xiàn)頻率明顯低于東海和黃海,約20%~50%,黃海北部海域較渤海有所增加,為30%~70%,黃海中南部則基本在50%以上,東海出現(xiàn)頻率最高,基本在80%以上。
圖3 東中國(guó)海6級(jí)以上大風(fēng)頻率、風(fēng)能資源開發(fā)有效風(fēng)速出現(xiàn)頻率 (單位:%)
100 W/m2以上出現(xiàn)頻率較50 W/m2以上略有降低,渤海為10%~35%,黃海北部為20%-45%,黃海中南部為50%~60%,東?;径荚?0%以上。
150 W/m2以上出現(xiàn)頻率比100 W/m2以上出現(xiàn)頻率約降低5%~10%。
200 W/m2以上出現(xiàn)頻率:渤海在20%以內(nèi),黃海北部在30%以內(nèi),黃海中南部為30%~40%,東海在40%以上。
(1)東中國(guó)海的海表風(fēng)速和風(fēng)能密度的空間分布特征具有較好的一致性,均表現(xiàn)出離岸大近岸小、南部大北部小的特點(diǎn)。渤海的年平均風(fēng)速在5.0 m/s以內(nèi),黃海北部海域在4.0~5.0 m/s,黃海中部為5.5 m/s左右,黃海南部在6.0 m/s左右,東海為6.5~7.5 m/s左右;渤海中部的風(fēng)能密度在150 W/m2左右,渤海近岸則在100 W/m2以內(nèi),黃海北部為100~200 W/m2,黃海中部在 200~250 W/m2,黃海南部為250~300 W/m2,東海大部分海域在300 W/m2以上。風(fēng)速和風(fēng)能密度的高值中心分布于琉球群島附近海域和臺(tái)灣海峽,年平均風(fēng)速在7.0 m/s以上,年平均風(fēng)能密度在400 W/m2以上。
(2)整個(gè)東中國(guó)海6級(jí)以上大風(fēng)出現(xiàn)頻率比較低,基本都在16%以內(nèi),出現(xiàn)頻率由北往南逐漸遞增,臺(tái)灣海峽為大風(fēng)頻率的高值中心,在16%~18%。除了部分近岸,整個(gè)東中國(guó)海有效風(fēng)速出現(xiàn)的頻率整體較高,渤海大部分海域在50%~70%,黃海北部和黃海中部在60%~80%,黃海南部海域和東海則基本在80%以上。
(3)各海域50 W/m2以上風(fēng)能密度出現(xiàn)頻率整體較高,渤海約20%~50%,黃海北部海域?yàn)?0%~70%,黃海中南部則基本在50%以上,東海出現(xiàn)頻率最高,基本在80%以上。渤海200 W/m2以上出現(xiàn)頻率在20%以內(nèi),黃海北部在30%以內(nèi),黃海中南部為30%~40%,東海在40%以上。
綜上所述,我國(guó)的渤海風(fēng)能資源相對(duì)黃海和東海較貧乏,但仍處于可開發(fā)范圍,東海和黃海屬于風(fēng)能資源的較富集區(qū),在我國(guó)大力開展海上風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力提水、制熱等風(fēng)能資源開發(fā)工作將具有廣闊前景。
[1]ZHENG Chongwei,ZHUANG Hui,LI Xi,et al.Wind Energy and Wave Energy Resources Assessment in the East China Sea and South China Sea[J].SCI CHINA TECH SCI,2012,55(1):163-173.
[2]李曉燕,余志.海上風(fēng)力發(fā)電進(jìn)展[J].太陽能學(xué)報(bào),2004,25(1):78-84.
[3]王曉亮,孫同美,徐晶晶,等.上海沿海風(fēng)能資源評(píng)估[J].海洋技術(shù), 2012(1):10-12.
[4]陳飛,班欣,祈欣,等.連云港沿海地區(qū)及近海風(fēng)能資源評(píng)估[J].氣象科學(xué), 2008, 28(增刊):101-106.
[5]張德天,鄭崇偉,石嶺琳,等.基于QN風(fēng)場(chǎng)的1999-2009年中國(guó)海表風(fēng)場(chǎng)研究[J].海洋預(yù)報(bào), 2011, 28(4):58-64.
[6]鄭崇偉,周林.近10年南海波浪特征分析及波浪能研究[J].太陽能學(xué)報(bào), 2012, 33(8):1349-1356.
[7]徐艷清,尹寶樹,楊德周,等.東中國(guó)海海浪數(shù)值模式研究[J].2005, 29(6):42-47.
[8]鄭崇偉,潘靜,田妍妍,等.全球海域風(fēng)浪、涌浪、混合浪波候圖集[M].北京:海洋出版社,2012.
[9]李明悝,候一筠.利用QuikSCAT/NCEP混合風(fēng)場(chǎng)及WAVEWATCH 模擬東中國(guó)海風(fēng)浪場(chǎng)[J].海洋科學(xué), 2005, 29(6):9-12.
[10]鄭崇偉.全球海域風(fēng)能資源儲(chǔ)量分析[J].中外能源,2011,16(7):43-47.
[11]黃世成,姜愛軍,劉聰,等.江蘇省風(fēng)能資源重新估算與分布研究[J].氣象科學(xué), 2007, 27(4):407-412.
[12]ZHENG Chongwei,PAN Jing.Assessing the China Sea Wind Energy and Wave Energy Resources from 1988 to 2009[J].Ocean Engineering,2013(65):39-48.
[13]韓春福.風(fēng)能資源評(píng)估方法的分析及應(yīng)用[J].節(jié)能,2009(5):16-18.