高成志，郑崇伟，陈璇

（1.海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018；2.解放军75822部队，广东广州510510）

基于CCMP风场的中国近海风能资源的长期变化分析

高成志1，郑崇伟1，陈璇2

（1.海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018；2.解放军75822部队，广东广州510510）

基于1988—2009年高时空分辨率的CCMP风场资料，分析了中国海及周边海域风能密度的分布特征，给出了这些海域风能密度的整体变化趋势、变化趋势的区域性差异和季节性差异，以期为风能资源开发工作提供科学依据。结果表明：（1）中国海及周边海域风能密度大值区主要分布于琉球群岛-台湾岛-南海大风区一线，呈东北-西南向带状分布，年平均风能密度能达到450 W/m2以上。渤海、渤海海峡、黄海北部的年平均风能密度基本在200 W/m2以内；黄海中南部为200～350 W/m2；东海基本都在300 W/m2以上；5°N以北的南海大部分海域的风能密度基本都在200 W/m2以上；（2）近22 a期间，该区域的风能密度整体上以4.1637 W/（m2·yr）的速度逐年递增；（3）中国海及周边海域大范围海域的风能密度表现出显著性逐年线性递增趋势，同时也表现出较大的区域性差异，仅部分零星海域的风能密度表现出显著性递减趋势；（4）中国海及周边海域风能密度的变化趋势在近22 a期间表现出很大的季节性差异。冬季的递增趋势最为强劲，呈递增趋势的区域范围夜最广，春季次之，夏季和秋季呈显著性递增的区域范围相对较小。

CCMP风场；中国海及周边海域；风能密度；长期变化趋势

1 引言

资源危机给人类的可持续发展造成了严重影响，甚至造成严重的环境危机、地区冲突。在煤、石油等常规能源日益紧缺的当今世界，人类将目光聚焦新能源。目前，太阳能和陆上风能的开发利用已逐步走向产业化、规模化，但受资源的地域限制严重；核能能够提供巨大的能量，但受自然灾害和人为影响较大，如2011年3月日本海啸引起的核泄漏、1986年4月苏联切尔诺贝利核电站由于操作失误发生核泄漏，均造成了严重危害[1-2]。无污染、储量大、分布广、可再生等优点使得海上风能成为各发达国家的新宠。研究表明海上风力资源丰富，比陆地风力发电量大，通常离岸10 km的海表风速比沿岸陆地大25%左右[3]。海上风能主要可用于风力发电、海水淡化、船舶助航、提水、风力致热等工程。边远海岛、深远海对电力、淡水的需求也更为迫切，充分开发利用海上风能资源将具有广阔前景。但其不稳定性也增加了其开发难度，这就要求我们做到“资源评价和规划先行”，在资源详查的基础上，制定相应的建设规划，实现海上风能资源的有序开发利用。

前人对我国的海上风能资源评估做了很大贡献，初期由于海洋资料稀缺，海上风能资源评估局限于近岸、单个海洋站、局部小范围海域。黄世成等[4]曾利用江苏省67个台站1971—2000年的观测资料，计算了江苏省的风能资源概况，结果表明：江苏省大部分地区的风能密度在25～100 W/m2，沿海岸地区可达100 W/m2以上。随着数值模式的快速发展，越来越多的数值模式被用于风能资源评估。郑崇伟等[5]曾利用CCMP风场（Cross-Calibrated，Multi-Platform），综合考虑风能密度的大小、有效风速出现的频率、不同等级风能密度出现的频率、风能资源的稳定性、资源储量等方面，对南海关键岛礁的风能资源展开了详查，成果可为岛礁海上风电提供科技支撑，为中国南海岛礁建设、“21世纪海上丝绸之路”建设作出有益贡献。周荣卫等[6]曾利用MM5/Calmet模式对我国沿海2009年1—5月的风能进行模拟研究，结果表明我国沿海风能资源非常丰富，多年平均风功率密度约在300～800 W/m2之间。Zheng等[7]2011年在国内首次利用具有高精度、长时间序列的CCMP风场资料，计算了整个中国海的风能密度，首次实现了整个中国海风能资源的系统性评估和等级区划，发现我国大部分海域蕴藏着较为丰富、适宜开发的风能资源，其中相对优势区域分布于吕宋海峡及其西部海域、中南半岛东南海域、台湾海峡中部，较丰富区位于南海中部、东海。

风能资源的长期变化趋势直接影响着未来风能资源的开发利用，但目前为止尚没有针对中国海及周边海域风能长期变化趋势的研究，这就不能很好的为我国风能开发的选址提供科学依据。本文利用1988年1月—2009年12月的CCMP风场资料，分析了近22 a期间中国海及周边海域风能密度的分布特征、初次计算了该区域风能密度的长期变化趋势、变化趋势的区域性差异和季节性差异，期望可以为海上风力发电、提水、供热等海上风能资源开发工作提供科学依据。

2 数据和方法

2.1 数据介绍

本文利用CCMP风场，分析了中国周边海域风能资源的长期变化趋势。CCMP风场是美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的物理海洋数据中心（Physical Oceanography Distributed Active Archive Center，PO.DAAC）开发的一种海洋风场产品[8-11]，它结合了SSM/I、TMI、AMSR-E、SeaWinds on Quik SCAT、SeaWinds on ADEOS-II等几种资料，利用变分方法得到。该数据主要分为两个阶段，1987年7月—1998年12月，这期间的数据主要基于ERA-40（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts（ECMWF）Reanalysis）数据；1999年1月至今，使用ECMWF的业务分析产品的海表风场资料，精度较之前的ERA-40再分析产品更高。CCMP风场的空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为6 h，空间范围为：78.375°S～78.375°N，179.875°W～179.875°E，时间范围从1987年7月至今。该风场在空间分辨率、数据精度等方面都优于Q/N混合风场、ERA-40海表10 m风场、NCEP风场，在国外得到广泛认可[8-11]。本文从中截取中国海及周边海域范围（0°～40°N，100°～130°E），分析风能密度的长期变化趋势，期望可以为海上风力发电、提水、供热等海上风能资源开发工作提供科学依据。

2.2 方法介绍

风能密度的大小是风能丰富程度最直接的体现。通常风能密度大于100 W/m2被视为可用，风能密度大于200 W/m2被视为丰富。因此，有必要首先计算风能密度。利用CCMP风场和风能密度的计算方法，计算得到覆盖整个中国海及周边海域、长时间序列（1988年1月1日00：00—2009年12月31日18：00）、高时空分辨率（逐6 h、0.25°×0.25°）的风能密度数据。基于近24 a逐6 h的风能密度数据，首先给出了中国周边海域年平均风速、风能密度的空间分布特征，然后计算了风速、风能密度的整体变化趋势，以及变化趋势的区域性和季节性差异。

风能密度[12]定义为垂直于气流的单位截面上风的功率，具体计算方法为：

式中：W 为风能密度（单位：W/m2），V为风速（单位：m/s），ρ为空气密度（单位：kg/m3）。由式（1）也可以明显看出，风能密度的大小与风速的三次方呈正比。

3 风能密度的长期变化趋势

基于1988年1月—2009年12月逐6 h的海表风速、风能密度数据，分析了近22 a期间中国海及周边海域风能密度的分布特征、初次计算了该区域风能密度的长期变化趋势、变化趋势的区域性差异和季节性差异。

3.1 年平均风速、风能密度分布特征

将1988年1月—2009年12月逐6 h的海表风速做平均，得到多年平均的海表风速；将1988年1月—2009年12月逐6 h的风能密度做平均，得到多年平均的风能密度（见图1）。

多年平均海表风速：大值区分布于琉球群岛-台湾岛-南海大风区（中南半岛东南海域，约以110°E，10°N为中心，东北-西南向的一个近似椭圆形区域[13]）一线，年平均风速基本在6.5 m/s以上，存在两个显著的大值中心：吕宋海峡和南海大风区，年平均风速可达7.5 m/s。渤海和黄海北部的风速整体偏低，基本在5.0 m/s以内。东海大部分区域在6.5 m/s以上，南海大部分区域在5.0 m/s以上。

多年平均风能密度：空间分布特征整体上与海表风速保持了较好的一致性，不难理解这是由于风能密度与风速的立方成正比造成的。大值区主要分布于琉球群岛-台湾岛-南海大风区一线，呈东北-西南向带状分布，能达到450 W/m2以上，尤其是吕宋海峡和台湾海峡，分别达到650 W/m2以上和550 W/m2以上。渤海、渤海海峡、黄海北部的年平均风能密度基本在200 W/m2以内；黄海中南部为200～350 W/m2；到了东海海域，海域变得更加宽阔，风能密度明显大于黄渤海，基本都在300 W/m2以上；5°N以北的南海大部分海域的风能密度基本都在200 W/m2以上，北部湾存在的风能密度的一个相对高值区，在200～300 W/m2之间，海南岛至吕宋海峡一带的风能密度基本都在350 W/m2以上。值得注意的是：台湾西南部近海和东北部近海的风能密度明显小于周边海域，这应该是由于台湾岛的地形效应所致，冬季盛行东北风，在台湾岛的阻挡作用下，台湾西南部近海风速较小，夏季盛行西南季风，在台湾岛的阻挡作用下，台湾东北部近海的风速相对较小，因而风能密度也较小。

3.2 风速、风能密度的季节性差异

为了展现中国近海海表风速、风能密度的季节性差异，分别计算了两者在春、夏、秋、冬的分布特征（见图2）。

春季：风速的大值区分布于琉球群岛、台湾周边海域、南海北部，在5.5 m/s以上。黄渤海和南海大部分区域在4.0 m/s以上。琉球群岛、台湾周边海域的风能密度在250 W/m2以上，中心可达350 W/m2以上，通常风能密度大于200 W/m2被视为丰富，显然，琉球群岛、台湾周边海域在春季的风能密度是比较丰富的。整个中国周边大部分海域的风能密度都在100 W/m2以上，通常风能密度大于100 W/m2被视为可用，显然，中国周边大部分海域的风能在春季都是可用的。

图1 中国海及周边海域风速和风能密度的分布特征

图2 中国海及周边海域海表风速（左）、风能密度（右）的分布特征

图2 （续）

夏季：在西南季风的影响下，风速的大值区分布于南海大风区，中心在7.0 m/s以上。东海和南海大部分区域的风速在5.0 m/s以上。黄海中南部、东海、南海大部分区域的风能在该季节是可用的（风能密度大于100 W/m2），南海大风区更是高达400 W/m2以上。

秋季：西南季风基本消退，冷空气逐渐盛行，风速的大值区分布于台湾岛周边海域，在8.0 m/s以上。东海、南海中北部的风速在6.0 m/s以上。中国近海大部分海域的风能在该季节是可用的，其中台湾周边海域在500 W/m2以上，大值中心更是高达700 W/m2以上。

冬季：在频繁的冷空气影响下，海表风速为全年最大，大值区分布于琉球群岛-台湾岛-南海大风区一线，在8.0 m/s以上，存在两个显著的大风中心：吕宋海峡及其西部海域、南海大风区。中国近海大部分海域的风能在该季节是可用的。东海的风能密度基本都在500 W/m2以上，南海大部分区域的风能密度在300 W/m2以上。

3.3 风能密度、风速的整体变化趋势

图3 中国海及周边海域逐年平均的海表风速和风能密度及其变化趋势

将1988年1月—1988年12月中国周边海域的海表风速做平均，得到0.25°×0.25°每个网格点上1988年平均的海表风速，然后再进行区域平均，得到1988年中国海域的海表风速，同样的方法得到近22 a每年的中国海域的海表风速，并分析其变化趋势（见图3a）；采用同样的方法得到近22 a每年的中国海域的风能密度及其变化趋势（见图3b）。在图3a中，相关系数|R|=0.87＞R0.01=0.51，通过了99%的信度检验，表明海表风速的线性变化趋势显著；回归系数为0.038 3，即在近22 a期间，中国海及周边海域的海表风速整体上以0.0383 m/（s·yr）的速度显著性逐年线性递增。同理，近22 a期间，中国海及周边海域的风能密度整体上以4.1637 W/（m2·yr）的速度显著性逐年线性递增，这对于风能资源开发是有利的。由风能密度的计算公式不难发现，风能密度的递增趋势是由风速的递增趋势造成的，Young等[14]的研究表明中国海及周边海域的海表风速在1988—2010年期间呈显著的递增趋势，本文的结论与Young等的结论相吻合。Zheng等[15]曾分析了中国海域的有效波高、波浪能的变化趋势，并指出：中国海域的有效波高在1988—2011年期间呈显著性递增，该趋势主要是由于6级以上大风频率的显著性递增造成的。由于中国海域处于大洋边缘，风浪在混合浪中所占比例较大，结合Zheng等[14]的研究结论不难理解，中国海域海表风速的显著性递增趋势是由于6级以上大风频率的显著性递增造成的。

在1988—1996年期间，中国海及周边海域的风能密度走势较为平缓，基本集中在195 W/m2；1996—1998年期间则表现出显著性递减趋势，并在1998年达到近22 a的波谷；1999年又迅速拉升，1999—2004年期间呈缓慢的波动状递增；2005—2009年走势又趋于平缓，年平均风能密度在260W/m2上下轻微波动。

3.4 风能密度变化趋势的区域性差异

为了展现中国海及周边海域风能密度变化趋势的区域性差异，本文还计算了0.25°×0.25°每个网格点上的风能密度在近22 a期间的逐年变化趋势（见图4）。首先将风能密度从1988年1月—1988年12月做平均，得到1988年平均的风能密度，同样的方法得到0.25°×0.25°每个网格点在1988—2009年逐年平均的风能密度，然后利用线性回归方法，计算得到0.25°×0.25°每个网格点的风能密度在近22 a期间的逐年变化趋势。图中的颜色代表风能密度的变化趋势，只有通过了95%信度检验的区域用彩色表示，其余白色海域表示风能密度的变化趋势未通过显著性检验。

在近22 a期间，中国海及周边海域大范围海域的风能密度表现出显著性逐年线性递增趋势，同时也表现出较大的区域性差异，仅部分零星海域的风能密度表现出显著性递减趋势。以15°N为界，以南的变化趋势基本较弱，在0～4 W/（m2·yr），以北的递增趋势则偏强，在4～12 W/（m2·yr），递增趋势强劲的区域主要分布于台湾岛周边海域（12 W/（m2·yr）以上，尤其是澎湖列岛-东沙群岛一带高达20 W/（m2·yr）以上）、对马海峡（12 W/（m2·yr）以上）。渤海也存在一相对大值区，在8～12 W/（m2·yr）。

图4 中国海及周边海域风能密度的其长期变化趋势（单位：W（/m2·yr））

3.5 风能密度变化趋势的季节性差异

为了展现中国海及周边海域风能密度变化趋势的季节性差异，本文还计算了0.25°×0.25°每个网格点上的风能密度在春季、夏季、秋季、冬季的变化趋势。首先将1988年3月—1988年5月的风能密度做平均，得到1988年春季的风能密度，采用同样的方法得到近22 a每个春季的风能密度，进而利用线性回归，计算得到0.25°×0.25°每个网格点上的风能密度在春季的变化趋势（见图5a）。采用同样的方法，计算得到风能密度在夏季、秋季、冬季的变化趋势。彩色区域表示通过了95%的信度检验。由图5可见，中国海及周边海域风能密度的变化趋势在近22 a期间表现出很大的季节性差异。冬季的递增趋势最为强劲，呈递增趋势的区域范围夜最广，春季次之，夏季和秋季呈显著性递增的区域范围相对较小。

图5 中国海及周边海域风能密度变化趋势（单位：W/m2/yr）

春季（见图5a）：大部分海域的风能密度呈显著性逐年递增趋势，朝鲜半岛周边海域、琉球群岛海域、台湾岛周边海域、吕宋海峡、南海北部近海的递增趋势相对强于其余海域，基本在5W/（m2·yr）以上，递增趋势强劲的区域主要分布于对马海峡（10 W/（m2·yr）以上）、吕宋海峡（10 W/（m2·yr）以上）、澎湖列岛-东沙群岛一带（15 W/（m2·yr）以上）。

夏季（见图5b）：呈显著性递增的区域范围较春季明显缩小，在泰国湾、南海北部海域、台湾岛周边海域、台湾岛以东洋面、黄渤海呈显著的递增趋势，递增趋势也没有春季强劲。在中南半岛以东大面积的椭圆状海域的风能密度午显著性变化趋势。

秋季（见图5c）：呈显著性递增的区域范围为四季中最小，仅在东海东部海域、南海金海、黄渤海呈显著递增趋势。值得注意的是澎湖列岛-东沙群岛一带递增趋势最为强劲，达到20 W/（m2·yr）以上。

冬季（见图5d）：呈显著性递增的区域范围为四季中最广，递增趋势也最为强劲。渤海海峡、黄海北部海域、对马海峡周边大范围海域、琉球群岛附近海域、台湾岛周边海域、南海北部海域、中南半岛东南部近海的风能密度递增趋势基本都在10 W/（m2·yr）以上，尤其是对马海峡周边大范围海域、澎湖列岛-东沙群岛一带、菲律宾西北部近海、中南半岛东南部近海的递增趋势最为强劲，高达20 W/（m2·yr）以上。

值得注意的是：对马海峡周边海域、澎湖列岛-东沙群岛一带在春季、秋季、冬季的递增趋势都特别强劲。

4 结论

本文利用1988—2009年、具有高时空分辨率的CCMP风场资料，分析了近22 a期间中国海及周边海域风能密度的分布特征、整体变化趋势、变化趋势的区域性差异和季节性差异，结果表明：

（1）中国海及周边海域风能密度大值区主要分布于琉球群岛-台湾岛-南海大风区一线，呈东北-西南向带状分布，年平均风能密度能达到450 W/m2以上，尤其是吕宋海峡和台湾海峡，分别达到650 W/m2以上和550 W/m2以上。渤海、渤海海峡、黄海北部的年平均风能密度基本在200 W/m2以内；黄海中南部为200～350 W/m2；东海基本都在300 W/m2以上；5°N以北的南海大部分海域的风能密度基本都在200 W/m2以上。北部湾存在的风能密度的一个相对高值区，在200～300 W/m2之间，海南岛至吕宋海峡一带的风能密度基本都在350 W/m2以上；

（2）近22 a期间，中国海及周边海域的风能密度整体上以4.163 7 W/（m2·yr）的速度显著性逐年递增；

（3）中国海及周边海域大范围海域的风能密度表现出显著性逐年线性递增趋势，同时也表现出较大的区域性差异，仅部分零星海域的风能密度表现出显著性递减趋势。15°N以南的变化趋势基本较弱，在0～4 W/（m2·yr），以北的递增趋势则偏强，在4～12 W/（m2·yr）。递增趋势强劲的区域主要分布于台湾岛周边海域（12 W/（m2·yr）以上）、对马海峡（12 W/（m2·yr）以上）；

（4）中国海及周边海域风能密度的变化趋势在近22 a期间表现出很大的季节性差异。冬季的递增趋势最为强劲，呈递增趋势的区域范围夜最广，春季次之，夏季和秋季呈显著性递增的区域范围相对较小。对马海峡周边海域、澎湖列岛-东沙群岛一带在春季、秋季、冬季的递增趋势都特别强劲。

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Long-term trend analysis of wind energy resource in the China Sea and adjacent waters based on the CCMP wind data

GAO Cheng-zhi1，ZHENG Chong-wei1，CHEN Xuan2
（1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018 China;2.The 75822 Army of the PLA,Guangzhou 510510 China）

Based on the high resolution Cross-Calibrated,Multi-Platform(CCMP)wind data from 1988 to 2009,the characteristics of annual average wind power density and the long-term trend of the wind power density in the China Sea and adjacent waters are analyzed to provide reference for the development of wind energy resources.Results show that:(1)the high value area of the wind power density mainly distributes in the Ryukyu Islands-Taiwan Island-southeast of the Indo-China Peninsula,northeast-southwest to zonal distribution,with an annual value greater than 450 W/m2.The annual average wind power is within 200 W/m2in the Bohai Sea,Bohai Strait,north of the Yellow Sea,200～350 W/m2in the middle-south Yellow Sea,above 300 W/m2in most of the East China Sea,above 200 W/m2to the north of 5°N in the South China Sea.(2)Over the last 22 years,the annual average wind power density increases gradually with a rate of 4.1637 W/（m2·yr）.(3)Most of the China Sea wind power density exhibit an obvious increasing trend,only some small areas have no significant changing trend.There are obvious regional differences in the increasing trend of wind power density.(4)The increasing trend of the wind power density also exhibits significant seasonal differences.The increasing trend is strongest in winter,showed an increasing trend of regional widest range,followed by spring,summer and autumn showed significant incremental area is relatively small.

CCMP wind data;China Sea and adjacent waters;wind power density;long-term trend

P74

A

1003-0239（2017）05-0027-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.05.003

2016-11-14；

2017-02-08。

河口海岸学国家重点实验室开放基金资助项目（SKLFC-KF201707）；中科院可再生能源重点实验室开放课题（Y707K31001）；高端科技创新智库青年项目（DXB-ZKQN-2016-019）；山东省自然科学基金（ZR2016DL09）。

高成志（1981-），男，工程师，博士，主要从事信息处理技术研究。E-mail：gczlxd@163.com