南中国海风场和海浪场统计分析及其应用

摘要

伴随着21世纪海上丝绸之路建设的开展，以及南中国海岛礁建设的全面铺开，我国对新能源建设的需求越来越多。波浪能因其储量巨大，可再生的，对环境无害等特点，成为目前世界各国最为追求的新能源之一。所以我国有必要在南中国海就地进行波浪能的建设。能源建设评估先行，本文立足于南中国海新能源建设的需求，对南中国海的风场和海浪场进行统计分析，并对波浪能进行评估。
　　本文利用CCMP(Cross-Calibrated Multi-Platform，交叉定标多平台海表风场)风场，驱动第三代波浪模型WAVEWATCH-Ⅲ(WW3)，对1988年8月至2011年7月南海的波浪场进行了模拟，进而分析了南中国海海域的波侯(风侯)特征和波浪能特征。
　　主要结论如下:
　　(1)东沙群岛至吕宋海峡地区南海年平均能流密度最大值达到18千瓦/米，冬季达到27千瓦/米。南海全年能流密度基本在2千瓦/米以上。从季节上考虑，夏、春两季的能流密度略低，秋、冬两季略高。能流密度的稳定性方面南中国海南部和北部地区存在显著差异。北部地区能流密度稳定性较好，变异系数Cp较小，基本小于5％。在南中国海南部，特别是在中南半岛东南部的传统大风区域，由于长山山脉对冬季风和夏季风的影响，能流密度不太稳定，变异系数Cv值较大，达到7％以上。
　　(2)整个南海春季海表风速呈现上升趋势，夏季和冬季均有一定海域的海表风速略有上升，其中夏季增加的区域最少。北部湾、泰国湾、台湾海峡南部、南海北部，吕宋岛西部和北部以及加里曼丹西北部，四季风速均有明显增长。风速的变化主要是受大气环流、南海季风变化、厄尔尼诺现象等影响所致。
　　(3)通过对南中国海12个月风场以及风速年平均值距平EOF分析，发现第三模态的空间分布与南中国海周围的地形分布基本一致，表明中尺度地形对南中国海夏季风场和冬季风场分布有重要影响，南中国海夏季和冬季的能流密度分布和稳定性也与中尺度地形密切相关。
　　(4)由于能源研究与地理位置信息密切相关，因此GIS(Geographic Information System，地理信息系统)技术在该领域的应用前景十分广阔。地理信息系统数据库可以提供准确有效的信息供波浪能研究人员和资源开发决策者使用。GIS的空间分析技术也可以为掠海飞行器的路径优化做出帮助。
　　本文第一次系统的研究了南中国海海表风速的长期变化规律，并对南中国海周边的中尺度地形对风侯和波浪能的影响进行了细致的分析，通过对南中国海波侯(风侯)以及波浪能的研究，在技术上为我国海上丝绸之路战略的展开提供了实质的支持。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1研究背景与意义

1．1．1南中国海岛礁建设能源需求

1．1．2中国节能减排规划对新能源的需求

1．1．3飞行器掠海飞行和路径规划对海浪场先验知识的需求

1．2国内外相关工作研究进展

1．2．1风特性统计分析研究进展

1．2．2海浪特征统计分析研究进展

1．2．3波浪能评估研究进展

1．2．4 GIS在能源领域应用的研究进展

1．2．5击水概率与路径优化的研究进展

1．3南中国海波浪能研究面临的问题

1．4针对存在问题采取的解决方法及论文体系结构

1．5本章小结

2风场和海浪模式的选择与验证

2．1 基于变分分析的再分析风场选择

2．2海浪模式的进展

2．3改进的第三代海浪模式

2．3．1第三代海浪模式WW3

2．3．2浅水区考虑底摩擦和泥浆影响的WW3海浪模式

2．3．3改进海浪模式的模拟与验证

2．4本章小结

3 基于变分分析风场的南中国海风侯研究

3．1海表风场的季节特征

3．2风力等级频率和风向频率

3．2．1风力等级频率

3．2．2风向频率

3．3海浪浪场的季节特征

3．4海浪波周期的季节特征

3．5浪级频率和浪向频率

3．5．1浪级频率

3．5．2浪向频率

3．6极值风速与极值波高

3．7本章小结

4 南中国海海表风速与波高的变化趋势研究

4．1南中国海每个网格点上海表风速与波高的逐年线性趋势

4．2南中国海每个网格点上海表风速逐季变化趋势

4．3南中国海区域平均后海表风速与波高的逐年线性趋势

4．4南中国海风速变化原因研究

4．5本章小结

5南中国海波浪能评估

5．1 能流密度季节特征

5．2能级频率季节特征

5．3波浪能稳定性季节特征

5．4可用区有效时间季节特征

5．5 南海每个网格点上能流密度的逐年线性趋势

5．6本章小结

6中尺度地形对南中国海波浪能影响研究

6．1南中国海周边的中尺度地形

6．2中尺度地形对风的影响

6．3 中尺度地形对波浪能的影响

6．4中尺度地形对海表风速、波高的时空分布特征的影响

6．5本章小结

7基于GIS的波浪能地图研究

7．1波浪能模拟与GIS结合的可行性研究

7．2基于GIS的波浪能地图实现

7．2．1 GIS波浪能地图数据采集渠道

7．2．2 GIS波浪能评估可视化实现

7．3掠海飞行器的飞行路径优化研究

7．4本章小结

8结论与展望

8．1 结论

8．2创新点

8．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介