海上风能等级区划研究：瓶颈与对策

原文刊载于《中国科学院院刊》2023年第4期“科技与社会”，本文为精简改编版

郑崇伟1,2* 李崇银2

1 海军大连舰艇学院

2 中国科学院大气物理研究所 LASG国家重点实验室

“海洋命运共同体”“海上丝绸之路”是为全人类谋福祉的宏伟倡议，在推进过程中能源困局凸显，制约海洋高质量建设。如何应对愈发严峻的资源危机已成为全人类共同的责任。2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话中规划了我国“碳达峰碳中和”（简称“双碳”）目标。2021年9月，在第七十六届联合国大会一般性辩论上的讲话中指出“不再新建境外煤电项目”。2022年党的二十大报告强调“确保能源安全”。可再生、储量大、分布广等诸多优点使得海上风能成为国际新焦点，可为边远海岛、海洋牧场、无人系统等供电，将是突破能源危机、推动互联互通、实现“双碳”目标的重要支撑。

掌握资源特征是实现海上风能高效开发的前提，但资源评估领域一直被欧美主导，不利于我国自主高质量发展。海上风能评估大体经历了4个阶段：有限观测资料阶段、卫星观测资料阶段、数值模拟阶段、多资料融合阶段。前人在资源时空特征方面作了大量贡献，但在风能布局和选址方面仍面临瓶颈。合理的资源等级区划是海上风能宏观战略布局、微观精准选址的决策依据。但传统风能等级区划方案只考虑了资源特征，未兼顾环境风险和成本效益，且区划结果固定不变，导致出现资源等级区域差异不显著、难以满足多样化任务需求等一系列问题。以应对上述问题为牵引，本文首先梳理国内外海上风能等级区划的研究进展，剖析传统方案面临瓶颈，最后提出对策建议，以期推动海上风电的产业化、规模化，助力“双碳”目标。

1.海上风能等级区划研究进展

根据风能等级区划方案考虑要素的完善程度，国内外的海上风能等级区划主要划分为 3 个阶段：

初级探索阶段

1981 年，世界气象组织按风功率密度（WPD）和风速将风能分为 10 个等级。1986 年，美国能源部（DOE）根据 WPD 和风速将风能划分为 7 个等级（表 1）。2005 年，美国新能源国家实验室根据 WPD 对全球海上风能展开了区划。我国科学家依据 WPD分别 对中国近海、巴基斯坦东南部等海域的风能展开了区划，对于海上风能开发起到了重要推动作用。整体来看，早期风能等级区划采用的指标比较单一，主要考虑WPD和风速。

表1 美国能源部的风能等级区划方案

中期发展阶段

随着评估能力提升，在风能等级区划时可以考虑更多指标。国家发展和改革委员会（NDRC）曾提出一套风能等级区划方案，为国家风能宏观布局提供了支撑。2012 年，郑崇伟等综合 DOE 和NDRC的风能区划方案（表 2），展开了中国海域风能等级区划。2014 年，郑崇伟和潘静利用表 2 方案，展开了全球海上风能等级区划（图 1），为海上风电的宏观布局提供了参考。2015 年，栗冬慧依据 WPD、有效风力时数展开了中国海域风能等级区划。2017 年，郑崇伟 等提出全时节风能等级区划新理念（各月等级区划），并以全球海域作为实例研究。

表2 2012年郑崇伟 等综合国家发展和改革委员会和美国能源部方案的风能等级区划方案

图1 2014 年郑崇伟和潘静利用表 2 方案得到的全球海域风能等级区划图

相对成熟阶段

随着风能可利用率和能级频率被定义，这两个关键指标被应用于风能等级区划。2018 年，郑崇伟等构建了一套能兼顾资源特征、环境风险、成本效益的风能等级区划方案。技术路线为：

1. 要素选取。包括 WPD、有效风速频率（EWSO）、富集率（RLO）、水深（WD）、离岸距离（DC）、极值风速（EWS）、变异系数（Cv）、月变化指数（Mv）8个关键要素。

2. 要素的标准化处理。利用风场、水深、海岸线数据，计算得到 WPD、EWSO、RLO、WD、DC、EWS、Cv、Mv，并将上述要素标准化处理。

3. 权重评估。邀请本领域知名专家评估各要素权重。

4. 风能等级区划。基于各要素的权重和标准化后的数值，计算得到风能等级期望值，将其划分为 7 个等级（表 3），从而实现风能等级区划（图 2）。与传统区划结果相比，新方案实现了风能资源要素的充分考虑，在展现风能等级的区域差异方面得到显著提升。

表3 2018年郑崇伟等设计的风能等级区划方案

图2 2018年郑崇伟等利用独立设计的区划方案得到的全球海域风能等级区划

为了对比传统和新风能等级区划方案，将图 1 和图 2 中的印度洋 20°S—13°S 海域的区划结果放大（图 3）。发现该海域在新方案中属于 4 级风能（图 3a），而在传统方案中则属于 7 级风能（图 3b）。哪个方案合理？根据“三风四带”，该海域属于东南信风带，风力强度远远无法与南半球西风带相比。显然，传统方案将印度洋 20°S—13°S 海域和南半球西风带共同划为最高的 7 级风能并不合理。

图3 基于新方案、传统方案的南印度洋风能等级区划（a）新风能等级区划方案；（b）传统风能等级区划方案

在优化了全球海域风能宏观区划后，郑崇伟等提出微观资源等级区划的理念，并以新西兰海域作为实例（图 4a），解决了资源等级区域差异难展现的瓶颈，并进一步提出了动态自适应风能等级区划的理念，并以新西兰海域为实例（图 4b-d）。主要设定了商业开发、应急供电、用电量巨大3种情景，根据需求差异合理调整要素权重，实现了不同需求下的资源等级区划，被国内外同行大量采用。2019 年，郑崇伟等指出不仅需要分析过去的资源等级，更需要关注未来的资源等级，并展开了未来不同排放情景下全球海域风能等级区划。

图4 不同需求下的新西兰周边海域风能等级区划（a）常规需求；（b）商业开发；（c）应急供电；（d）用电量巨大

2.传统海上风能等级区划方案面临瓶颈

2.1未兼顾资源、风险、成本，制约宏观战略布局

目前国际通用的是美国DOE 的风能等级区划方案。但该方案只考虑了资源特征，未能兼顾环境风险尤其社会风险，制约能源风险应对能力。另外，水深、离岸距离等成本要素也没能充分考虑，不利于降低建设成本。导致传统方案在提高采集效率、保障建设安全、扩大投资效益方面受限。

2.2资源等级的区域差异不显著，制约微观精准选址

现有的风能等级区划多是宏观区划，资源等级的区域差异不显著。 如传统区划结果表明，中国南海大部分区域属于6—7级风能，资源等级的区域差异不明显，区划结果难以为上述海域的风电场精准选址提供有效依据。

2.3区划结果不具普适性，限制多样化开发

不同风能开发需求对各要素的关注程度截然不同。如商业开发，关注与并网难度和投资成本密切相关的水深和离岸距离，以降低成本。岛礁供电重视资源可利用率，以尽可能提升电力自给自足能力。而在传统风能等级区划方案中，各指标的权重固定不变，导致区划结果不具普适性。

2.4在部分月份不适用，限制全时节开发

传统风能等级区划展开的是全年等级区划，对非常年布放的风能装置不具参考价值。如全年风能区划结果表明，南海大部分区域属于风能富集区，这主要是由夏季和冬季的季风贡献的，而春秋过渡季节风力较弱。如果以全年区划结果来指导南海春秋季节的风能开发，则会出现较大偏差。

2.5对未来的风能等级区划预估不足，制约长期规划布局

现有工作主要是利用历史风场数据，对过去的风能展开等级区划，可为当前的风能开发选址提供参考。但对未来风能展开等级区划的工作几近空白，不利于风能资源开发的长期规划布局。

2.6部分区划结果与机理不符，导致选址依据不准确

传统区划结果表明：印度洋 30°S—35°S 海域属于 6—7 级风能，资源等级优越。而相对成熟阶段的动态自适应风能区划结果表明该海域是 2—3 级风能，属于相对劣势区。哪个方案更合理？该海域处于南半球西风带和东南信风带之间的过渡带，风速较小。显然，传统方案高估了该海域的风能等级，与机理不符。

3.对策建议

如何优化与促进海上风能等级区划，更好地推动海上风能产业化、规模化？需要从技术和理论层面解决海上风能开发的宏观战略布局、微观精准选址、长期科学规划难题，以及从机构和学科建设、国家品牌建设等方面加强工作。

技术和理论突破

3.1突破技术瓶颈，支撑布局选址

为解决传统风能等级区划面临的6个瓶颈，本文提出创建具有自主知识产权、全风险要素、全时节可用、全海域适用、动态自适应的风能等级区划方案。

1.全风险要素，即风能等级区划需要兼顾自然和社会环境风险，以及成本效益，解决传统方案容易遗漏关键要素的问题。

2.全时节可用，即风能等级区划需要包括全年和各月、历史和未来的资源区划，解决传统方案在部分月份不适用、对未来预估不足的问题。

3. 全海域适用，即风能等级区划既要覆盖全球海域，也要满足局部海域的资源等级区划，解决传统方案难以展现资源等级区域差异的难题。

4.动态自适应，即区划方案需要能够满足商业开发、应急供电等多样化开发需求，解决传统方案不具普适性的难题。

3.2提高理论储备，引导行业标准

未来有必要利用全风险要素、全时节可用、全海域适用、动态自适应的风能等级区划方案，展开全球和战略攸关海域、不同需求下、全时节（全年和各个月份、历史和未来）的海上风能宏观/微观等级区划，并绘制全球海域风能等级动态图谱，为海上风能开发的宏观战略布局、微观精准选址、长期科学规划提供理论储备、决策支持。该方案（图5）同样为波浪能、温差能、海流能等海洋新能源的等级区划提供了技术途径。未来有必要推动该方案建设成为资源等级区划领域的国家标准、国际标准，夯实国际话语。

图5 动态自适应资源区划流程图

机构和学科建设

1)创建协同中心，支撑国家布局

目前关于“海上丝路”的研究丰富，但整体多而不精、广而不深、体系性弱。建议打造国家级“海上丝路”新能源协同中心，整合多方资源，形成合力突破新能源开发面临的宏观战略布局、微观精准选址、短期精准预报、长期科学预估、环境风险规避、新能源应用大数据建设等瓶颈，打破“小作坊”式研究现状，从根源上解决小、散、多的现象，提升为国家新能源布局解决实际问题、提供决策支持的能力。

2)创建学科集群，创新人才培养

国家倡议面临的相关瓶颈，归根结底是学科建设、人才培养的问题。建议创建国家倡议需求下的学科集群（如“海洋命运共同体”学科集群），聚焦海洋新能源开发、风险监测预警、新能源大数据建设等前沿交叉领域，开设国家倡议主题课程。提出“硕博化开展本科教育”跨越式人才培养理念，缩短培养周期，提高培养质量。着力培养海洋新能源尖端专业人才、具有综合专业素养的智库人才。以前沿学科集群为支撑，创新人才队伍为根本，支撑国家倡议高质量建设。

国家品牌建设

1)发布能源数据，展现大国担当

海洋大数据是综合国力的重要标志，但该领域始终被欧洲中期天气预报中心（ ECMWF） 等欧美机构主导。例如，在海浪统计分析时，ERA5等资料比较通用，但却来自欧美。欧美提供的海洋大数据多为原始数据，存在体量大、信息密度低的弱点。科学地从海量原始数据中提取关键信息，建立应用大数据，是实现海洋高质量建设的核心所在，也是欧美亟待攻克的难题。建议我国大力推动海洋应用大数据建设，探寻弯道超车突破口。Zheng 等创建的首套“海上丝路”新能源大数据得到国际同行认可和应用，为我国海洋大数据弯道超车提供了新思路。

2)推动国家品牌，重塑国际话语

建议通过创立国际奖项、创办专业期刊、主持领域专刊等措施，重塑海洋新能源领域的国际话语体系，促建“海洋命运共同体”“海上丝路”等国家品牌。创立以国家倡议为主题的国际奖项（如“海洋命运共同体”国际新能源奖），打破国际奖项的设置、评审被国外主导的传统。创办以国家倡议为主题的期刊、专刊、峰会，不断凝聚国际共识与支持。Zheng 等推出了以“海上丝路”为主题的新能源大数据1套、英文丛书1套、主旨报告/专题讲座16场、专题研究3期、主持专刊5期（3期 SCI），带动了大量国内外专家为国家倡议贡献智慧和力量，为本建议提供了技术途径。

4.结论与展望

俄乌冲突、全球气候异常等导致的能源危机，给各国能源安全提出了警示。海上风能等海洋能将是突破能源危机、实现“双碳”目标的重要支撑。但为何装备先进的欧洲国家难以依靠海洋能度过能源危机，根源在于其海洋能战略规划时未能考虑国际环境风险影响和极端天气威胁等因素。整体来看，全风险要素、全时节可用、全海域适用、动态自适应的风能等级区划方案具有以下优势：

1. 兼顾资源特征、环境风险、成本效益；

2. 可充分展现资源等级的区域差异；

3. 满足多样化开发需求；

4. 全时节适用；

5. 实现了未来风能等级区划；

6. 与物理机制吻合。

解决了传统风能等级区划方案面临的6个瓶颈，有利于增强能源风险抵御能力，可为海上风能宏观战略布局、微观精准选址、长期科学规划等提供科技支撑、决策支持，也为波浪能、温差能、海流能等海洋新能源的布局和选址提供了技术途径。

未来有必要参考本文提出的新风能等级区划方案，展开全球和战略攸关海域、不同需求下、全时节（全年和各月、历史和未来）的海上风能宏观/微观等级区划，并绘制风能等级区划动态图谱，为推动海上风能的产业化、规模化积累一手基础信息和理论储备，助力“双碳”目标，保障国家能源安全；并推动该方案建设成为海洋新能源区划领域的国家标准、国际标准，夯实国家在该领域的国际话语权。积极推动创新成果与“海上丝路”沿线国家和地区共享，增强国家倡议的凝聚力、向心力。

郑崇伟 海军大连舰艇学院副教授。主要研究领域：海洋新能源评估、物理海洋、全球气候变化等。

李崇银 中国科学院大气物理研究所研究员，中国科学院院士。主要研究领域：气候动力学和海气相互作用。

文章源自：

郑崇伟, 李崇银. 海上风能等级区划研究：瓶颈与对策. 中国科学院院刊, 2023, 38(4): 654-665.

DOI: 10.16418/j.issn.1000-3045.20220605002