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海洋波浪及其利用(精) 版權信息
- ISBN：9787030712325
- 條形碼：9787030712325 ; 978-7-03-071232-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
海洋波浪及其利用(精) 內容簡介
本書論述了海洋波浪的特征規律及其應用前景。全書堅持理論與實踐相結合的原則，對海洋波浪的形成發展、理論描述、資源評估和開發利用進行了系統性、精細化的闡述，旨在為廣大波浪能源開發研究人員提供一部基礎性強、內容全面的著作，并積極推進我國海洋波浪能的開發利用和可持續發展。 本書可以為海洋波浪能發電、海水淡化等資源開發工作提供借鑒，也可以供海洋工程、能源開發等相關行業的研究人員及師生閱讀參考。
海洋波浪及其利用(精) 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 海洋波浪對人類的影響 1
1.1.1 海洋波浪對人類生活的災難性影響 2
1.1.2 海洋波浪對船舶航行和海上作業的影響 2
1.1.3 海洋波浪對緩解能源危機的影響 3
1.2 海洋波浪資源特征研究現狀 3
1.3 海洋波浪能開發利用現狀 5
1.4 波浪能發電研究進展 7
1.4.1 國外波浪能發電研究現狀 7
1.4.2 國內波浪能發電研究現狀 8
1.5 波浪能開發的意義和優勢 9
1.5.1 波浪能開發的意義 9
1.5.2 波浪能開發的優勢 10
第2章 海洋波浪概述 11
2.1 海洋波動現象 11
2.2 海洋波浪的形成與傳播 12
2.2.1 海洋波浪的形成 12
2.2.2 海洋波浪的分類 13
2.2.3 海洋波浪的傳播 14
2.2.4 海洋波浪的破碎 15
2.3 海洋波浪觀測及預報 16
2.3.1 海洋波浪觀測 17
2.3.2 海洋波浪預報 22
2.4 海嘯與風暴潮 23
2.4.1 海嘯 24
2.4.2 風暴潮 25
第3章 波浪運動及其理論 29
3.1 海洋波浪研究基礎 29
3.1.1 海洋波浪研究方法 29
3.1.2 海洋波浪要素 30
3.1.3 波浪運動基本方程 35
3.2 線性波浪理論 39
3.2.1 前進波 40
3.2.2 駐波 44
3.2.3 波群 45
3.3 非線性波浪理論 47
3.3.1 斯托克斯波理論 47
3.3.2 橢圓余弦波理論 53
3.3.3 流函數波浪理論 57
3.3.4 孤立波理論 59
3.4 各種波浪理論的適用范圍 61
3.5 波浪對結構物的作用力 62
3.5.1 莫里森方法 63
3.5.2 繞射理論 68
3.5.3 莫里森方法與繞射理論的關系 75
第4章 隨機過程的海洋波浪 78
4.1 隨機波浪的統計特征 78
4.1.1 隨機變量及其統計特征 78
4.1.2 海洋波浪的各態歷經性 81
4.1.3 波高與周期分布 82
4.2 隨機波浪的譜特性 88
4.2.1 波浪譜 88
4.2.2 常見的波浪頻譜 92
4.2.3 常見的波浪方向譜 97
4.2.4 譜與波浪要素的關系 99
4.3 波浪的能量特征 100
4.3.1 線性波的能量傳輸 100
4.3.2 隨機波浪的能量 105
第5章 海洋波浪能資源特征 107
5.1 波浪能資源評估 107
5.1.1 資源評估等級和流程 107
5.1.2 數據收集 108
5.1.3 數值模擬 112
5.1.4 測量-關聯-預測法 113
5.1.5 數據分析 114
5.1.6 資源評估技術報告 115
5.2 全球波浪能資源 115
5.2.1 全球海洋的波浪環境特征 115
5.2.2 全球波浪能資源特征 116
5.3 中國近海波浪的環境特征 119
5.3.1 渤海波浪的環境特征 119
5.3.2 黃海波浪的環境特征 123
5.3.3 東海波浪的環境特征 129
5.3.4 南海波浪的環境特征 138
5.3.5 近海波浪資源的利用特點 147
5.4 中國波浪能資源 149
5.4.1 中國近海波浪能的季節特征 150
5.4.2 近海及毗鄰海域波浪能資源分布 151
5.4.3 中國沿岸波浪能資源分布 153
5.4.4 重點海域波浪能資源評估 155
第6章 波浪能利用與發展前景 159
6.1 波浪能利用方式 159
6.2 波浪能發電的典型應用 163
6.3 波浪能發電的發展前景 175
參考文獻 178
前言
第1章 緒論 1
1.1 海洋波浪對人類的影響 1
1.1.1 海洋波浪對人類生活的災難性影響 2
1.1.2 海洋波浪對船舶航行和海上作業的影響 2
1.1.3 海洋波浪對緩解能源危機的影響 3
1.2 海洋波浪資源特征研究現狀 3
1.3 海洋波浪能開發利用現狀 5
1.4 波浪能發電研究進展 7
1.4.1 國外波浪能發電研究現狀 7
1.4.2 國內波浪能發電研究現狀 8
1.5 波浪能開發的意義和優勢 9
1.5.1 波浪能開發的意義 9
1.5.2 波浪能開發的優勢 10
第2章 海洋波浪概述 11
2.1 海洋波動現象 11
2.2 海洋波浪的形成與傳播 12
2.2.1 海洋波浪的形成 12
2.2.2 海洋波浪的分類 13
2.2.3 海洋波浪的傳播 14
2.2.4 海洋波浪的破碎 15
2.3 海洋波浪觀測及預報 16
2.3.1 海洋波浪觀測 17
2.3.2 海洋波浪預報 22
2.4 海嘯與風暴潮 23
2.4.1 海嘯 24
2.4.2 風暴潮 25
第3章 波浪運動及其理論 29
3.1 海洋波浪研究基礎 29
3.1.1 海洋波浪研究方法 29
3.1.2 海洋波浪要素 30
3.1.3 波浪運動基本方程 35
3.2 線性波浪理論 39
3.2.1 前進波 40
3.2.2 駐波 44
3.2.3 波群 45
3.3 非線性波浪理論 47
3.3.1 斯托克斯波理論 47
3.3.2 橢圓余弦波理論 53
3.3.3 流函數波浪理論 57
3.3.4 孤立波理論 59
3.4 各種波浪理論的適用范圍 61
3.5 波浪對結構物的作用力 62
3.5.1 莫里森方法 63
3.5.2 繞射理論 68
3.5.3 莫里森方法與繞射理論的關系 75
第4章 隨機過程的海洋波浪 78
4.1 隨機波浪的統計特征 78
4.1.1 隨機變量及其統計特征 78
4.1.2 海洋波浪的各態歷經性 81
4.1.3 波高與周期分布 82
4.2 隨機波浪的譜特性 88
4.2.1 波浪譜 88
4.2.2 常見的波浪頻譜 92
4.2.3 常見的波浪方向譜 97
4.2.4 譜與波浪要素的關系 99
4.3 波浪的能量特征 100
4.3.1 線性波的能量傳輸 100
4.3.2 隨機波浪的能量 105
第5章 海洋波浪能資源特征 107
5.1 波浪能資源評估 107
5.1.1 資源評估等級和流程 107
5.1.2 數據收集 108
5.1.3 數值模擬 112
5.1.4 測量-關聯-預測法 113
5.1.5 數據分析 114
5.1.6 資源評估技術報告 115
5.2 全球波浪能資源 115
5.2.1 全球海洋的波浪環境特征 115
5.2.2 全球波浪能資源特征 116
5.3 中國近海波浪的環境特征 119
5.3.1 渤海波浪的環境特征 119
5.3.2 黃海波浪的環境特征 123
5.3.3 東海波浪的環境特征 129
5.3.4 南海波浪的環境特征 138
5.3.5 近海波浪資源的利用特點 147
5.4 中國波浪能資源 149
5.4.1 中國近海波浪能的季節特征 150
5.4.2 近海及毗鄰海域波浪能資源分布 151
5.4.3 中國沿岸波浪能資源分布 153
5.4.4 重點海域波浪能資源評估 155
第6章 波浪能利用與發展前景 159
6.1 波浪能利用方式 159
6.2 波浪能發電的典型應用 163
6.3 波浪能發電的發展前景 175
參考文獻 178
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海洋波浪及其利用(精) 節選
第1章 緒論 隨著煤炭、石油、天然氣等傳統化石能源的日漸枯竭，世界范圍內的能源危機愈演愈烈，各國都堅持走能源可持續發展道路[1，2]，相繼制定了各自的新能源戰略規劃，聚焦于風能、太陽能、海洋能、地熱能等清潔可再生能源的開發和利用[3-6]。海洋占據了地球表面積的71%，是地球上*大的能量收集器和儲存場所，蘊藏著豐富的資源，包括種類繁多的生物資源、儲量豐沛的礦產資源、數不勝數的化學資源以及動力資源，具備為人類生存和社會發展提供能源保障的物質基礎[7-9]。 海洋波浪能直接以機械能的形式存在且開發過程中對環境的影響較小，綜合可利用時間超過90%，遠高于風能和太陽能的20%，是*具發展前景的海洋能源利用形式[10]。“海洋開發、理論為基、評估先行”，深入了解海洋波浪的本質規律及其環境特征是人類高效開展海洋經濟活動的先決條件。 黨的十九大報告指出，堅持陸海統籌，加快建設海洋強國；要以“一帶一路”建設為重點，形成陸海內外聯動、東西雙向互濟的開放格局。國家發展和改革委員會與國家能源局在《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》中也強調，加強海洋能開發利用，研制高效率的波浪能、潮流能等發電裝置。這是黨和國家對海洋事業提出的新要求，為今后一段時期的海洋開發和建設提供了基本依據。在這一背景下，國內海洋波浪能發展再次提速。與其他可再生能源相比，海洋波浪能的優越性非常明顯[11]。“十三五”以來，國家持續加大海洋波浪能開發利用的力度，我國的波浪能利用迎來前所未有的發展機遇，成為新能源發展過程中的“寵兒”。先期的海洋波浪理論探索和環境研究直接決定著未來波浪能源開發的成敗。 1.1 海洋波浪對人類的影響 地球接收太陽照射，日照受熱不均勻形成了大氣層空氣的運動，流動的風掠過海水表面形成了海洋波浪。無盡的風能以波浪運動的形式儲存在海水中，且能傳播到極為遙遠的地方。因此，波浪中蘊含的能量是極不均勻的，狂風暴雨形成的波浪對人類的海洋活動會帶來災難性后果，而和風細雨引起的波浪則可以成為人們獲取能源的寶庫。 1.1.1 海洋波浪對人類生活的災難性影響 海洋表面風浪與人類的生產生活息息相關，海洋波浪的破壞力巨大。撲岸巨浪曾將幾十噸的巨石拋到20m高處，曾將萬噸輪船舉上海岸，也曾將護岸的兩三千噸重的鋼筋混凝土構件掀翻。據統計，海洋波浪災害所造成的人員傷亡在所有海洋災害中居于首位，同時也帶來了嚴重的經濟損失[12]。 我國由海洋波浪所引發的海難年平均有70余次，損失約1億元。1949～1982年的34年中，僅被交通部門和海軍救助的船只就達到6295艘次，其中約1500艘船只的海難事故是由巨浪引起的。1968～2008年，我國巨浪災害共出現70次，沉船52063艘，造成直接經濟損失233.5億元。1982～1990年，中國近海因臺風浪翻沉各類大小船只14345艘，損壞9468艘，平均每年沉沒和損壞各類船只2600余艘。1979年11月，我國“渤海2號”鉆井船受寒潮帶來的大浪襲擊而沉沒；1999年11月，“大舜號”客船從煙臺駛往大連途中，遭遇寒潮大風浪而傾覆，直接經濟損失9000多萬元；2013年9月，廣東臺山和香港5艘漁船在西沙珊瑚島附近海域遭受強臺風“蝴蝶”襲擊，2艘沉沒、1艘失去聯系；2018年7月，兩艘游船在返回泰國普吉島途中，突遇特大暴風雨發生傾覆。通過這些事故可以看到，惡劣氣候下的海洋波浪會對人類帶來不可估量的災難性影響，充分掌握其環境特征對防災減災具有非常實用的價值。 1.1.2 海洋波浪對船舶航行和海上作業的影響 狂風巨浪對船舶航行和海上作業同樣有著很大影響。海洋波浪對船舶的影響主要是使船舶發生偏擺、中垂、中拱、掩埋振蕩、螺旋槳空轉失速等。海洋波浪較大時還會造成船舶的傾覆，大涌浪能使近岸活動的船舶觸底擱淺。大浪能使航行中的船舶航向和航速發生改變，使錨固停泊的船舶發生漂移。如果中、小型船舶的長度和波長相近，那么大涌浪可能使其發生中垂和中拱現象，從而遭到嚴重損傷，甚至損毀。 高海況會使海上作業人員發生暈動病，造成精力和體力的下降，嚴重時會引起非戰斗減員，影響海上作業、施工進度和工程效果。據研究，一般風浪時人員暈船的發生率為10%～30%，大風浪時高達60%，未經訓練的人暈船率為50%～90%。臺風造成的臺風浪會直接給人類的生命、財產安全帶來巨大的威脅。 大浪對海上施工會帶來不利影響，嚴重時甚至會將施工平臺損毀，海洋工程中對極值波高都較為關注。高海況會對海上工程建設活動帶來嚴重影響，使得起吊設備、救生器材無法正常使用。惡劣海況會對船舶航行的安全造成影響，從而阻礙工程建設任務的順利完成。這就需要人們在開展海洋工程實踐時充分掌握相關海域的風候、波候等環境特征，以便制定相應的預案。 1.1.3 海洋波浪對緩解能源危機的影響 狂風巨浪能給人類帶來巨大的危害和災難，但如果能夠深入把握其本質規律和環境特征，充分利用波浪能資源，同樣可以因地制宜為人類帶來福祉，成為將來人類的巨大能源補給基地。海洋波浪能發電是目前各發達國家追逐的焦點之一，還可以促進海水上下層的混合，使海水層中擁有更充沛的氧氣，滿足海中魚類和其他動植物的需要，有利于漁業的發展。 我國管轄的海域約300萬km2，大陸海岸線長達1.8萬km，約有偏遠海島7300多個(面積超過500m2)，陸域總面積接近8萬km2，星羅棋布分散在我國海域各個角落，其中常住居民的有455個，總人口470多萬[13]。有居民的海島能源十分緊張，嚴重制約了邊遠海島的經濟活動。我國在2009年的各種能源消耗總量相當于22.52×108t原油，歷史上首次超越美國，成為世界**大能源消耗國。據統計，2040年全球能源消耗將比2010年高出30%左右，能源危機已經成為制約我國乃至全球可持續發展的瓶頸問題，發揮沿海、邊遠海島的可再生能源優勢，大力實施海洋波浪能發電，將有效緩解能源危機，促進我國能源的可持續發展。 1.2 海洋波浪資源特征研究現狀 海洋波浪資源特征對海洋水文保障、海洋國防工程、航海、工程海洋能開發、防災減災、海洋權益的維護都有非常實用的價值，主要包括波高波向的季節特征和月(年)變化特征、海洋波浪的周期、極值波高、波浪等級頻率、波向頻率、波高的長期變化趨勢等。其中，極值波高是國防工程和海洋能開發極為關注的要素，波高和波向對船舶的航速航向有著很大影響。 隨著科學技術的飛速發展，人們可以實現海洋波浪場的數值模擬和預報。但短期數值預報的時效通常只有3～10天，無法為中長期計劃提供指導，尤其是進入陌生海域執行任務時，航海人員、水文氣象保障人員也沒有太多經驗可以借鑒。這就需要對中國海域乃至全球海域的波浪資源特征進行系統性研究，為中長期計劃和全球海洋戰略的實現提供科學指導。 李明悝和侯一筠[14]利用微波散射計遙感衛星(QuikSCAT)資料和美國國家環境預報中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)分析資料組合而成的混合風場驅動第三代海浪模式(WAVEWATCH-III，WW3)，對影響東中國海(包括渤海、黃海和東海)的一次冷空氣過程帶來的大浪進行數值模擬，發現模擬的有效波高與浮標觀測資料接近，還發現混合風場的風速與浮標觀測風速一致。 徐艷清[15]利用QuikSCAT/NCEP混合風場驅動WW3模式，對東中國海2000～2004年的波候進行模擬研究，發現模擬的有效波高與浮標、觀測船、高度計等觀測的有效波高一致，其中冬季的模擬效果好于其他季節；徐艷清等[16]還分別利用NCEP風場和QuikSCAT/NCEP混合風場驅動WW3模式，對比發現QuikSCAT/ NCEP混合風場驅動WW3模式得到的有效波高精度高于NCEP風場驅動WW3模式得到的有效波高。 鄧兆青等[17]利用區域大氣模型系統(RAMS)輸出的20年風場驅動第三代淺水波浪數值預報模型(SWAN)，對渤海近20年的波浪進行了數值研究，模擬的有效波高與實測值相符合，研究發現遼東灣的常浪向和強浪向均為西南偏南向；渤海中部的常浪向為偏南向，強浪向為東北向；渤海海峽的常浪向和強浪向均為西北偏北向；萊州灣的常浪向為偏南向，強浪向為東北偏北向；渤海灣的常浪向為偏南向，強浪向為東北向；并利用耿貝爾極值推算法計算了渤海的極值波高，發現極值波高的高值區位于渤海東南部海域，百年一遇極值波高可達6.7m。 周良明等[18]利用WW3模式對南海海域1976～2005年的波浪場進行了數值模擬，取得了較好的效果，并發現南海的常浪向為東北向，北部海域的強浪向為偏東向，中南部海域的強浪向則以東北向為主；夏季波高為全年*小，冬季受東北季風影響，波高為全年*大；還發現南海百年一遇極值波高的高值區分布于海南島東南部海域。 齊義泉等[19-21]利用約59個月(1992年10月至1997年8月)的地球觀測與測高衛星(T/P)高度計反演的海表風速和有效波高，采用經驗正交函數方法分析了南海海表風場和波浪場的時空分布特征，研究發現南海海表風場和波浪場的**、第二模態具有很好的相似性，第三模態卻表現出明顯的不同。他們還利用1987～1988年兩年的衛星高度計遙感資料，對南海的海表風場、波浪場的月平均、季平均特征進行分析，發現南海的月平均海表風速和有效波高在東北季風期間較大，在季風過渡季節較小，并且在12月達到*大，5月*小；在西南季風期間，海表風速和有效波高均呈現出南大北小的特點，其余季節則表現出由南到北逐漸增強的分布特征。 葛黎麗等[22]利用數值模擬和資料同化技術，重構了南海1976～2005年的風、浪、流等水文氣象要素場，利用韋布爾三參數極值統計模型，計算了南海深水區四個典型區塊風、浪、流的多年一遇極值，發現南海極值風速、極值波高的高值中心位于南海北部區域。 周兆黎和楊顯宇[23]利用NCEP風場驅動WW3模式，對影響南海的三次冷空氣過程進行模擬，并將結果與Jason-1衛星高度計反演的有效波高進行對比，發現模擬的有效波高與觀測資料一致性較好，還發現在冷空氣活動末期以及近岸地區，模擬效果略差一些，但均方根誤差和平均相對誤差仍在可以接受的范圍內。 劉金芳和孫立尹[24]利用1950～1995年的船舶報資料，對西北太平洋的海表風場、波浪場特征進行分析，研究發現該區域受季風影響顯著，季風盛行期的風向、浪向(區分風浪和涌浪)較為一致，該區域赤道附近海域的浪向常年為東北向，冬季季風期間的有效波高為全年*大，過渡季節次之，夏季*小。 鄭崇偉等[25-27]利用交叉定標多平臺(CCMP)合成洋面風場資料驅動?WW3?海洋波浪模式，重點研究了中國南海海域的海表風場和波浪能資源特征，對1988～2009年共22年的波候進行了數值模擬，得到了南海3小時間隔的波浪能統計數據(次)及相應波浪條件的發生概率。研究表明，除去極端風、浪情況，南海大部分海域全年基本都可進行風能和波浪能開發，峰值出現在12月至次年1月，月平均波浪能能流密度在20kW/m左右；風能、波浪能在冬夏兩季、夏季風向冬季風過渡期間都表現出很好的穩定性，5月的穩定性相對較差。 1.3 海洋波浪能開發利用現狀 海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，是海面在風力作用下產生的波浪運動所具有的能量，實質上是吸收了風能而形成的。波浪的能量與波高的平方、波浪的運動周期以及迎波面的寬度成正比。 海洋波浪的能量傳遞速率和風速有關，也和風與水相互作用的距離有關。水團相對于海平面發生位移，使波浪具有勢能，而水質點的運動，則使波浪具有動能。儲存的能量通過摩擦和紊動而消散，其消散速度的大小取決于波浪特征和水深。深水海區大浪的能量消散速度很慢，從而導致波浪系統的復雜性，使它常常伴有局地風和幾天前在遠處產生的風暴的影響。波浪
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