留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于非规则网格模型的全球潮流能评估

陈禹庚 鲍献文 周玲玲 姚志刚

陈禹庚,鲍献文,周玲玲,等. 基于非规则网格模型的全球潮流能评估[J]. 海洋学报,2020,42(11):23–33 doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2020.11.003
引用本文: 陈禹庚,鲍献文,周玲玲,等. 基于非规则网格模型的全球潮流能评估[J]. 海洋学报,2020,42(11):23–33 doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2020.11.003
Chen Yugeng,Bao Xianwen,Zhou Lingling, et al. Global tidal current energy assessment based on unstructured mesh model[J]. Haiyang Xuebao,2020, 42(11):23–33 doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2020.11.003
Citation: Chen Yugeng,Bao Xianwen,Zhou Lingling, et al. Global tidal current energy assessment based on unstructured mesh model[J]. Haiyang Xuebao,2020, 42(11):23–33 doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2020.11.003

基于非规则网格模型的全球潮流能评估

doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2020.11.003
基金项目: 国家重点研发专项(2018YFB1501901);联合基金项目(U1706215);中央高校基本科研业务费专项(201913020)。
详细信息
    作者简介:

    陈禹庚(1995-),男,浙江省台州市人,主要从事近海动力研究。E-mail:kangmu1606233@163.com

    通讯作者:

    鲍献文,教授,主要从事近海动力研究。E-mail:xianwenbao@126.com

  • 中图分类号: P743.3

Global tidal current energy assessment based on unstructured mesh model

  • 摘要: 利用网格有限体积海洋模式,在非规则网格模型中考虑内潮黏性和自吸−负荷潮联合作用,建立了包括M2、S2、N2、K1、O1、Q1共6个分潮的天体引潮力驱动全球纯动力潮汐模型。在全球潮汐模型结果验证的基础上,系统计算和统计评估全球潮流能平均密度,并给出全球范围内潮流能较大区域的潮流能分布。结果显示,英吉利海峡处存在面积接近33 000 $ {{\rm{k}}{\rm{m}}}^{2} $,最大潮流能密度达到1 100 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $的大潮流能带;加拿大巴芬岛西侧海域最大潮流能密度超过了1 150 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $;阿拉斯加沿海库克湾海域最大潮流能密度达到了500 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $;俄罗斯白海入口处潮流能带面积较大,最大潮流能密度达到了500 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $;澳大利亚沿海潮流能带面积不大,但数量众多,潮流能密度普遍超过了100 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $;中国近海在长江口杭州湾海域以及台北以北海域潮流能密度达到了100 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $
  • 图  1  潮汐耗散分布(据文献[11])

    Fig.  1  Distribution of tidal dissipation (based on reference [11])

    图  2  本文模式在仅有底摩擦项情况下的潮汐耗散分布

    Fig.  2  Tidal dissipation with bottom drag only of the model in this paper

    图  3  本文模式在底摩擦项和内潮耗散项共同作用下的潮汐耗散分布

    Fig.  3  Tidal dissipation with bottom drag and internal−tide drag of the model in this paper

    图  4  本文模式计算得到的$ {{\rm{M}}}_{2} $分潮自吸−负荷潮等振幅线(单位:mm)

    Fig.  4  Co-amplitude charts of $ {{\rm{M}}}_{2} $ self-attraction and loading tide of the model in this paper (unit: mm)

    图  5  本文模式计算得到的$ {{\rm{M}}}_{2} $分潮自吸−负荷潮同潮时线(单位:(°))

    Fig.  5  Co-phase charts of $ {{\rm{M}}}_{2} $ self-attraction and loading tide of the model in this paper (unit: (°))

    图  6  $ {{\rm{M}}}_{2} $分潮自吸−负荷潮等振幅线(据文献[12],单位:mm)

    Fig.  6  Co-amplitude charts of $ {{\rm{M}}}_{2} $ self-attraction and loading tide (based on reference [12], unit: mm)

    图  7  $ {{\rm{M}}}_{2} $分潮自吸−负荷潮同潮时线(单位:(°))(据文献[12])

    Fig.  7  Co-phase charts of $ {{\rm{M}}}_{2} $ self-attraction and loading tide(unit:(°)) (based on reference [12])

    图  8  欧洲部分海域网格图

    Fig.  8  Grid map of European sea areas

    图  9  美国东海岸部分海域网格图

    Fig.  9  Grid map of east coast of the United States

    图  10  加拿大北部部分海域网格图

    Fig.  10  Grid map of northern Canada

    图  11  本文模型计算的全球$ {{\rm{M}}}_{2} $分潮同潮图

    Fig.  11  Global $ {{\rm{M}}}_{2} $ co-tidal map of the model in this paper

    图  12  本文模型计算的全球$ {{\rm{K}}}_{1} $分潮同潮图

    Fig.  12  Global $ {{\rm{K}}}_{1} $ co-tidal map of the model in this paper

    图  13  英国沿海潮流能密度分布

    Fig.  13  Tidal current energy distribution of the British coast

    图  14  加拿大东北海域潮流能密度分布

    Fig.  14  Tidal current energy distribution of the northeastern Canada coast

    图  15  俄罗斯西北部海域潮流能密度分布

    Fig.  15  Tidal current power distribution of the Northwestern Russia coast

    图  16  阿拉斯加沿海潮流能密度分布

    Fig.  16  Tidal current power distribution of the Alaska coast

    图  17  澳大利亚北部沿海潮流能密度分布

    Fig.  17  Tidal current power distribution of the Northern Australia coast

    图  18  中国近海潮流能密度分布

    Fig.  18  Tidal current power distribution of the China coast

    表  1  加入内潮耗散项前后的$ {{\rm{M}}}_{2} $分潮耗散

    Tab.  1  Dissipation of $ {{\rm{M}}}_{2} $ before and after adding parameterization of internal tidal dissipation

    仅有传统底摩擦项传统底摩擦项加内潮耗散项
    总耗散/TW2.602.59
    深海耗散/TW0.020.95
    深海耗散/总耗散0.77%36.68%
    下载: 导出CSV

    表  2  模型中各分潮平衡潮水位参数

    Tab.  2  Constituent-dependent parameters in the model

    分潮频率/10−4 s−1振幅/cm体潮Love数周期/d
    $ { {{\rm{M}}}_{2}} $1.405 18924.23340.6930.517 5
    $ {{{\rm{S}}}_{2} }$1.454 44111.27430.6930.500 0
    $ {{{\rm{N}}}_{2} }$1.378 7974.63970.6930.527 4
    $ {{{\rm{K}}}_{1} }$0.729 21114.15650.7360.997 3
    $ {{{\rm{O}}}_{1}} $0.675 97710.06610.6951.075 8
    $ {{{\rm{Q}}}_{1} }$0.649 5851.92730.6951.119 5
    下载: 导出CSV

    表  3  模型中各分潮振幅相对于TPXO.9的均方根误差

    Tab.  3  The RMSE of tidal amplitudes relative to TPXO.9 in the model

    分潮水深大于1 000 m海域
    均方根误差/cm
    水深小于1 000 m海域
    均方根误差/cm
    $ { {{\rm{M}}}_{2} }$6.5118.5
    $ { {{\rm{S}}}_{2}} $4.4910.4
    $ { {{\rm{N}}}_{2}} $1.504.4
    $ { {{\rm{K}}}_{1} }$2.806.0
    $ { {{\rm{O}}}_{1} }$1.814.1
    $ {{ {\rm{Q} } }_{1} }$0.371.1
    下载: 导出CSV

    表  4  常见纯动力全球潮汐模型$ {{\rm{M}}}_{2} $分潮振幅相对于TPXO.8的误差[7]

    Tab.  4  The RMSE of $ {{\rm{M}}}_{2} $ tidal amplitudes relative to TPXO.8 in other common forward models[7]

    模型水深大于1 000 m海域
    均方根误差/cm
    水深小于1 000 m海域
    均方根误差/cm
    HIM5.2522.3
    OTIS-GN6.7618.6
    STORMTIDE7.7627.9
    OTIS-ERB4.6524.0
    STM-1B7.7425.8
    HYCOM7.0026.2
    下载: 导出CSV
  • [1] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century. Renewables 2018 Global Status Report[R/OL]. (2018-07-18)[2019-05-11]. http://www.buildup.eu/en/node/56128.
    [2] 段自豪, 陈正寿. 潮流发电现状分析及未来展望[J]. 中国水运(下半月), 2012, 12(2): 106−107, 145.

    Duan Zihao, Chen Zhengshou. Current situation analysis and future prospect of tidal current power generation[J]. China Water Transport, 2012, 12(2): 106−107, 145.
    [3] 张理, 李志川. 潮流能开发现状、发展趋势及面临的力学问题[J]. 力学学报, 2012, 48(5): 1019−1032.

    Zhang Li, Li Zhichuan. Development status, trend and the problems of mechanics of tidal current energy[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2012, 48(5): 1019−1032.
    [4] 水电与新能源期刊编辑部. 国内外新能源开发资料选登[J]. 水电与新能源, 2018, 32(10): 79−80.

    Editorial Department of Journal of hydropower and new energy. New energy development materials at home and abroad[J]. Hydropower and New Energy, 2018, 32(10): 79−80.
    [5] Pekeris C L, Accad Y. Solution of Laplace’s equations for the M2 tide in the world oceans[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1969, 265(1165): 413−436.
    [6] Schwiderski E W. On charting global ocean tides[J]. Reviews of Geophysics, 1980, 18(1): 243−268. doi: 10.1029/RG018i001p00243
    [7] Stammer D, Ray R D, Andersen O B, et al. Accuracy assessment of global barotropic ocean tide models[J]. Reviews of Geophysics, 2014, 52(3): 243−282. doi: 10.1002/2014RG000450
    [8] Chen C, Liu H, Beardsley R C. An unstructured grid, finite-volume, three-dimensional, primitive equations ocean model: application to coastal ocean and estuaries[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2003, 20: 159−186. doi: 10.1175/1520-0426(2003)020<0159:AUGFVT>2.0.CO;2
    [9] Egbert G D, Ray R D. Significant dissipation of tidal energy in the deep ocean inferred from satellite altimeter data[J]. Nature, 2000, 405(6788): 775−778.
    [10] Egbert G D, Ray R D. Estimates of M2 tidal energy dissipation from TOPEX/Poseidon altimeter data[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2001, 106(C10): 22475−22502. doi: 10.1029/2000JC000699
    [11] Jayne S R, St Laurent L C. Parameterizing tidal dissipation over rough topography[J]. Geophysical Research Letters, 2001, 28(5): 811−814. doi: 10.1029/2000GL012044
    [12] Ray R D. Ocean self-attraction and loading in numerical tidal models[J]. Marine Geodesy, 1998, 21(3): 181−192. doi: 10.1080/01490419809388134
    [13] Farrell W E. Deformation of the Earth by surface loads[J]. Reviews of Geophysics, 1972, 10(3): 761−797.
    [14] Arbic B K, Garner S T, Hallberg R W, et al. The accuracy of surface elevations in forward global barotropic and baroclinic tide models[J]. Deep-Sea Research Part II, 2004, 51(25/26): 3069−3101.
    [15] Egbert G D, Gary D. Numerical modeling of the global semidiurnal tide in the present day and in the last glacial maximum[J]. Journal of Geophysical Research, 2004, 109(C3): C03003.
    [16] Iyer A S, Couch S J, Harrison G P, et al. Variability and phasing of tidal current energy around the United Kingdom[J]. Renewable Energy, 2013, 51: 343−357. doi: 10.1016/j.renene.2012.09.017
  • 加载中
图(18) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  195
  • HTML全文浏览量:  51
  • PDF下载量:  32
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-25
  • 修回日期:  2020-01-08
  • 网络出版日期:  2020-12-08
  • 刊出日期:  2020-11-25

目录

    /

    返回文章
    返回