苏格兰彭特兰湾与奥克尼水域十年高分辨率波浪资源图谱：基于波浪-潮流双向耦合模型的后报研究

为解决波浪能资源评估中忽略潮流影响的问题，研究人员通过构建TOMAWAC波浪模型与TELEMAC潮流模型的双向耦合系统，对苏格兰奥克尼水域2014-2023年的波浪-潮流相互作用进行模拟。研究发现潮流显著改变波浪参数空间分布，在潮汐通道使波功率提升22%（如Westray Firth），而在斯特罗姆岛附近导致波高降低25%、波功率减少50%。该研究为波浪能装置选址和极端海况预测提供了重要依据。

　　

在可再生能源开发的热潮中，波浪能因其储量巨大且分布广泛成为研究热点。苏格兰奥克尼群岛周边海域以其强劲的潮汐流（>5 m/s）和充沛的波浪资源（年均波功率31 kW/m）被誉为"欧洲波浪能中心"，但复杂的波浪-潮流相互作用（WCI）长期困扰着资源评估的准确性。传统波浪模型往往忽略潮流影响，导致在潮汐通道等关键区域出现显著偏差——例如实测数据显示，某些区域波高可因潮流增减150-200%，波功率波动超100 kW。这种认知缺口不仅影响能源开发效率，更可能威胁海洋设备的安全运行。

爱丁堡大学工程学院能源系统研究所（Institute for Energy Systems, School of Engineering, The University of Edinburgh）的Tian Tan与Vengatesan Venugopal团队创新性地构建了双向耦合的TOMAWAC-TELEMAC模型系统。通过整合北大西洋尺度波浪模型与区域耦合模型，结合AWAC和ADCP现场观测数据验证，首次生成了奥克尼水域2014-2023年高分辨率（网格最小30 m）波浪资源图谱。研究揭示：潮流效应使Westray Firth潮汐通道年均波功率提升7.7 kW/m（+22%），而斯特罗姆岛附近波功率锐减6 kW/m（-50%）。该成果发表于《Applied Ocean Research》，为海洋能源开发提供了里程碑式的数据支撑。

研究团队采用三项关键技术：1）基于TPXO9全球潮汐数据库驱动TELEMAC 3D模型，模拟15个潮汐分量的流动；2）采用Westhuysen方法量化强逆流中的波浪破碎耗散（Q_ds,cur系数优化为5）；3）通过频谱矩方法直接输出H_m0、T_z和波功率P（ρg∫C_gFdσdθ）。北大西洋模型经10年4个浮标站点验证（H_m0相关系数R>0.93），区域耦合模型通过135天AWAC/ADCP部署验证（潮流速度R>0.93）。

十年波浪资源时空特征

模型显示奥克尼西部年均波功率达37.2 kW/m（P2点），比东部高3倍。2015年（NAO指数峰值年）波功率比2021年高17.2 kW/m，验证波浪资源与北大西洋振荡（NAO）强相关（冬季R>0.8）。

潮流调制效应

潮汐通道出现"波浪放大-衰减"空间分异：Westray Firth入口（P1）波功率增加22%，而斯特罗姆岛南侧波高降低0.5 m。这种效应在冬季更显著，如1月Pentland Firth波功率差值达5.9 kW/m。

极端海况增强

潮流使十年最大波功率提升227 kW/m，Pentland Firth入口（P3）极端波高增至10.1 m。玫瑰图分析显示潮流还会使主波向（280°-290°）能量分布更集中或分散。

这项研究首次通过长期耦合模拟量化了潮流对波浪资源的时空调制规律。其创新性体现在：1）突破传统波浪模型忽略潮流的局限，揭示WCI可造成50%的波功率评估偏差；2）建立适用于强潮流海域的模型参数体系，如Q_ds,cur=5的耗散系数；3）提供10分钟间隔的十年数据集，支持机器学习在海洋能领域的应用。成果不仅指导波浪能装置优化布局，更对船舶航行安全、海岸工程防护具有重要参考价值。未来研究可结合更高分辨率海岸带模型，进一步揭示近岸复杂地形中的微尺度WCI机制。