到2100年，全球海上风能与波浪能最佳区域在哪？
海上风能和波浪能在海洋绿色能源中潜力巨大，然而，随着气候变化，全球风场和波浪特征也在发生着变化，进而影响这些海上可再生能源的时空可用性，目前大多数研究都集中在特定区域，但对未来长期能源可用性了解较少，作为能源开发，不仅需要知道现在海上风能和波浪能可用区域，还要了解未来这些能源的可用区域。近日Nature上的一项研究，评估了气候变化下，21世纪海上风能和波浪能的变化情况。
海上波浪能潜力可以通过波浪能通量Pwave计算，ρwater为水的密度，g为重力加速度，Hs为有效波高，Tp为峰值波周期，这个公式量化了单位宽度海浪的能量输出（单位为kW/m），帮助评估特定海域的波浪能潜力。
海上风能潜力则用风能密度Pwind评估，ρair为空气的密度，在标准气候条件下，通常假设为一个恒定值，即1.213 kg/m3，Vwind为轮毂高度100米处的海上风速。这个公式表明，风能密度与风速的立方成正比，即使风速的微小变化也会显著影响能量输出。
为了准确预测未来风能和波浪能的变化趋势，研究团队首先分析了1985-2014年基准期内全球波浪能和海上风能的分布特征，并将”高能源潜力区”定义为能源潜力超过全球相应时期能源潜力90%的区域。
在基准期内，高波浪能潜力区主要分布在南纬40°至60°之间，经度从10°E延伸到70°W，波浪能潜力超过95kW/m的区域主要出现在南印度洋；而高海上风能潜力区在纬度上与高波浪能潜力区对齐，但主要分布在西半球。与波浪能不同，印度洋中部、阿拉伯海西部、太平洋中部和加勒比海都表现出高海上风能潜力。
此外，研究团队识别出两个同时具有高波浪能和高风能潜力的带状区域，均位于南纬40°至60°之间，这些区域的高潜力与南半球环状模（SAM）密切相关。南半球环状模是南半球大气变率的大尺度特征，对南半球中高纬度的天气和气候模式有重要影响，进而影响了波浪能和海上风能的潜力分布。
图：基线期（1985-2014 年）高波浪能和海上风能潜力的空间分布🔽
a波浪能潜力大的地区。b海上风能潜力大的地区。c具有波浪能和海上风能联合开发潜力的地点。
在了解基准期的海上风能和波浪之后，研究团队通过CMIP6中15个全球气候模型的输出数据，并结合欧洲中期天气预报中心的ERA5再分析数据，生成可靠的风能和波浪能模拟结果。为提高预测精度，研究通过贝叶斯经验降尺度气候模型方法，对每个气候模型的输出进行单独校准，然后根据各模型的预测能力给予不同权重，最后将这些加权预测结合起来形成整体预测。通过多模型集成的方法，减少单一模型可能存在的偏差。
研究评估了三种气候变化情景（SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5）下2031-2060年和2071-2100年2个时期的高海上可再生能源潜力变化情况。
在波浪能潜力变化方面，未来高波浪能潜力的空间分布与基准期相似，集中在南纬40°至60°之间的印度洋和太平洋。然而，在所有未来时期和情景下，波浪能潜力超过95 kW/m的区域预计会有不同程度的减少，特别是在SSP5-8.5情景下，2071-2100年减少幅度预计将超过50%。但也有增加的区域，在西经120°至160°之间的区域，波浪能潜力增加，且在SSP5-8.5高的温室气体排放情景下面积增加更显著，2071-2100年期间面积扩张预计将达到40.42%。
图：未来气候情景下波浪能潜力高区域的空间分布🔽
a、b根据 SSP1-2.6 对 2031–2060 年 ( a ) 和 2071–2100 年 ( b ) 的预测。c 、 d根据 SSP2-4.5 对 2031–2060 年 ( c ) 和 2071–2100 年 ( d ) 的预测。e 、f根据SSP5-8.5 对 2031–2060 年 ( e ) 和 2071–2100 年 ( f )的预测。
海上风能潜力变化方面与波浪能不同，未来高海上风能潜力的空间布局与基准期不同，呈现出更延展的纬度分布。与基准期相比，在2031-2060年期间，南纬40°至60°之间的两个高风能潜力带预计将分别向东和向西扩展，有形成连续完整带的趋势，在SSP5-8.5高排放情景下，这两个带将连接起来，形成一个近乎完整的高海上风能潜力带。
图：未来气候情景下海上风能潜力较大的地区空间分布🔽
a、b根据 SSP1-2.6 对 2031–2060 年 ( a ) 和 2071–2100 年 ( b ) 的预测。c 、 d根据 SSP2-4.5 对 2031–2060 年 ( c ) 和 2071–2100 年 ( d ) 的预测。e 、f根据SSP5-8.5 对 2031–2060 年 ( e ) 和 2071–2100 年 ( f )的预测。
此外，研究还通过贝叶斯模型平均法获得了两个时期三种气候变化情景下波浪能和海上风能联合开发位置的确定性和概率性预测，研究发现，20°E至180°E之间的范围是同时开发波浪能和海上风能资源的潜力区域，特别适合建设综合能源系统。
这项研究为我们理解气候变化下海上可再生能源的未来提供了全面而细致的评估，研究发现，最佳开发区域为南纬40°至60°之间，特别是20°E至180°E之间的区域，在整个21世纪都将保持波浪能和海上风能联合开发的理想条件。
❓思考题：气候变化对波浪能和风能的影响是？
A.两者潜力都会显著增加
B.波浪能潜力下降，风能潜力上升
C.两者潜力都会显著减少
D.波浪能潜力上升，风能潜力下降
参考答案：（点击查看）
B.
解析：研究显示，到2100年高排放情景下，波浪能潜力可能减少超50%，而海上风能潜力反而可能增加
参考文献：Zhao, X., Huang, G., Li, Y. et al. Offshore wave and wind energy development in the Southern Hemisphere will remain optimal between 20°E and 180°E by 2100. Commun Earth Environ 6, 477 (2025). https://doi.org/10.1038/s43247-025-02437-4