《Journal of Sea Research》：Anthropogenic impacts of offshore wind farms on the hydrodynamics of the southeastern North Sea
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研究人员利用高分辨率非结构网格海岸环流模式FESOM-C（Finite Volume Sea Ice–Ocean Model Coastal branch），针对北海南部陆架区大规模近海风电场（OWF）阵列对潮汐水动力及输运路径的累积效应开展了定量研究。研究采
研究人员利用高分辨率非结构网格海岸环流模式FESOM-C（Finite Volume Sea Ice–Ocean Model Coastal branch），针对北海南部陆架区大规模近海风电场（OWF）阵列对潮汐水动力及输运路径的累积效应开展了定量研究。研究采用正压（barotropic）模拟方案，构建了包含约700个单桩式（monopile）基础的十二个风电场多边形计算域，在计算网格中对单个基础实现亚米级（~1.4?m）显式解析，同时维持全区域覆盖（面积约2.34?×?1010?m2），实现了机组尺度过程与区域响应的同步分辨。对比实验结果表明，风电场的存在显著改变了潮汐动能与势能的空间分布，全区域平均变化幅度约为1–2.5%，并在风电场集群内部系统性减弱流速，在阵列外围形成局部加速区。在单桩附近，整个潮周期内均存在近停滞区（~1–10?m）及增强的剪切流场。被动拉格朗日示踪粒子（passive Lagrangian drifter）模拟显示，此类流场调整会降低水平弥散率，提高风电场及周边区域的粒子滞留时间，进而可能影响幼体输运、沉积物动力过程及生态连通性。研究表明，近海风电场不仅是局地扰动源，还可作为区域尺度潮汐环流及输运路径的改造者，其影响范围可延伸至数公里外。水动力响应的强度与空间一致性取决于机组密度与阵列构型，表明风电场布局设计可调控累积水动力效应的强弱。研究结果强调了在高分辨率、显式解析机组的数值模型中评估和管理陆架区大规模近海风电开发环境影响的必要性。
1. Introduction
随着气候变化加剧，大陆架近海风能的快速扩张成为实现气候中和的重要策略。然而，风电场建设显著改变陆架海水动力过程，单桩基础引入附加流阻、增强湍流并重构流场结构。在单机组尺度表现为局部涡结构，而在全场或集群尺度则导致能量平衡重组、潮—风混合改变、锋面位移及物质再分配。已有概念与数值研究指出，此类人为诱导的混合可能削弱季节性层结，并在部分情况下改变陆架海的生产力格局与生物地球化学循环。北海南部尤其是德国湾与瓦登海地区，以浅水潮汐盆地、复杂潮道系统、显著盐度梯度及强季节性层结变化为特征，水深与数值表达微小变化即可显著影响潮汐调和常数、非线性波形畸变、能量分布及沉积物输运。光学卫星影像与合成孔径雷达（SAR）观测多次记录到单桩及阵列后方的细长浊度羽流与潮汐“阴影”，长度从数十米至数公里不等，其强度受基础类型、水动力及季节条件控制。生态响应方面，风电场下游浊度羽流会改变水下光场，影响悬浮物再悬浮与输运，进而作用于浮游植物生产力、锋面动态及底栖群落与幼体栖息地。此外，在季节性层结海域，风电场提供额外机械能，增强垂直混合，破坏表层加热与湍流耗散的平衡，削弱甚至侵蚀温跃层，加深混合层，改变光照与营养盐供给，从而重组生态系统过程。现有模拟方法主要分为两类：一是在计算网格中显式包含基础结构，可真实刻画涡脱落、加速与尾流，但计算代价高昂；二是将机组效应参数化为附加底摩擦项，成本较低但可能低估机组尺度过程及其累积效应。本研究采用正压框架，隔离潮汐动力这一区域环流主导分量，以受控方式评估风电场诱导的水动力变化。
2. Study area and modelling scenarios
研究区域为北海南部（德国湾与瓦登海），该区域已建成多个风电场并规划大规模扩建，同时分布有欧盟Natura 2000网络及OSPAR公约下的海洋保护区，包括Borkum Reef Ground（BRG）与Sylt Outer Reef - Eastern German Bight（SOR）。在两者之间的密集风电场群包括Amrumbank West（80台）、Kaskasi（38台）、Nordsee Ost（48台）、Meerwind Süd/Ost（80台）、Trianel Borkum I+II（72台）、Merkur（66台）、Borkum Riffgrund 1 and 2（134台）、Nordsee One（54台）及Gode Wind I–III（120台）。研究设置两个情景：REF（无风电场）与WF（显式包含692个单桩基础，按12个多边形分布，单桩周边网格分辨率约1.4?m）。模拟采用垂向平均方程，仅考虑开边界正压潮强迫，积分三个农历月，取第二与第三个月结果进行分析。选取五个子区域D1–D5进行动能、势能、最大流速及剪切流速的对比，其中D2与D5位于风电场集中区，其余为参照区。同时开展被动示踪粒子运动分析。
3. Models, meshes and boundary conditions
FESOM-C模型为面向高分辨率海岸应用的有限体积非结构网格模式，支持高达数米的水平分辨率并具低数值混合特性。本研究中时间步长为0.5?s，底摩擦系数全域取0.0035，单桩周围海床经人工改造略微减深，以模拟基础及冲刷防护区的有效直径约6?m。计算网格为三角形非结构网格，节点数约119万，WF情景下在单桩周围实现1.4?m分辨率，开边界处分辨率约1400?m。开边界潮汐强迫采用TPXO9潮汐图谱的15个分潮，确保北海南部潮汐相位与振幅可靠。被动粒子轨迹由FESOM-Cdrift模块后处理计算，粒子在网格间插值速度并积分位移，零速区会导致粒子滞留，反映正压框架下的上限估计。
4. Results
在D2区，WF情景下动能较REF降低，主要归因于底摩擦增强与潮流结构重组；D5区势能则在WF情景下持续偏高。D1与D3–D4区在WF情景下势能降低，表明风电场附近局地海平面升高被远区水位下降所补偿。全区域平均动能与势能差异约1%，但WF情景中局地流速最大值较REF高出约1.5%。流速场对比显示，风电场内部普遍减速，外围加速，单桩两侧形成近零流速区并伴随对称增强剪切，这种结构在潮周期中保持稳定。被动示踪实验表明，风电场内粒子概率分布范围缩小，单桩附近滞留概率显著增加，尤其在BRG与SOR周边集群最为明显，印证了低流速区的长期滞留效应。
5. Discussion
研究表明，风电场引起的潮汐能量再分配可达数公里范围，春季大潮期间差异更为显著，反映底摩擦的非线性特征。尽管全区域平均能量变化仅1–2.5%，但在浅海陆架环境中，流速微小变化可对沉积物输运、层结稳定性及幼体扩散产生非线性生态效应。正压框架虽未考虑层结、风与波浪作用，但可可靠分离潮汐分量影响，为后续斜压与大气—海洋耦合模拟提供基准。模型验证方面，虽缺乏近场高分辨率实测，但卫星遥感浊度羽流与模拟尾流结构在空间形态上具有一致性。单桩基础以地形抬升近似表征，可能低估近场湍流强度，但不影响大尺度流场重组趋势。风电场内部机组布局对水动力响应具有决定性影响：规则排列（如Amrumbank West）形成强累积效应，不规则布局（如Kaskasi）则响应较弱且分散。生态层面，流速降低与滞留区可促进悬浮物沉降，减少水平交换；边缘加速区则可能增强再悬浮与侵蚀。这些变化会调节幼体输运路径与生态连通性，并可能通过改变混合层深度与锋面位置影响浮游生物动态。
6. Conclusions and future research directions
研究证实，风电场在机组与区域尺度均引起可测的潮汐能量分布、流场结构与近底动力变化；机组布局是决定响应强度与一致性的关键因素；规则布局增强累积效应，不规则布局则减弱且分散；风电场形成滞留区，降低水平输运并可能影响沉积动力与生态连通性。未来应发展全三维斜压过程解析模式，探讨风电场诱导混合与季节性层结的相互作用、近底剪切变化对沉积物输运的影响、输运路径改变对营养盐与生态连通性的效应，并结合现场观测与遥感数据验证机组尺度流场结构。
7. Summary
高分辨率FESOM-C模拟表明，近海风电场显著改变北海南部的潮汐环流与输运路径，显式解析的单桩基础产生局地滞留区并重塑区域能量再分配格局，凸显了机组尺度分辨模式在评估大规模风电场累积水动力影响中的重要价值。
