海上风电场对海洋物理环境影响的研究现状与关键知识缺口分析

《ICES Journal of Marine Science》：Current knowledge and key gaps in understanding of offshore wind farm impacts on the physical marine environment

本刊推荐：为应对海上风电快速扩张带来的生态影响不确定性，研究人员系统综述了运营期风电场对区域海洋物理环境（水文循环、营养盐分布等）及低营养级生物的影响。研究发现现有研究多集中于浅海固定式基础风电场，缺乏深海浮动式风电数据，且观测资料匮乏导致严重依赖数值模型。该研究为可持续海上风电开发提供了关键科学依据，并指明了优先研究方向。

　　

随着全球能源转型加速，海上风电产业呈现爆发式增长，预计到2030年欧盟和英国总装机容量将达110吉瓦。然而这场"蓝色能源革命"背后隐藏着生态影响的不确定性——巨大的风机结构如同"海洋森林"般矗立在海域，它们会如何改变海洋的"呼吸节奏"和"血液循环"？特别是当风电开发从浅海走向深海，从固定基础迈向浮动式技术，这些变化将对海洋生态系统产生怎样的连锁反应？

在《ICES Journal of Marine Science》最新发表的研究中，挪威海洋研究所的Angelika H. H. Renner系统梳理了当前关于运营期海上风电场对海洋物理环境和低营养级生物影响的研究现状。该研究揭示了一个严峻的现实：尽管相关文献在近五年快速增长，但绝大多数研究集中在北海和中国海域的浅水区（水深<60米），对浮动式风电场的研究几乎空白，且实地观测数据严重不足。

研究人员采用半系统文献检索方法，通过Clarivate Web of Science核心合集和Google Scholar等平台，使用组合关键词进行检索。最终筛选出68篇相关文献，包括56篇原创论文、8篇综述、2篇报告和2篇学位论文。研究重点关注风电场运营期间通过风机结构和风场改变对区域及局部水文动力学、营养盐分布、浮游植物和初级生产以及水体中沉积物负荷的影响。

文献分布特征显示研究存在明显地理偏差，超过四分之一的研究集中在德国湾，而深海陆架区域研究严重不足。水深方面，过半研究关注21-40米深度的风机，仅有一篇研究涉及800-2000米的深海洋区。数据来源上，不足20%的研究完全基于实地观测，超过一半依赖数值或解析模型。

混合与层化影响方面，研究证实风机基础会诱导湍流和混合，减弱层化。在德国湾的观测显示，风电场内层化减弱，温跃层隆起。模型研究表明，在未来的大规模开发情景下，风电场引起的混合可能显著延迟或破坏夏季层化的形成。

水平环流变化包括风机结构导致的平均流速减弱，在德国湾模型中发现风电场内和下游的深度平均流速减少约10%。这种变化会影响物质输送，如美国东北陆架的研究显示风机产生的离岸中尺度流可能增强扇贝幼虫的离岸输送。

上升流与下降流是风阴影效应的重要表现。Brostrom（2008）的开创性研究表明，5-10 m s^-1的风速在风阴影区可通过埃克曼运输产生偶极型的上升流/下降流模式，垂直速度可达1-3 m day^-1。在陡峭地形区域如加利福尼亚，风电场可能改变沿岸上升流结构，影响营养盐通量。

波浪场变化研究显示，风机结构会通过反射、衍射和风场改变影响波浪。在德国湾的机载激光雷达观测发现风电场内和下游55公里处波高显著减小。最大波高减少约5%，相当于波能减少10%。

营养盐与浮游植物的实地研究极为有限。德国湾夏季调查发现风电场内硅酸盐和磷酸盐浓度轻微升高，但叶绿素a浓度未显示一致模式。珠江口的长期观测显示风电场内叶绿素a浓度降低，但该区域本身受岛屿屏障效应影响。模型研究结果不一，有的预测初级生产增加，有的则认为只会改变空间分布而非总量。

悬浮颗粒物研究表明，单桩后会出现浑浊尾流，悬浮沉积物浓度显著增高，尾流长度可达1-10公里。这种变化可能影响光场进而影响初级生产和视觉捕食，但自然变异性高，信号难以区分。

研究最后指出关键知识缺口，特别是深海区域、不同层化机制下的影响、生物地球化学参数和低营养级的响应等方面。针对浮动式风电场，作者强调其与固定基础结构的动力响应差异可能产生不同的斜压效应，需要优先研究。

这项研究为海上风电可持续发展提供了重要科学基础，指出在产业快速扩张的背景下，必须加强对物理-生态耦合过程的认知，特别是通过多尺度观测与模型的结合，才能实现蓝色能源与海洋生态的和谐共存。