《Science》文章：季节性分层条件下大规模海上风电场驱动的海面增温及海洋对大气反馈

随着海上风电在美国东海岸等海域的快速发展，大规模风电场集群可能通过风机尾流改变海表风应力，进而影响上层海洋过程和近地表大气条件。然而，以往研究多基于仅考虑大气或大气‑波浪耦合的模型，未能充分捕捉风电场引发的海气双向反馈。尤其在季节性分层的陆架海域，风应力减弱可能导致海表温度升高、混合层变浅，进而通过热通量反馈影响大气边界层稳定性。本研究旨在通过完全耦合的海洋‑大气‑波浪模型，系统评估海上风电场对海气系统的综合影响及其机制。
本研究聚焦于美国东海岸季节性分层的陆架海域（如图1所示的风电场租赁区域），通过数值模拟揭示大规模海上风电场引起的海表增温及其对大气边界层的反馈。研究发现，风机尾流导致近地表风速和风应力减弱，进而减少海洋垂向混合，使混合层变浅、海表温度升高0.3–0.4°C。增温的海表通过向上热通量使大气边界层趋于不稳定，增强近地表湍流并部分抵消尾流引起的风速亏损。研究还对比了不同大气稳定性条件（稳定、不稳定）及湍流参数（α）下的响应，发现海表增温具有较强的一致性，但其空间分布和年际变化在麻省/罗德岛与新泽西海域存在差异。

本文采用Scripps耦合海洋‑大气区域模型，整合了天气研究与预报模式、区域海洋建模系统和第三代海浪模式WaveWatch III，实现了海洋‑大气‑波浪的全耦合模拟。水平分辨率达1.5公里，垂直层次精细（大气50层、海洋30层），能有效捕捉风机尾流及其引起的海气交互过程。研究设计了多组数值实验：完全耦合含风电场、完全耦合无风电场、仅大气含风电场（去除海洋反馈），以隔离风电场影响与海洋耦合效应（实验设置见表S1）。风机尾流通过Fitch参数化方案模拟，考虑了不同湍流动能输入系数（α=0.25与1.0）及大气稳定性条件（基于Obukhov长度分类）。通过对比各实验的输出，量化了风电场对海表温度、混合层深度、海表热通量、边界层高度及近地表风场的影响，并利用海洋混合层热收支分析揭示了增温的主要物理机制。此外，研究还通过统计检验评估了模拟结果的显著性，并利用观测数据验证了背景风场与波浪场的模拟效果。
研究表明，大规模海上风电场通过减少风应力导致海表增温0.3–0.4°C、混合层变浅，并增强海洋层结。海表增温通过向上热通量使大气边界层更不稳定，提高边界层高度，并部分增强近地表风速与风应力（图2），形成海气正反馈。然而，这种反馈对风机轮毂高度风速影响极小（<1%），对长期发电量的影响微弱（仅降低约0.13–0.24%）。因此，尽管海洋耦合对近地表气象和海洋过程评估很重要，但对于风能资源评估和发电量预测，仅大气或大气‑波浪耦合模型可能已足够。研究强调，未来海上风电布局需考虑其对局地海洋环境与生态系统的潜在影响，并在环境影响评估中纳入海气耦合过程。

来源：Science