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层状北海海上风电场基础的浮游效应
摘 要
最近海上风电场建设的增加引起了许多环境影响评估和监测计划。这些计划重点关注海洋哺乳动物，海鸟，底栖生物或底栖鱼类，但常常忽略忽略OWF可能对远洋生态系统产生的任何潜在影响。关于后者的唯一工作是通过建模分析，预测局部影响，如增强的垂直混合导致季节性分层的减少，以及潮汐振幅的架宽范围的变化。在这里，我们提供来自OWF的第一次经验生物物理数据。这些数据是通过在夏季分层的北海中两个未在运行的OWF操纵遥控车（TRIAXUS ROTV）获得的。波动的TRIAXUS样带通过氧气和叶绿素-a测量提供了高分辨率CTD数据。我们提供的经验指示，在OWF内增加垂直混合导致温跃层的隆起以及随后的营养物质进入表面混合层（SML）。由于水下光合有效辐射（PAR）使整个水体中的净初级生产成为可能，特别是在OMSF区域内以规则间隔观察到的亚尺度叶绿素a—类囊体中，营养物质被迅速吸收。视频浮游生物记录器（VPR）图像显示了在桡足类为主的浮游生物群落中不同的浮游植物分布模式。水声记录未显示任何OWF对远洋鱼类分布的影响。然而，OWF之前的调查结果显示，很难将人为影响与自然因数完全分开。
关键词 海上风电场；TRIAXUS ROTV；海上结构；远洋环境；叶绿素；北海
- 简介
2015年，海上风电装置占欧盟年度风能市场的24％，新装置数量持续增加（Corbetta et al., 2016).截至2016年夏季，共有来自11个欧洲国家的82个风电场的3344个海上风力发电机组完全连接到电网，总装机容量为11,538兆瓦（Pineda and Ruby, 2016).德国战略目标中80％的可再生能源的直到2050年都供应于德国专属经济区(EEZ (EEG, 2014))内的海上风能。德国拥有欧盟最大的风电装机容量（45吉瓦），仅在2015年就安装了6吉瓦，其中38％在海外（Corbetta et al., 2016).在德国专属经济区18个风力发电场项目中，总共有1285个涡轮机基地，已经批准运行或正在建设（BSH, 2015).政策计划（EEG, 2014）到2030年安装的海上风电容量为15吉瓦，将导致离海岸更远的海上风电场（OWF）发展进一步推进，以减轻环境影响和特征景观的变化。
作为德国专属经济区内OWF批准程序的一部分，此设施对海洋环境的潜在不利影响必须通过环境影响评估（EIA）进行评估。德国EIA标准（StUK4;BSH, 2013）仅考虑具有保护相关性的生态系统组成部分，即底层鱼类，底栖生物，鸟类和海洋哺乳动物。调查或监测OWF对远洋生态系统的潜在影响不是强制性的。因此，只有有限数量的研究分析了OWF对远洋生态系统的影响，甚至更少的包括野外测量的研究。其中一项研究是在OWF alpha ventus（45 km off the coast at a water depth lt; 30 m），测量固定台站的海洋参数和水流。还用水平定向水声系统监测浮游鱼类的分布（Krauml;gefsky，2014年).观察结果显示，2007年8月，远洋鱼类（最有可能是鲭鱼）在100米水下建筑工地内的丰度最高（Schrouml;der et al., 2013).
大多数其他研究都是分析和模型研究，其结果表明OWFs引起垂直水柱动力学的变化，并随后引发关键的生物过程。在关于OWF对上层海洋水文学的影响的首批研究之一，Brostrouml;m (2008)分析表明，从风中提取能量通过Ekman输运的发散在表面混合层中产生上升/下降偶极子。Brostrouml;m (2008)得出结论，水面风应力以5-10米每秒的速度可能产生超过1米每天，并且产生的上升流能够影响周围的生态系统。Nerge and Lenhart (2010) 在货架海洋动力学的三维模型中模拟人工OWF（Backhaus, 1985; Pohlmann, 1996, 2006).他们利用更现实的气象强迫证实了上升/下降偶极子的产生，并得出结论，OWF可能有可能改变潮汐锋的季节性发展，但他们没有考虑后续的生态影响。尚未开展实地测量以评估潜在的OWF对养分动态，浮游生物分布和生产的影响。
Paskyabi et al. (2012) 表明偶极子对风应力，波浪强迫和OWF的大小敏感，并且倾向于随时间变得不对称。模拟显示，通过大OWF的风和风驱动的波浪产生了与OWF类似大小的下游漩涡，它们的时间尺度可达数天（Paskyabi and Fer, 2012). Ludewig (2015) 使用具有逼真大气强迫的三维水动力模型，以显示具有12个涡轮机的小型OWF可以影响在leeside内100km内的上部海洋动力学，并且上升流/下降井单元可以具有15km的直径。除了风 - 尾迹效应，水下结构可能会影响局部流体动力学。
Lass et al. (2008) 测量了波罗的海河口水流中桩下游的增强混合。而模拟的Paskyabi et al. (2012)有一个OWF大小的漩涡，Lass et al. (2008) 观察到增强的混合和涡旋与单桩的特征直径和对应于vonKaacute;rmaacute;n涡街的频率（see also Grashorn and Stanev, 2016).Rennau et al. (2012) 应用数值模型来评估密集底流中的单桩诱导混合，代表波罗的海西部。他们计算了一个区域内额外的垂直整合正浮力产量10个单桩直径。然而，由于真实的风电场分布导致的结构引起的混合的影响相当低，底部水盐度的典型降低在0.1-0.3的范围内。最近，Cazenave et al. (2016)应用3D非结构化网格模型（FVCOM），仅关注涡轮单桩的物理存在的影响。在混合或分层东爱尔兰海，2011年1月和5月在潮汐流状况下明确描述了来自7个OWF的242个风力涡轮机单桩的影响。随着距离单桩的距离，空间分辨率从2.5米增加到10千米。在1km的半径内发现水平最大电流速度降低5％，即单桩直径的约250倍。发现单桩在半径仅200米范围内增加局部垂直混合，但发现OWF在2011年5月对分层产生5-15％的影响，影响面积比其162个单桩的足迹大约80,000倍。相反，Carpenter et al. (2016)得出的结论是，预计OWF对北海目前的大规模分层影响很小。他们的研究使用了混合和平流时间尺度的数量级估计，并将水体与OWF的结果与自然分层变化进行了比较。但是，如果发展继续如预期那样，OWF的影响可能在OWF规模和北海南部规模上变得显着。由此结束克拉克等人。（2014）关于OWF对远洋生态系统的生物物理影响的观测研究仍然缺失，但它们对验证模型结果是必要的。因此，我们提供了在夏季分层期间对北海两个OWF进行生物物理调查的第一个实证结果。作为以往理论和模型研究的后续，该调查的主要目标是提供潜在的OWF基础效应的初步经验指示：
1.环境水文学
2.当地营养素浓度
3.光可用性和初级生产
4.浮游动物和远洋鱼类分布。
为了识别风力涡轮机基础的潜在影响，部署了高速遥控车（ROTV）TRIAXUS系统。由于OWF没有运行，结果只考虑了基础与潮汐和风驱动电流相互作用的影响。我们覆盖了大约一个区域。20公里的OWF并获得高分辨率的非生物和生物数据，包括温度，叶绿素a荧光，营养物质以及浮游生物和远洋鱼类的丰度和分布。进行粒子漂移建模以预测采样水体的轨迹并计算OWF接触时间。此外，在OWF建成之前，将观测结果与模型预测和前一次夏季巡航期间进行的水文测量进行了比较。
- 材料和方法
2.1.1 调查
RV Heincke对夏季环流（HE429, July 19–24, 2014）进行了现场测量。接受调查的两个OWF，即Global Tech I（GTI）和BARD Offshore 1（BARD），位于德国专属经济区内约40米的水深，距离大约为40米。离岸100公里。两个OWF都安装了80个风力发电厂，GTI有三脚架基础，BARD有三重基础。涡轮机未运行且转子没有转动，即，任何观察到的影响仅归因于由于桩，涡轮机和转子的静态存在而导致的风场的基础和变化。
2010年7月14日，在OWF GTI建设前两年，RV Heincke在该地区制造了一条南北ROTV断面。因此，随后记录的ScanFish ROTV数据提供了基线，以获得任何潜在的OWF效应的指示。
中等分辨率成像光谱仪（MODIS）海面温度（SST）数据和最初从物理海洋学分布式活动档案中心（PODAAC, ftp://podaac-ftp.jpl.nasa.gov/）获得的叶绿素a浓度由综合气候数据中心（ICDC, icdc.- cen.uni-hamburg.de）德国汉堡汉堡大学。仅使用夜间飞越的SST数据，空间分辨率为4 km。由于广泛的云覆盖范围，可以分析的唯一数据来自2014年7月23日。
2.1.2 现场测量
使用配备泵送Seabird Fast Cat SBE 49 CTD，AADI氧气Optode 4330F，泵送Turner Designs C6多传感器平台的MacArtney TRIAXUS ROTV进行高速大规模测量，激光光学浮游生物计数器（LOPC，ODIM）以及视频浮游生物记录仪（VPR，Seas-can）。以1Hz的频率记录数据，并以8节（4.1 m s-1）的速度牵引ROTV，具有三度横向偏移，以减轻来自血管尾流的任何干扰。在大多数横断面ROTV起伏不定，垂直速度为0.1 m s-1 ，海面以下4米至海床上方8米。这导致两个表面起伏转折点之间的垂直数据间距为0.3米，水平分辨率为约560米。对于两个横断面，ROTV以13米的恒定深度被拖曳。使用安装在TRIAXUS上的TriOS Ramses-ACC辐照度传感器每5秒记录光合有效辐射（PAR，400-700nm）并根据 Kirk (1994).每60秒记录一次全球辐射（GR）使用二级标准日射强度计Kipp＆Zonen CMP 11在研究船的上甲板上。
光可用性是光照区浮游植物生长的主要因素，其受PAR的1％深度作为其下边界的限制。基于沿每个向上单个轮廓的测量的PAR（z）值，我们通过对数变换的PAR（z）轮廓的线性回归计算扩散衰减系数Kd，然后估计z_1％_PAR为4.605Kd-1。预计用这种方法略微高估1％PAR深度，因为水柱上部4米的红色波长的高吸收是不是由起伏辐射计测量的。
固定垂直水文剖面图来自Seabird SBE 911plus CTD的垂线。在CTD预报期间，使用Hydro-Bios Freeflow 转盘水取样器在3个深度（5 m, 温跃层中心, 海底以上5 m）处进行用于营养物分析的水样。在关闭之前，将瓶子保持在取样深度2分钟，以确保用环境水完全冲洗。使用校准的WETlabs ECO FL（RT）叶绿素-a传感器在CTD向下投射期间测量叶绿素-a荧光，随后用于校准ROTV的相对叶绿素-a荧光测量值。通过连接到60ml注射器的0.45mm在线过滤器过滤水样，在-80℃冷冻并在20℃下储存在陆地上。解冻后，使用Seal Analytical Autoanalyser AA3使用Flu-分析营养素（N
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