海上风电场对北海洋流与表面温度的累积水动力学影响

为什么来自风力发电的海洋变化很重要

海上风电场正成为欧洲，尤其是北海地区的主要电力来源之一。但数以千计的风机不仅从风中提取能量；它们也会对海洋产生微妙的推动。本研究提出了一个看似基本却影响深远的问题：随着我们在北海中布置越来越多的风机，是否会在不知不觉中重塑洋流、水体混合，甚至海表温度，从而对海洋生物和气候产生重要影响？

减缓海洋的自然通行

研究人员使用了一个针对北海中南部的精细数值模型，进行了为期十年的模拟，对比有无海上风电场的两种情形。他们测试了当前的布局（约2023年的4,700台风机）以及符合政治目标的2050年情景，风机数量超过1万台。模型显示，风电场整体上会减缓近表层洋流：在风机最密集的区域，当今的风电已经将平均表层流速降低约10％，而到2050年建成时，某些地点——尤其是德国湾——的流速可能减弱超过20％。与此同时，在大型风机簇之间的空隙中，流速会略微增加，因为水流被这些新的“海中障碍物”绕流。

两类尾流，两个不同的影响格局

每台风机产生两种主要类型的尾流。在水面上方，叶片从风中汲取能量，形成一条向下风方向延伸几十公里的速度减弱且更湍动的空气尾迹。较弱的风应力减少了对海表的推动，平息了上层几米的湍流。而在水面下，风机基础类似河流中的桩子，增加阻力并在其下游产生旋涡状的强劲水流。模拟显示，这些水下尾流可在风机周围数百米到数公里范围内将局部湍流增强超过30％——有时甚至超过自然水平。二者合在一起，形成了平静的表层水域与狭窄的强混合“热点”并存的拼图式格局。

混合、分层与微妙的增温趋势

这种表层趋于平静与底层被搅动之间的拉锯改变了水柱的混合方式。在风机间距密集的区域，例如德国湾的部分海域，来自基础结构的额外湍流可使垂直混合在某些时段增加50％到超过100％，在夏季将更冷的深层水带到上层。这可使局部海表冷却最多约0.5摄氏度，并削弱季节性分层。另一方面，尤其是在如多格班克东侧等更开阔、季节性分层明显的海域，主要信号则相反：表层混合变弱、与风速减弱相关的气海交换减少。在那些地区，海表可升温最多约0.2°C，温暖表层与较冷深层之间的边界变得更浅且更陡。

能量、沉积物与营养物的转移变化

由于许多风电场附近的洋流减缓，系统的整体动能——即流动水体的“预算”——在未来情景中下降了几个百分点。较弱的底层流动意味着广泛浅海区域的海床剪切应力减弱，这会改变沉积物被扰动的难易程度。既有研究表明，这类变化可能影响有机物质最终是被埋入海床还是继续悬浮，从而对水体透明度和初级生产力产生连锁影响。研究还发现，该区域的主潮汐损失了一部分能量，而某些高频潮汐分量则增强，表明风电场微妙地调节了潮汐的节律与形态。

这对气候与海洋生物意味着什么

模型平均显示，海上风电扩张可能将北海表面温度小幅推高约0.1摄氏度——相比年际波动这很小，但约相当于单由气候变化带来的长期增温的10％。在分层区，更强的分层可能使富氧表层水更难到达底层，这对已易缺氧的海域构成担忧。在以混合和潮汐主导的海域，风导致的热量损失变化可能比混合本身更重要，指向风电场、海洋与大气之间复杂的反馈作用。作者认为，随着海上风电从单个项目发展成流域级网络，其物理影响应像其他重大人类驱动因素一样被纳入考量——这是规划者与政策制定者在未来风电场设计、风机间距安排以及海洋生态管理中需要考虑的内容。

引用: Christiansen, N., Daewel, U. & Schrum, C. Cumulative hydrodynamic impacts of offshore wind farms on North Sea currents and surface temperatures. Commun Earth Environ 7, 164 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03186-8

关键词: 海上风电场, 北海洋流, 海洋混合, 海表温度, 海洋生态系统