Otepľovanie morskej hladiny a spätná väzba medzi oceánom a atmosférou, ktorú spôsobujú rozsiahle pobrežné veterné elektrárne v sezónne stratifikovaných podmienkach
Prinášame vedecké štúdie uverejnenú na stránke 
Keďže sa predmetné obrázky a grafy nepreniesli na stránku správne (čitateľne), môžete si ich pozrieť aj v originále... 98 štúdií je uvedených na konci tejto prvej. Ak by vám prekliky na linky nefungovali, môžete si otvoriť originál článok, ktorý nájdete TU: SCIENCE ADVANCES
UPOZORNENIE: Pre bežného čitateľa je štúdia až príliš vedecká, náročná na čítanie a pochopenie. Uvádzame ju tu predovšetkým ako dôkaz klamstiev investorov a zástupcov hnutia GREENPEACE, že NEEXISTUJÚ VEDECKÉ ŠTÚDIE O NEGATÍVNYCH ÚCINKOCH VETERNÝCH PARKOV... A pripájame otázku: Ak to takéto problémy spôsobuje v oceáne, čo všetko sa deje potom na súši v pôde? Aké to má dopady prírodu, na poľnohospodársku produkciu a celkovo život ľudí v regióne?
Úvodom zo štúdie vyberáme pojednanie o zmenách teploty na pevnine. SST (skratka pre povrch vodnej hladiny) a LST - skratka pre zmeny teploty na pevnine...
Otepľovanie SST pripomína otepľovanie teploty zemského povrchu (LST) vyvolané veternými farmami na pevnine v stabilne stratifikovaných podmienkach ( 1 , 43 , 56 – 60 ). Predchádzajúce štúdie uvádzajú silné nočné (stabilné podmienky) otepľovanie LST, zatiaľ čo denné (nestabilné podmienky) účinky zostávajú nepresvedčivé. Otepľovanie SST od otepľovania LST však odlišujú dva kľúčové rozdiely. Po prvé, zatiaľ čo veterné farmy na mori aj na pevnine generujú anomálne turbulentné miešanie v atmosfére, ktoré prenáša teplejší vzduch smerom nadol a zvyšuje teploty vzduchu v blízkosti povrchu, mechanizmy, ktoré spôsobujú zmeny teploty povrchu, sa líšia. Na pevnine je otepľovanie LST primárne spojené so zmenami v turbulentných tepelných tokoch na povrchu, ktoré sú výsledkom zmien v turbulentnom miešaní ( 61 ). Na mori je otepľovanie SST viac riadené zmenami v stratifikácii zmiešanej vrstvy oceánu, turbulentným miešaním a vzostupnou cirkuláciou spôsobenou zmenami v napätí vetra ( 13 , 16 ). Výsledné zvýšenie SST zase spôsobuje anomálne tepelné toky z oceánu do atmosféry. Bez oceánu ako anomálneho zdroja tepla by zvýšené zmeny tepelného toku smerom nahor podporovali ochladzovanie SST. Po druhé, zatiaľ čo zmeny LST môžu byť citlivé na parametre stability atmosféry a turbulencie, otepľovanie SST v našich simuláciách vykazuje len slabú závislosť od týchto parametrov ( obr. 7 ). Tieto rozdiely naznačujú, že procesy v hornej časti oceánu môžu zohrávať dôležitú úlohu pri formovaní reakcií SST na veterné farmy na mori.
Celá štúdia tu:
Abstrakt
Veterné farmy na mori môžu vyvolať zmeny v horných vrstvách oceánu a v atmosfére blízko povrchu prostredníctvom prepojených spätných väzieb medzi oceánom a atmosférou. Úloha interakcií vzduch-more sprostredkovaných veternými farmami na mori však zostáva nedostatočne pochopená. Pomocou plne prepojených simulácií modelov oceán-atmosféra-vlny pre sezónne stratifikované podmienky pozdĺž východného pobrežia USA ukazujeme, že simulované kumulatívne zníženie veterného stresu v dôsledku rozsiahlych zoskupení veterných elektrární vedie k otepľovaniu morskej hladiny o 0,3° až 0,4°C a k plytšej zmiešanej vrstve. Toto otepľovanie poháňa nahor smerujúce tepelné toky, destabilizuje hraničnú vrstvu atmosféry a zvyšuje veterný stres, čo čiastočne kompenzuje deficity vetra vyvolané brázdou. Tieto interakcie medzi brázdou a oceánom ovplyvňujú meteorológiu blízko povrchu a toky vzduch-more, čo naznačuje, že na posúdenie potenciálnych oceánografických vplyvov rozvoja veterných elektrární na mori môže byť potrebný prístup prepojeného modelovania. Prepojenie oceánov však má obmedzený vplyv na vietor vo výškach relevantných pre turbíny alebo v brázdach po prúde, čo má za následok minimálny vplyv na dlhodobú energiu. Tieto zistenia naznačujú, že modely bez prepojenia oceánov môžu byť primerané pre aplikácie veternej energie.
ÚVOD
Rozvoj veternej energie na mori v pobrežných vodách USA sa neustále rozširuje a pri východnom pobreží USA je v súčasnosti v prevádzke niekoľko veterných elektrární komerčného rozsahu ( obr. 1A ). Rozsah existujúcich, plánovaných a navrhovaných projektov veternej energie na mori zdôrazňuje potrebu základného výskumu toho, ako zoskupenia veterných elektrární interagujú s meteorologickými aj oceánografickými podmienkami, ktoré sa vyskytujú v oblastiach prenájmu veternej energie.
Obr. 1. Oblasti prenájmu veternej energie, batymetria a simulované verzus pozorované vetry.
( A ) Prepojená modelová doména s batymetriou vytieňovanou v metroch. Oblasti prenájmu veternej energie sú ohraničené čiernou farbou, pričom bodky predstavujú jednotlivé turbíny, pričom celkový počet je 1418 vo všetkých prenajatých oblastiach. Dve najväčšie prenajaté oblasti, Massachusetts/Rhode Island (MA/RI) a New Jersey (NJ), ktoré obsahujú 830 a 464 turbín, sú ohraničené čiernymi rámčekmi. Vložka v ľavom hornom rohu zobrazuje vonkajšiu modelovú doménu (červený rámček), ktorá poskytuje atmosférické hraničné pôsobenie na prepojenú doménu (modrý rámček). ( B ) Veterné ružice znázorňujúce smery (pôvod) a rýchlosti vetra (tieňovanie) zo staníc Národného dátového centra pre bóje (NDBC): Delaware Bay (bója 44009) a Nantucket (bója 44008) v porovnaní s nerušenou simuláciou (OC_NWF). SV, severovýchod; S, sever; SZ; severozápad; Z, západ; JZ, juhozápad; J, juh; JV; juhovýchod; V, východ.
Veterné turbíny vyrábajú elektrinu premenou kinetickej energie vetra na elektrickú energiu. V dôsledku toho odber energie turbínami znižuje rýchlosť vetra a zvyšuje turbulenciu ( 1 – 3 ). Pri malom aj veľkom rozsahu nasadenia pobrežných veterných fariem sú tieto efekty brázdy veterných fariem ( 4 ) dobre zdokumentované, nielen ako znížená energia vyrobená vo veterných farmách ( 5 ), ale aj ako zmenená meteorológia blízko povrchu a toky vzduchu a mora ( 6 – 10 ). Tieto zmeny môžu viesť k oceánskym a ekologickým reakciám ( 11 , 12 ).
Napríklad v sezónne stratifikovanom Severnom mori a Nemeckom zálive modelová štúdia Christiansena a kol. ( 13 ) ukázala, že znížené napätie vetra z klastrov veterných elektrární s pevným dnom ( 7 ) potláča vertikálne miešanie v hornej časti oceánu, čo vedie k silnejšej stratifikácii a otepľovaniu priemernej teploty oceánu v hĺbke o ~0,1 °C. Ukázalo sa, že tieto zmeny ovplyvňujú cirkuláciu oceánu po prúde a biogeochemické cykly ( 14 ). Podobne štúdie pozdĺž kalifornského pobrežia ( 15 , 16 ) ukázali, že zmeny v profiloch napätia vetra spojené s plávajúcimi veternými elektrárňami môžu zmeniť cirkuláciu vzostupu prúdu spôsobenú vetrom, s potenciálnym vplyvom na dodávanie živín a dynamiku pobrežných ekosystémov. Na stredoatlantickom šelfe Miles a kol. ( 17 ) uviedli, že veľké klastre veterných elektrární môžu ovplyvniť stratifikáciu v blízkosti pobrežia a formovanie Cold Pool ( 18 ), kľúčovej podzemnej vodnej masy podporujúcej regionálne rybolovné oblasti a ekosystémy.
Napriek tomu, že v predchádzajúcich štúdiách sa skúmal prvoradý vplyv brázd veterných elektrární na oceán, úloha obojsmernej interakcie medzi brázdou a oceánom sprostredkovanej veternými elektrárňami na mori pri riadení reakcií oceánskej a morskej atmosférickej hraničnej vrstvy (MABL) zostáva nedostatočne pochopená. Väčšina štúdií veterných brázd sa spolieha len na modely zamerané na atmosféru ( 19 , 20 ) alebo modely prepojené s atmosférou a vlnami ( 9 , 21 , 22 ), kde meteorológia blízko povrchu a toky vzduchu a mora nereagujú na zmeny teploty morskej hladiny (SST) vyvolané brázdou veterných elektrární ( 6 , 7 , 10 ). To je v kontraste s vyššie uvedenými štúdiami modelovania oceánov, ktoré zdôrazňujú dynamickú povahu SST a variability horných vrstiev oceánu v dôsledku pôsobenia vetra brázdou ( 16 , 23 ).
Podobne aj morské hydrodynamické a biogeochemické modely typicky používajú predpísané pôsobenie vetra, čo môže obmedziť ich schopnosť zachytiť obojsmerné spätné väzby vyvolané brázdou na hybnosť vzduchu a mora a tepelné toky – kľúčové faktory reakcií oceánu. Zatiaľ čo interakcia vzduchu a mora sa všeobecne uznáva ako dôležitá v modelovaní veternej energie a oceánografie na mori ( 13 , 24 , 25 ), rozsah, v akom je prepojenie oceánu a atmosféry dôležité, a špecifické podmienky, za ktorých sú plne prepojené modely oceánu a atmosféry potrebné, zostávajú nejasné. Riešenie týchto problémov si vyžaduje použitie plne prepojených modelovacích systémov, ktoré dokážu vyriešiť obojsmernú spätnú väzbu vyvolanú brázdou.
V tejto štúdii používame simulácie s vysokým rozlíšením s plne prepojeným regionálnym modelom oceán-atmosféra-vlny na posúdenie realistických scenárov zahŕňajúcich rozsiahle veterné farmy s vysokou hustotou a pevným dnom na mori pozdĺž východného pobrežia USA. Simulácie so zameraním na existujúce oblasti prenájmu veternej energie ( obr. 1A ) vyhodnocujú účinky brázd vyvolaných turbínami pomocou parametrizácie veterných elektrární Fitch ( 1 ) a kvantifikujú ich potenciálne vplyvy na procesy v hornej časti oceánu, dynamiku MABL a výrobu energie. Efekt viazania oceánov definujeme ako atmosférické reakcie na anomálie SST vyvolané výlučne veternými farmami. Preto sa naša analýza zameriava na regióny v blízkosti veterných elektrární na mori. Zatiaľ čo základy turbín môžu generovať hydrodynamické brázdy ( 23 , 26 , 27 ) a meniť stav mora a namáhanie vetrom ( 28 ), takéto štrukturálne účinky sa v tejto štúdii nezohľadňujú.
Skúmame boreálne leto, obdobie, v ktorom dominujú stabilné atmosférické podmienky a nízka turbulencia pozadia ( 20 , 29 , 30 ), počas ktorého sú výrazné efekty brázdových úplavov ( 31 , 32 ). V lete sa však často vyskytuje aj nestabilná stratifikácia, čo umožňuje hodnotenie v rôznych režimoch stability. Študijná oblasť pokrýva sezónne stratifikovaný šelf pri pobreží Massachusetts/Rhode Island (MA/RI) a New Jersey (NJ), čo umožňuje porovnanie s predchádzajúcimi modelovými štúdiami podobných oceánografických podmienok ( 13 , 15 – 17 , 23 ).
Simulácie zahŕňajú plne prepojené prípady s parametrizáciou veternej brázdy a bez nej, ako aj doplnkové simulácie iba atmosféry, ktoré vylučujú prepojenie s oceánom (tabuľka S1). Taktiež hodnotíme citlivosť na empirický parameter α, ktorý riadi generovanie kinetickej energie turbulencie (TKE) vo Fitchovej schéme (Materiály a metódy) ( 1 ). Parameter α sa pohybuje od 0 do 1,0, čo odráža žiadny až plný vstup TKE. Zatiaľ čo vplyv α na charakteristiky brázdy a produkciu energie je dobre zdokumentovaný ( 10 , 20 , 33 , 34 ), jeho vplyv na reakcie oceánu nie je dobre pochopený. Zmenou α a zohľadnením rôznych režimov stability atmosféry systematicky hodnotíme citlivosť reakcií vrchnej časti oceánu v rámci rôznych intenzít brázdy.
Taktiež kvantifikujeme, ako anomálie SST vyvolané brázdou ovplyvňujú vetry vo vrstve rotora a vo výške náboja, TKE a produkciu energie. Predchádzajúce štúdie ukázali, že anomálie SST v oceánskom mezoškále na dĺžkových škálach(10 až 100 km) modulujú toky tepla a hybnosti medzi vzduchom a morom, čím ovplyvňujú strih vetra, vztlak a výšku MABL ( 35 , 36 ). Teplejšie SST v porovnaní s nadložným vzduchom – bežne pozorované nad vírmi v teplom jadre alebo Golfským prúdom – teda zvyšujú vzostupný tepelný tok, prehlbujú MABL a zrýchľujú vetry v blízkosti povrchu prostredníctvom silnejšieho prenosu hybnosti smerom nadol ( 37 , 38 ). Porovnaním prepojených a iba atmosférických simulácií ukazujeme, že anomálie SST generované pobrežnými veternými farmami majú podobné účinky na stabilitu atmosféry a turbulentné miešanie prostredníctvom anomálneho tepelného toku do atmosféry. Naše zistenia naznačujú, že tento mechanizmus spätnej väzby môže byť dôležitý pre modelovanie atmosférických podmienok v hornej časti oceánu a blízko povrchu v blízkosti veterných elektrární, ale pravdepodobne má obmedzený vplyv na vetry vo výške centra a dlhodobú výrobu energie.
VÝSLEDKY
Vplyvy veterných úplavov blízko povrchu
Obrázok 2 znázorňuje časovo spriemerované [jún – august (JJA), 2017 – 2021] modelované vplyvy prevádzky veterných elektrární na blízkom povrchu za všetkých podmienok stability s α = 0,25, na základe prepojených simulácií. Počas leta prevládajúci juhozápadný vietor dosahuje priemernú rýchlosť vetra okolo 9 ms −1 vo výške centra (138 m) a 6 ms −1 vo výške 10 m (obr. S1, A a B). V prenajatých oblastiach MA/RI a NJ veterné turbíny v našich simuláciách znižujú rýchlosť vetra o 2 až 3 ms −1 (20 až 30 % nerušených hodnôt) vo výške centra a o 0,25 až 0,5 ms −1 (5 až 10 %) vo výške 10 m ( obr. 2, A a B a obr. S2, A a B). Tieto zmeny sú podobné zmenám z predchádzajúcich štúdií v tomto regióne v lete ( 5 , 6 , 10 , 20 ), ako aj nad Severným morom ( 7 , 8 ). Štúdie Severného mora napríklad ukazujú zníženie rýchlosti vetra približne o 1,8 ms⁻¹ ( 21 % zníženie) vo výške náboja a o 0,38 ms⁻¹ ( 3 až 4 %) vo výške 10 m.
Obr. 2. Vplyvy veterných elektrární na mori na blízkom povrchu pre všetky podmienky stability s α = 0,25.
Mapy znázorňujúce časovo spriemerované (JJA, 2017–2021) rozdiely (OC_WF mínus OC_NWF) pre ( A ) výšku náboja (138 m) rýchlosť vetra (ms −1 , metre za sekundu), ( B ) rýchlosť vetra na 10 m (ms −1 ), ( C ) PBLH (metre), ( D ) namáhanie vetrom (N m −2 , newtony na meter štvorcový), ( E ) teplotu vzduchu na 2 m (T2, °C) a ( F ) vzostupný turbulentný tepelný tok (latentný + citeľný; W m −2 , watty na meter štvorcový, kladný smerom nahor). Štatisticky významné odozvy na 99 % úrovni spoľahlivosti sú označené sivými bodkami a sú vynesené každých deväť bodov mriežky. Všetky výsledky sú spriemerované pre všetky podmienky stability, simulované s α = 0,25.
Počas stabilných podmienok (obr. S3, A a B) je zníženie rýchlosti vetra výraznejšie a brázdy veterných elektrární sa rozprestierajú ďalej po prúde, najmä od oblastí prenájmu MA/RI. Naopak, za nestabilných podmienok (obr. S4, A a B) sú deficity rýchlosti vetra slabšie vo výške centra, ale výraznejšie v blízkosti povrchu. Táto závislosť od stability atmosféry je v súlade so zisteniami Rosencransa a kol. ( 20 ) v oblasti MA/RI, ktorí uvádzajú deficit vetra vo výške centra 2,5 až 3,5 ms⁻¹ siahajúci po prúde pri stabilnej stratifikácii, v porovnaní s lokalizovanejšími deficitmi 0,5 až 1 ms⁻¹ obmedzenými na oblasť veternej farmy počas nestabilných podmienok. Celkovo je rozsah a priestorová štruktúra zníženia rýchlosti vetra v súlade s predchádzajúcimi zisteniami založenými na pozorovaniach syntetického apertúrneho radaru ( 32 , 39 , 40 ) a numerických modeloch ( 3 , 7 , 15 , 20 ).
Veterné farmy tiež ovplyvňujú výšku hraničnej vrstvy planéty (PBLH) zvýšením turbulencie v blízkosti povrchu a modifikáciou profilov šmyku vetra ( 10 ). PBLH je v schéme PBL definovaná turbulenciou a vztlakom, pričom v stabilných podmienkach dominuje turbulencia vyvolaná šmykom a v nestabilných podmienkach prevláda vztlak ( 41 ). Reakcia PBLH na veterné farmy teda závisí od turbulencie generovanej turbínami (α) a od podmienok atmosférickej stability ( 10 ). V nerušenej simulácii (OC_NWF) je priemerná hodnota PBLH ~200 m (obr. S1C), ale prevádzkované veterné farmy ju zvyšujú takmer o 100 m (50% nárast; obr. 2C ). K silnejšiemu nárastu PBLH dochádza počas stabilných podmienok (obr. S3C), čo je v súlade s predchádzajúcimi štúdiami ( 10 , 42 ). Avšak aj za nestabilných podmienok sa PBLH zvyšuje približne o 50 m (obr. S4C). Toto zvýšenie sa očakáva, pretože veterné turbíny slúžia ako lapáky hybnosti a zdroje tepelnej energie (TKE) v oblasti obiehajúcej rotor ( 1 ).
Analýzy závislé od stability s α = 0,25 ( obr. 2 a obr. S3 a S4) a testy citlivosti s α = 1,0 (obr. S5 až S7) ukazujú, že zvyšovanie α vedie k všeobecne slabším deficitom vetra v blízkosti povrchu – a dokonca k miernym zrýchleniam za stabilných podmienok (obr. S6B). Toto zistenie je v súlade s predchádzajúcimi štúdiami brázd skúmajúcimi účinky atmosférickej stability ( 10 , 22 , 34 ). Avšak pri spriemerovaní za všetky podmienky stability naše výsledky naznačujú pretrvávajúce znižovanie rýchlosti vetra v blízkosti povrchu nad prenajatými oblasťami bez ohľadu na zvolenú hodnotu α. Toto kumulatívne zníženie rýchlosti vetra je kľúčovým faktorom súvisiacich reakcií oceánu.
Vertikálne prierezy potenciálnej teploty a rýchlosti vetra poskytujú ďalšie poznatky o vplyvoch vyvolaných brázdou. Pri prevádzkovaných veterných farmách klesá časovo priemerná teplota nad výškou náboja o 0,3 °C až 0,4 °C a rýchlosť vetra v blízkosti výšky náboja klesá o 2 až 3 ms −1 v oblastiach MA/RI ( obr. 3, C a E ) a NJ (obr. S8, C a E). Naopak, teploty sa zvyšujú o 0,1 °C až 0,2 °C a rýchlosť vetra klesá približne o 0,5 ms −1 v blízkosti povrchu. Tieto vzorce ochladzovania rotorovej vrstvy a otepľovania v blízkosti povrchu sú spôsobené zmenami v turbulentnom miešaní vyvolanom šmykom, ktoré sú výsledkom vertikálneho šmyku vetra modifikovaného brázdou ( 19 , 43 , 44 ).
Obr. 3. Vplyvy veterných elektrární na mori na SST, hĺbku zmiešanej vrstvy a vertikálnu štruktúru oceánu a atmosféry: zameranie MA/RI.
( A a B ) Časovo spriemerované (JJA, 2017–2021) rozdiely (OC_WF mínus OC_NWF) pre (A) SST (°C) a (B) hĺbku zmiešanej vrstvy (MLD, m) za všetkých podmienok stability, simulované s α = 0,25. ( C až F ) Prierezy juhozápad-severovýchod cez oblasti prenájmu MA/RI [čierne čiary v (A) a (B)], znázorňujúce (C) zmeny atmosférických a oceánskych teplôt (°C) a (E) rýchlosť atmosférického vetra a druhú mocninu oceánskej frekvencie Brunt-Väisälä ( N2 , 10−3 s − 2 ) v dôsledku veterných elektrární s prepojením s oceánom (OC_WF mínus OC_NWF). Zobrazené sú aj zmeny (D) atmosférických teplôt a (F) rýchlosti vetra v dôsledku prepojenia s oceánom (OC_WF mínus NOC_WF). Hrubé čierne čiary označujú výšku náboja (138 m), zatiaľ čo tenké čierne čiary označujú vertikálny rozsah plochy pokrývajúcej rotor medzi spodným (30,5 m) a horným (245,5 m) hrotom lopatiek. Plné čierne (prerušované) čiary označujú MLD z OC_NWF (OC_WF).
Časovo spriemerované deficity rýchlosti vetra blízko povrchu – spriemerované v rôznych režimoch stability – vedú k zníženiu napätia vetrom v oblastiach veterných elektrární, s poklesom o 10 až 20 % v prenajatých oblastiach a o 5 až 10 % po prúde ( obr. 2D a obr. S2D). Vzorce znižovania napätia vetrom a ich závislosť od stability odrážajú vzorce 10-metrového veterného poľa. Podobné zníženia sa nachádzajú v premenných súvisiacich so stavom mora a povrchovými vlnami odvodených z vlnovej zložky prepojeného modelu (Materiály a metódy). Patria sem napätie podporované vlnami, ktoré predstavuje tok hybnosti z vetra do povrchových vĺn; tok energie z vlny do oceánu, ktorý prispieva k miešaniu v povrchovom oceáne indukovanému vlnami; a významná výška vlny, ktorá je mierou energie vĺn ( obr. 4, A až C ). Zníženie namáhania vetrom vedie k zníženiu energie povrchových vĺn a slabšiemu turbulentnému miešaniu vyvolanému vlnami ( 21 , 22 , 45 , 46 ), čím sa znižuje TKE blízko povrchu oceánu ( obr. 4D ), čo je v súlade so zisteniami Christiansena a kol. ( 13 ).
Obr. 4. Vplyvy veterných elektrární na povrchové vlny, toky vzduchu a mora a stabilitu atmosféry.
Podobné ako na obr. 2 , ale znázorňujúce ( A ) napätie podporované vlnami (10⁻² N m⁻² ) , ( B ) energetický tok vlny k oceánu (10⁻² W m⁻² ) , ( C ) významnú výšku vlny (centimetre), ( D ) teplotu oceánskej teploty blízko povrchu (TKE) (10⁻³ m² s⁻² ) , ( E ) teplotu teploty vĺn mínus T2 (°C, kladná hodnota označuje nestabilný stav) a ( F ) čistý tepelný tok smerom nahor (watty na meter štvorcový). Výsledky sú spriemerované pre všetky podmienky atmosférickej stability a simulované s α = 0,25.
Obrázok 3 (C a E) a obr. S8 (C a E ) znázorňujú vertikálne profily potenciálnej teploty oceánu a štvorca Brunt-Väisäläovej frekvencie ( N2 ), čo naznačuje stratifikáciu hustoty oceánu. Počas leta je pozorovaný a modelovaný Stredoatlantický záliv silne stratifikovaný ( 17 , 47 ), pričom hĺbka zmiešanej vrstvy (MLD), odhadnutá z pozorovacích údajov s použitím prahovej hodnoty hustoty 0,03 kg m −3 , zostáva v blízkosti veterných elektrární menej ako 5 m ( 48 ). S veternými elektrárňami na mieste sa MLD znižuje približne o 1 m, čo predstavuje 20 % zníženie oproti nerušeným podmienkam ( obr. 3B ). Otepľovanie oceánov je sústredené v zmiešanej vrstve, zatiaľ čo ochladzovanie prebieha pod ňou, čo naznačuje zvýšenú stratifikáciu hornej vrstvy oceánu. Najväčší nárast stratifikácie sa nachádza na základni zmiešanej vrstvy. Tieto vzorce otepľovania oceánov v blízkosti povrchu a zvýšenej stratifikácie sú v súlade so znížením veterného stresu, TKE a turbulentného miešania ( 13 , 23 , 49 ). Výsledné zmeny v procesoch v hornej časti oceánu vedú k otepľovaniu SST o 0,3° až 0,4°C, ktoré je najvýraznejšie v blízkosti veľkých veterných elektrární vrátane tých v prenajatých oblastiach MA/RI a NJ ( obr. 3A ). V nasledujúcich častiach podrobnejšie skúmame charakteristiky týchto vzorcov otepľovania SST a ich spätnoväzobné účinky na atmosféru.
Veterné farmy tiež ovplyvňujú vzostupné turbulentné (latentné + citeľné) tepelné toky ( 7 , 8 ) a stabilitu atmosférickej hraničnej vrstvy. Naše simulácie ukazujú, že teplá odozva SST je spojená so slabo pozitívnymi anomáliami 3 až 5 W m −2 pri MA/RI a až 10 W m −2 pri NJ ( obr. 2F ; pozri tiež čistý tepelný tok na obr. 4F ). Pozitívne toky tu naznačujú otepľovanie atmosféry a ochladzovanie oceánu. Všimnite si, že otepľovanie SST presahuje 2-metrovú teplotu vzduchu (T2) až o 0,2 °C ( obr. 4E ). Tento vzostupný tepelný tok je teda spojený s nestabilnejšou MABL, ako je zrejmé zo zmien vertikálneho profilu atmosférickej teploty ( obr. 3C a obr. S8C). Zistili sme, že otepľovanie SST je spojené s 5 % nárastom nestabilných atmosférických podmienok v blízkosti prenajatých oblastí ( obr. 5 ). Ak sa skomponuje iba 5 % prípadov, keď je MABL nestabilnejší v OC_WF ako OC_NWF, PBLH sa zvýši o viac ako 120 m – v porovnaní s 50 m nárastom v zostávajúcich 95 % prípadov ( obr. 5, C a D ). Zvýšenie PBLH za nestabilných podmienok je pravdepodobne spôsobené produkciou TKE riadenou vztlakom, čo podporuje zvýšený TKE nad oblasťami otepľovania SST (obr. S9).
Obr. 5. Zmeny v stabilite atmosféry v dôsledku otepľovania oceánu vyvolaného vlnobitím a jeho vplyvy na PBLH.
( A ) Percentuálny výskyt (%) nestabilných podmienok počas JJA, 2017 – 2021 v nerušenej simulácii (OC_NWF). ( B ) Zmena percentuálneho výskytu nestabilných podmienok v dôsledku veterných elektrární. ( C ) Kompozitná priemerná zmena PBLH (m) počas 5 % času, keď atmosférická stabilita prechádza na nestabilnú v oblastiach prenájmu MA/RI, ako je uvedené v (B). ( D ) Ako v (C), ale počas zvyšných 95 % času, keď sa stabilita nemení.
V modeloch bez prepojenia s oceánmi sa zmeny turbulentného tepelného toku pripisujú primárne modifikáciám v meteorologických podmienkach blízko povrchu vyvolaným brázdou. V takýchto prípadoch sú tepelné toky vzduch-more často smerované do oceánu, čo je spojené so zvyšovaním teploty vzduchu blízko povrchu a výslednou stabilnou hraničnou vrstvou atmosféry ( 6 , 7 , 10 ). Naproti tomu výsledky nášho prepojeného modelu naznačujú, že otepľovanie SST môže prekročiť 2 m otepľovania teploty vzduchu, čo vedie k nahor smerujúcim (z oceánu do atmosféry) tepelným tokom a tendencii k nestabilnejšej hraničnej vrstve atmosféry.
Reakcia SST na otepľovanie v dôsledku veterných úplavov
V prepojenom modeli je zvýšenie teploty morskej teploty (SST) v blízkosti oblastí veterných elektrární na mori ( obr. 3A ) spojené so znížením veterného stresu a turbulentného miešania v blízkosti povrchu v oceáne vyvolaného brázdou. Hoci rozsah tohto otepľovania (0,3° až 0,4°C) predstavuje malý zlomok veľkého ročného cyklu SST v Stredoatlantickom zálive (7° až 25°C) ( 50 ), zodpovedá za ~50 až 60 % detrendovanej letnej medziročnej variability SST pozorovanej na vonkajšom kontinentálnom šelfe východného pobrežia USA ( obr. 6, A a B ). Táto časť poskytuje ďalšiu charakterizáciu reakcií SST.
Obr. 6. Medziročná variabilita SST, anomálie SST vyvolané brázdou a časopriestorový vývoj.
( A ) Priestorové rozloženie štandardnej odchýlky detrendovaných anomálií SST v letnom období (JJA, 1982–2024) (°C), odvodené zo súboru údajov 0,25° NOAA Optimum Interpolation (OI) SST V2 ( 86 ). ( B ) Priestorová mapa percentuálneho pomeru (%) modelovanej odozvy SST indukovanej veternými farmami v porovnaní s medziročnou variabilitou zobrazenou v (A). ( C ) Hodinová časová rada priemernej anomálie SST za päť rokov v prenajatých oblastiach MA/RI (červená) a NJ (modrá), s tieňovaním označujúcim ±1 medián absolútnej odchýlky počas päťročného obdobia. ( D až H ) Anomálie SST priemerované JJA v prenajatých oblastiach MA/RI pre každý simulačný rok, znázorňujúce medziročnú variabilitu. ( I až M ) Ako v (D) až (H), ale pre pobrežie NJ.
Obrázok 6C zobrazuje hodinové časové rady rozdielov SST (OC_WF mínus OC_NWF) v oblastiach MA/RI a NJ. Obrázok zdôrazňuje rýchly nárast otepľovania SST v reakcii na zmeny veterného stresu. Po tejto počiatočnej úprave vykazuje signál otepľovania SST výraznú dennú, submesačnú a subsezónnu variabilitu. Značná priestorová a medziročná variabilita sa nachádza aj v sezónne spriemerovanej (JJA-priemer) odozve SST. Obrázok 6 (D až M) zobrazuje mapy medziročnej variability v odozvách JJA-priemer SST. V MA/RI vykazujú letá 2017, 2018 a 2020 silnejšie otepľovanie SST, dosahujúce až 1 °C, zatiaľ čo roky 2019 a 2021 vykazujú mierne alebo tlmené otepľovanie (približne 0,1 °C). V regióne New Jersey sa otepľovanie rozširuje široko pozdĺž pobrežia, pričom silnejšie otepľovanie bolo zaznamenané v rokoch 2017, 2019 a 2021 a slabšie v rokoch 2018 a 2020. Tieto rozdiely v medziročnej variabilite medzi MA/RI a NJ naznačujú mechanizmy špecifické pre región, ktoré riadia reakcie SST. Podobné vzorce rozsiahleho otepľovania SST boli zaznamenané v simuláciách pozdĺž kalifornského pobrežia v súvislosti s plávajúcimi veternými elektrárňami na mori ( 16 ).
Napriek časopriestorovej variabilite a variáciám vo veľkosti sú časovo priemerované odozvy SST konzistentné vo všetkých kombináciách režimov atmosférickej stability a hodnôt α uvažovaných v tejto štúdii ( obr. 7 ). Otepľovanie SST sa objavuje konzistentne vo všetkých prípadoch a je priestorovo dobre zosúladené s najväčšími oblasťami veterných elektrární na mori, vrátane oblastí v MA/RI a NJ. Táto konzistentná odozva SST potvrdzuje časovo priemerné zníženie rýchlosti a napätia vetra blízko povrchu ( obr. 2, B a D ). Zatiaľ čo je známe, že charakteristiky veternej brázdy sú citlivé na prevládajúcu atmosférickú stabilitu a zvolený faktor TKE, otepľovanie SST vykazuje oveľa slabšiu citlivosť na tieto faktory.
Obr. 7. Odozvy SST za rôznych podmienok atmosférickej stability a faktorov TKE.
Časovo spriemerovaná (JJA, 2017–2021) odozva SST (°C) (OC_WF mínus OC_NWF) pre (hore) α = 0,25 a (dole) α = 1,0 za ( A a D ) všetkých podmienok stability, ( B a E ) stabilných a ( C a F ) iba nestabilných podmienok.
Zmeny v SST sú simulované aj za kontinentálnym šelfom a v hlbokom oceáne. Tieto reakcie vo vzdialenom poli sú však vo všeobecnosti menšej veľkosti a priestorovo menej koherentné ako tie, ktoré sa vyskytujú v blízkosti veľkých veterných elektrární. Tieto regióny vykazujú oveľa väčšiu vnútornú variabilitu oceánu ako šelfový oceán ( obr. 6A ). Robustná pripisovanie vynútených reakcií vo vzdialených regiónoch so zvýšenou vnútornou variabilitou si pravdepodobne bude vyžadovať dlhšie simulácie. Namiesto toho sa naša analýza zameriava na pobrežné oblasti susediace s veternými farmami, kde je reakcia oceánu konzistentná a základná fyzika, ktorá určuje procesy v hornej časti oceánu, toky vzduch-more a vlastnosti MABL, je v literatúre lepšie pochopená.
Teplotná rovnováha zmiešanej vrstvy oceánu
Zvýšenie teploty povrchu oceánu (SST) napriek zvýšenému toku tepla smerom nahor naznačuje, že procesy v hornej časti oceánu môžu prispievať k udržaniu otepľovania povrchu. Aby sa preskúmali zapojené fyzikálne mechanizmy, táto časť predstavuje podrobnú analýzu online výpočtov rozpočtu teploty zmiešanej vrstvy oceánu (MLT) (Materiály a metódy).
V nerušených simuláciách (obr. S10) je otepľovanie MLT naprieč šelfom primárne spôsobené otepľovaním povrchovým tepelným tokom (QFLX) ( 51 ). Toto otepľovanie je čiastočne kompenzované ochladzovaním z VMIX, so sekundárnym príspevkom z ochladzovania strhávaním (ENT). Horizontálna divergencia tepelného toku (HADV) ochladzuje MLT ( obr. 8C ), čo je do značnej miery kompenzované otepľovaním v dôsledku vertikálnej teplotnej advekcie na základni zmiešanej vrstvy (VADV).
Obr. 8. Zmeny teplotných ekvivalentov zmiešanej vrstvy v MA/RI.
Mapy znázorňujúce rozdiel v časovo integrovaných (JJA, 2017–2021) ekvivalentoch MLT (°C) medzi OC_WF a OC_NWF pripisovaný: ( A ) celkovej tendencii (TEND), ( B ) horizontálnej advekcii (HADV) plus vertikálnej advekcii (VADV), ( D ) strhávaniu (ENT) a ( E ) povrchovému tepelnému toku (QFLX) plus vertikálnemu miešaniu. ( C ) Plošne spriemerované ekvivalenty MLT v OC_WF (modrá) a OC_NWF (oranžová) a ( F ) ich rozdielom (OC_WF mínus OC_NWF). Oblasti mimo kontrolného objemu použitého na výpočet rozpočtu sú maskované. Všimnite si rôzne farebné stupnice v (A), (B), (D) a (E).
Vzhľadom na rozdiely vo fyzikálnych mechanizmoch, ktoré riadia odozvy SST, analyzujeme rozpočet MLT samostatne pre regióny MA/RI a NJ. Každý z rozpočtových členov v rovnici 3 je časovo integrovaný, aby sa získali ekvivalenty MLT (v jednotkách °C) a priestorovo spriemerovaný pre zodpovedajúce kontrolné objemy (Materiály a metódy).
V oblasti MA/RI sa MLT zvyšuje o ~0,18 °C, predovšetkým v dôsledku zníženého ochladzovania ENT (0,17 °C) ( obr. 8F ). Ochladzovanie ENT je spojené s prehĺbením zmiešanej vrstvy, čím sa do zmiešanej vrstvy strháva chladnejšia podpovrchová voda. Znížené ochladzovanie ENT pod veternými farmami je preto v súlade s plytšou zmiešanou vrstvou ( obr. 3B ). Ďalšie otepľovanie je poháňané VADV (1,42 °C), ktoré je takmer úplne vyvážené ochladzovaním HADV (-1,45 °C) ( obr. 8F ). QFLX prispieva k čistému otepľovaniu (1,10 °C), a to aj napriek skutočnosti, že zmena čistého tepelného toku je smerom nahor (t. j. ochladzovanie oceánov; obr. 4F ). Je to preto, že QFLX okrem čistého tepelného toku závisí aj inverzne od MLD.( rovnica 3 ) a zmeny v MLD (20 %) sú relatívne väčšie ako zmeny v Otepľovanie spôsobené QFLX je však takmer kompenzované ochladením v dôsledku zvýšeného VMIX (-1,05 °C). Preto sa tieto dva príspevky pri spriemerovaní v čase a kontrolnom objeme takmer navzájom rušia.
V oblasti NJ dochádza k maximálnemu otepľovaniu MLT mierne smerom k brehu veterných elektrární (obr. S11A), kde sú zmeny MLD minimálne ( obr. 3B ). Zvýšenie tepelného toku smerom nahor na povrch ( obr. 4F ) teda vedie k čistému ochladeniu vyvolanému QFLX o -0,56 °C. Znížené napätie vetra zároveň oslabuje VMIX, čím sa znižuje ochladzovanie vyvolané VMIX o 1,55 °C. Tieto dva efekty dohromady vedú k čistému ochladeniu MLT o 0,99 °C. V oblastiach prenájmu NJ sa MLD zmenšuje o ~20 %, čo oslabuje ochladzovanie ENT a prispieva k ďalším 0,1 °C k otepleniu MLT. VAVD cez základňu zmiešanej vrstvy pridáva otepľovanie (4,69 °C), čo naznačuje znížený upwelling, zatiaľ čo HADV indukuje ochladzovanie (-5,55 °C). Kombinovaný účinok celkovej advekcie (HADV + VADV) je čisté ochladenie o -0,86 °C. Pri len malých zmenach v horizontálnom miešaní (HMIX) (−0,01 °C) vedie nerovnováha k čistému otepľovaniu MLT o 0,21 °C.
Obrázok S12 znázorňuje potenciálne zmeny v podmienkach upwellingu pozdĺž pobrežia New Jersey. Ukazuje, že veterné napätie pozdĺž pobrežia, ktoré je priaznivé pre upwelling, je smerom k pobrežiu od veterných elektrární oslabené (obr. S12A) v porovnaní s nerušeným prípadom. Priečny rez ukazuje, že pri absencii veterných elektrární vystupuje izoterma 21,6 °C 20 až 30 km od pobrežia, zatiaľ čo pri veterných elektrárňach zostáva v podpovrchovom priestore, čo naznačuje otepľovanie blízko povrchu (obr. S12B). Tento vzorec je v súlade so znížením cezpobrežného Ekmanovho prenosu, ktorý je najvýraznejším smerom k pobrežiu v prenajatých oblastiach New Jersey (obr. S12C).
Predchádzajúca štúdia ( 13 ) pripisovala otepľovanie oceánov nad sezónne stratifikovaným šelfom Severného mora zníženému miešaniu v dôsledku šmyku vĺn spôsobenému veternými farmami. Naše zistenia sú v súlade s týmto mechanizmom v regióne New Jersey, kde je VMIX dominantným faktorom otepľovania MLT. Na druhej strane, v regióne MA/RI je primárnym faktorom znížené ochladzovanie ENT spojené s plytšou zmiešanou vrstvou. Predchádzajúce štúdie upwellingu na pobreží ( 16 , 17 ) tiež preukázali potenciálne zmeny v upwellingovej cirkulácii a cirkulácii naprieč šelfom v dôsledku zmeneného namáhania vetra. Naše výsledky tieto zistenia podporujú a ukazujú, že VADV aj HADV zohrávajú kľúčovú úlohu v otepľovaní MLT.
Spätná väzba medzi oceánom a atmosférou
Keďže sa reakcie SST objavujú po znížení veterného napätia a zmenách v procesoch zmiešanej vrstvy oceánu, môžu tiež neustále ovplyvňovať MABL prenosom anomálneho tepla z oceánu do atmosféry. Aby sme kvantifikovali túto obojsmernú interakciu vyplývajúcu z väzby oceánu vyvolanej brázdou, porovnávame simuláciu OC_WF (väzba oceánu s veternou farmou) s komplementárnou simuláciou iba atmosféry, NOC_WF (žiadna väzba oceánu s veternou farmou), v ktorej sú významné anomálie teplého SST v prenajatých oblastiach selektívne odstránené z dolnej hranice pôsobenia SST v dokumente WRF (Materiály a metódy). Toto experimentálne nastavenie umožňuje priame priradenie atmosférických rozdielov medzi týmito dvoma simuláciami k reakcii SST vyvolanej veternými brázdami.
V reakcii na teplé SST sa PBLH v OC_WF zvyšuje o ~20 m v porovnaní s NOC_WF ( obr. 9C ). Toto zvýšenie zodpovedá približne 10 % klimatologického PBLH (200 m; obr. S1C) a približne 20 % celkového nárastu PBLH sa pripisuje efektom brázdy (100 m; obr. 2C ). Súvisiace zvýšenie TKE počas teplých SST sa tiež dosahuje v celej rotorovej vrstve, s maximálnym zvýšením medzi výškou náboja a blízko špičky horného listu (obr. S9E).
Obr. 9. Kvantifikácia vplyvov väzby oceánov vyvolanej brázdou na atmosféru.
Podobne sa rýchlosť vetra na výške 10 m aj napätie vetra na povrchu ( obr. 9, B a D ) zvyšujú nad teplými oblasťami SST – o ~10 a 20 % – v porovnaní so zníženiami vyvolanými brázdou, ktoré sú viditeľné na obr. 2 (B a D) . Tieto zlepšenia potvrdzujú mechanizmus interakcie vzduch-more v mezoškále ( 35 , 52 ), v ktorom teplejšie SST zvyšujú prenos hybnosti smerom nadol, čím zrýchľujú rýchlosť vetra v blízkosti povrchu a zároveň znižujú vietor vo výškach ( 37 , 38 ). Avšak vo výške náboja a naprieč vrstvou ohýbanou rotorom sú zmeny rýchlosti vetra malé – približne 0,01 ms −1 alebo menej ako 1 % deficitu rýchlosti vetra vo výške náboja vyvolaného brázdou ( obr. 3E a 9A a obr. S8E). Zmeny rýchlosti vetra vyvolané SST sú teda obmedzené hlavne na povrchovú vrstvu atmosféry s minimálnym vplyvom na výšky relevantné pre turbíny.
Vzostupný turbulentný tepelný tok pripisovaný väzbe oceánov sa pohybuje od 5 do 10 W m −2 ( obr. 9F ), čo je porovnateľné s celkovou zmenou tepelného toku pozorovanou v plne prepojenom prípade ( obr. 2F ). To naznačuje, že väčšina vzostupného tepelného toku v prepojenej simulácii môže pochádzať z otepľovania SST. Podobne sa teplota vzduchu v blízkosti povrchu zvyšuje o 0,2 °C, čo je v súlade s plne prepojeným prípadom ( obr. 2E ), čo ďalej podporuje povahu otepľovania atmosféry v blízkosti povrchu vyvolanú SST. Je pozoruhodné, že otepľovanie nad hrotom spodnej lopatky (30,5 m) pozorované v prepojenom behu chýba v neprepojenej simulácii ( obr. 3, C a D a obr. S8, C a D), čo naznačuje, že nie je vyvolané otepľovaním SST. Podobné otepľovanie v blízkosti hrotu spodnej lopatky bolo zaznamenané aj v predchádzajúcich štúdiách iba zameraných na atmosféru ( 6 – 8 ).
Najvýraznejšie rozdiely v rýchlosti vetra a teplote vzduchu v dôsledku prepojenia oceánov sa teda nachádzajú v povrchovej vrstve atmosféry, siahajúcej až do výšky ~50 m ( obr. 3, D a F a obr. S8, D a F). Tieto zmeny zosilnené povrchom naznačujú, že vplyv spätnej väzby SST je relatívne malý. Nad touto vrstvou, najmä v oblasti rotora, sa zdá, že atmosférické zmeny sú silnejšie ovplyvnené zmenami šmyku a turbulencie vyvolanými brázdou. Okrem toho, zníženie PBLH, rýchlosti vetra, namáhania vetrom a teploty povrchového vzduchu v smere toku, ktoré je vidieť zo prepojených simulácií ( obr. 2 ), do značnej miery chýba, čo naznačuje, že účinky prepojenia oceánov sú v priemere priestorovo obmedzené na oblasti veterných elektrární bez silného vplyvu v smere toku.
Mierny pokles rýchlosti vetra vo výškach relevantných pre turbíny naznačuje malý vplyv prepojenia oceánov na dlhodobú výrobu veternej energie počas sledovaného obdobia (JJA, 2017 – 2021). Celková akumulovaná výroba energie v prepojenej simulácii je len o 0,13 % nižšia ako v neprepojenej simulácii pre región MA/RI a o 0,24 % nižšia v regióne NJ (tabuľka S3). Hoci tieto rozdiely nie sú úplne zanedbateľné, naznačujú, že za analyzovaných podmienok má prepojenie oceánov a atmosféry obmedzený vplyv na dlhodobú výrobu energie a je nepravdepodobné, že by podstatne ovplyvnilo hodnotenie zdrojov veternej energie.
Slabé účinky SST na vietor vo výškach relevantných pre turbíny v tejto štúdii by sa nemali interpretovať ako dôkaz, že polia SST nie sú dôležité pri modelovaní veternej energie. Predchádzajúci výskum ukázal, že rýchlosti vetra vo výške náboja, hodnotenia veterných zdrojov a výkony môžu byť citlivé na rozloženie SST pozadia ( 53 , 54 , 55 ), pravdepodobne prostredníctvom mechanizmov odlišných od tých, ktoré sa tu skúmali. Kľúčovým rozdielom v tejto štúdii je špecifická definícia „prepojenia oceánov“, ktorá sa vzťahuje výlučne na spätnoväzbový efekt lokálnych anomálií SST generovaných znížením veterného stresu vyvolaným brázdou. Zatiaľ čo táto cielená definícia umožňuje cielené hodnotenie lokálnej spätnej väzby medzi vzduchom a morom vyvolanej brázdou, interakcie oceánu a atmosféry v širšom meradle alebo dlhodobejšie môžu tiež ovplyvniť produkciu energie a vyžadujú si ďalšie skúmanie.
DISKUSIA
Táto štúdia skúma potenciálne reakcie na otepľovanie morskej hladiny vyvolané kumulatívnym znížením veterného stresu v dôsledku úplavov veterných elektrární v sezónne stratifikovanej oblasti šelfu Stredoatlantického zálivu ( obr. 3A ). Obrázok 10 schematicky znázorňuje kľúčové procesy prispievajúce k reakcii hornej vrstvy oceánu a výslednej atmosférickej spätnej väzbe, pričom porovnáva interakcie medzi oceánom a atmosférou v blízkosti povrchu za nerušených podmienok ( obr. 10A ) s interakciami potenciálne sprostredkovanými prevádzkou veterných elektrární ( obr. 10B ). Úplavy veterných elektrární v priemere znižujú rýchlosť a stres vetra v blízkosti povrchu ( obr. 2 ), čím znižujú tepelnú energiu vetra v hornej časti oceánu ( obr. 4 ). Tieto zmeny vedú k plytšej zmiešanej vrstve ( obr. 3B ), zvýšenej stratifikácii ( obr. 3E ) a zmenenému upwellingu (obr. S12). Otepľovanie SST prevyšuje zvýšenie teploty vzduchu v blízkosti povrchu ( obr. 4E ), čo vedie k anomálne vzostupnému tepelnému toku a tendencii k nestabilnejším atmosférickým podmienkam. V našich simuláciách prepojenie s oceánom zvyšuje frekvenciu nestabilných podmienok o ~5 % v oblastiach veterných elektrární, čo prispieva k 20 % nárastu PBLH v porovnaní s prípadom bez prepojenia s oceánom ( obr. 5 a 9 ).
Obr. 10. Schematické zhrnutie potenciálnych procesov interakcie medzi hornými oceánmi a spodnými vrstvami atmosféry v blízkosti pobrežných veterných elektrární.
( A ) Bez veterných elektrární silnejší vietor vo výškach a slabší vietor blízko povrchu generuje vertikálny strih vetra a atmosférickú turbulentnú kinetickú energiu (TKE). V oceáne tepelný tok smerom nadol ohrieva oceán a vertikálne miešanie prerozdeľuje teplo miešaním teplých povrchových vôd s chladnejšími podpovrchovými vodami strhávanými spod zmiešanej vrstvy. ( B ) S veternými elektrárňami na mieste turbulencia vyvolaná brázdou zvyšuje atmosférickú TKE a zvyšuje výšku planetárnej hraničnej vrstvy (PBLH), zatiaľ čo rýchlosti vetra vo výške centra aj blízko povrchu sa znižujú. Oslabené napätie vetra potláča aktivitu povrchových vĺn a miešanie vyvolané vlnami, čo vedie k plytšej zmiešanej vrstve a zníženému ochladzovaniu strhávaním. To vedie k otepľovaniu teploty zmiešanej vrstvy aj teploty povrchu mora. Keďže otepľovanie povrchu mora prevyšuje otepľovanie teploty vzduchu blízko povrchu, tepelný tok na povrchu sa stáva slabým a anomálnym smerom nahor do atmosféry. Výsledná nestabilná stratifikácia ďalej zvyšuje atmosférickú TKE a PBLH. Tieto destabilizované podmienky atmosférickej hraničnej vrstvy podporujú prenos hybnosti smerom nadol, zrýchľujú vetry blízko povrchu a čiastočne kompenzujú zníženie rýchlosti vetra vyvolané brázdou.
Otepľovanie SST sa objavuje v priebehu niekoľkých dní od začiatku simulácie ( obr. 6C ), čo je v súlade s predchádzajúcimi zisteniami ( 13 ). Po stanovení vykazujú anomálie SST značnú časovú variabilitu. Táto variabilita sa líši medzi oblasťou MA/RI ( obr. 6, D až H ) a pobrežím NJ ( obr. 6, I až M ), čo naznačuje, že reakcie na otepľovanie SST riadia odlišné fyzikálne mechanizmy. Analýza online výpočtov rozpočtu oceánskeho MLT ukazuje, že v oblasti MA/RI je otepľovanie MLT primárne spôsobené zníženým strhávacím ochladzovaním spojeným s plytšou MLD ( obr. 8 ). V NJ sa ako dominantné faktory otepľovania MLT identifikuje znížené vertikálne miešanie a oslabený upwelling, spojené so slabším veterným stresom pozdĺž pobrežia (obr. S11 a S12). Otepľovanie SST o 0,3° až 0,4°C je malé v porovnaní s veľkým ročným cyklom regiónov (7° až 25°C), ale predstavuje ~50 až 60 % medziročnej variability ( obr. 6, A a B ). Navyše, časovo spriemerované odozvy SST sú konzistentné v rôznych režimoch atmosférickej stability a hodnotách empirického parametra turbulencie v parametrizácii veternej farmy ( obr. 7 ).
Porovnanie plne prepojených simulácií a simulácií zameraných iba na atmosféru – bez spätných väzieb oceánov – ukazuje, že otepľovanie SST zvyšuje vzostupné tepelné toky a veterné napätie ( obr. 9 a 10B ), čo je v súlade s mechanizmom interakcie vzduch-more v mezoškále pozorovaným pri teplých anomáliách SST. Keďže povrchové toky zohrávajú dôležitú úlohu pri riadení fyzikálnych aj biogeochemických procesov v oceáne, tieto výsledky naznačujú, že zahrnutie prepojených interakcií oceán-atmosféra môže byť nevyhnutné na posúdenie hydrodynamických a ekologických reakcií na rozvoj veternej energie na mori.
V našich simuláciách sú najvýraznejšie účinky prepojenia s oceánom obmedzené na povrchovú vrstvu atmosféry, pod výškami relevantnými pre turbíny. Naproti tomu zmeny rýchlosti vetra vo vrstve rotora a vo výške náboja sú minimálne, so znížením menším ako 1 % ( obr. 3F a 9A ). Toto mierne zníženie vetra vo výške náboja vedie k zodpovedajúco malému zníženiu dlhodobej produkcie energie (0,13 až 0,24 %) (tabuľka S3). Okrem toho sa zdá, že vplyv prepojenia s oceánom je priestorovo obmedzený na oblasti veterných elektrární bez rozpoznateľného vplyvu po prúde. Tieto výsledky simulácií naznačujú, že za skúmaných podmienok môžu byť na odhad veterných zdrojov, výkonu a vplyvov brázdy veternej elektrárne postačujúce modely prepojené iba s atmosférou alebo s atmosférou a vlnami bez prepojenia s oceánom.
Otepľovanie SST pripomína otepľovanie teploty zemského povrchu (LST) vyvolané veternými farmami na pevnine v stabilne stratifikovaných podmienkach ( 1 , 43 , 56 – 60 ). Predchádzajúce štúdie uvádzajú silné nočné (stabilné podmienky) otepľovanie LST, zatiaľ čo denné (nestabilné podmienky) účinky zostávajú nepresvedčivé. Otepľovanie SST od otepľovania LST však odlišujú dva kľúčové rozdiely. Po prvé, zatiaľ čo veterné farmy na mori aj na pevnine generujú anomálne turbulentné miešanie v atmosfére, ktoré prenáša teplejší vzduch smerom nadol a zvyšuje teploty vzduchu v blízkosti povrchu, mechanizmy, ktoré spôsobujú zmeny teploty povrchu, sa líšia. Na pevnine je otepľovanie LST primárne spojené so zmenami v turbulentných tepelných tokoch na povrchu, ktoré sú výsledkom zmien v turbulentnom miešaní ( 61 ). Na mori je otepľovanie SST viac riadené zmenami v stratifikácii zmiešanej vrstvy oceánu, turbulentným miešaním a vzostupnou cirkuláciou spôsobenou zmenami v napätí vetra ( 13 , 16 ). Výsledné zvýšenie SST zase spôsobuje anomálne tepelné toky z oceánu do atmosféry. Bez oceánu ako anomálneho zdroja tepla by zvýšené zmeny tepelného toku smerom nahor podporovali ochladzovanie SST. Po druhé, zatiaľ čo zmeny LST môžu byť citlivé na parametre stability atmosféry a turbulencie, otepľovanie SST v našich simuláciách vykazuje len slabú závislosť od týchto parametrov ( obr. 7 ). Tieto rozdiely naznačujú, že procesy v hornej časti oceánu môžu zohrávať dôležitú úlohu pri formovaní reakcií SST na veterné farmy na mori.
Vplyvy vlnenia na oceán, ktoré sú tu uvedené, sú pravdepodobne modulované faktormi, ktoré táto štúdia nezaoberala, ako napríklad usporiadanie veternej farmy, inštalovaný výkon, rozsah výstavby a špecifikácie turbín ( 6 , 49 ). Naše výsledky preto motivujú budúce experimenty s citlivosťou na posúdenie toho, ako rôzne konštrukčné a prevádzkové rozhodnutia môžu ovplyvniť atmosférické a oceánske reakcie, ako aj energetický výkon. Takéto úsilie môže podporiť optimalizované usporiadanie veterných elektrární, ktoré znižujú energetické straty a minimalizujú akumulované náklady na energiu ( 5 , 62 ) a zároveň zmierňujú vplyvy na oceán a ekosystémy ( 8 ).
Navyše, hoci táto štúdia hodnotila citlivosť odoziev SST za rôznych podmienok stability a parametrov turbulencie, je potrebná dodatočná kvantifikácia neistoty. Vzhľadom na dôležitú úlohu procesov turbulentnej hraničnej vrstvy pri formovaní modelovanej dynamiky SST a zmiešanej vrstvy by sa v budúcnosti mali preskúmať alternatívne prístupy k uzatváraniu turbulencie, ako je trojrozmerná schéma PBL v atmosfére ( 63 ) a rôzne schémy vertikálneho miešania pre povrchovú vrstvu oceánu. Tieto parametrizácie predstavujú rôzne fyziky turbulencie, ktoré riadia vertikálne miešanie a strhávanie ( 64 , 65 ) a môžu ovplyvniť vývoj simulovaných odoziev SST a MLD. Pre lepšie pochopenie nelineárneho správania týchto procesov možno v budúcich štúdiách použiť diagnostické nástroje založené na súbore – ako sú metodiky súborových vektorov ( 65 ) – na izoláciu citlivosti modelu a kvantifikáciu mechanizmov spätnej väzby vznikajúcich z porúch v prepojených systémoch.
Záverom možno povedať, že táto štúdia prispieva k nášmu pochopeniu toho, ako môžu veterné brázdy vyvolané turbínami ovplyvňovať prepojené procesy medzi oceánom a atmosférou. Naše simulácie naznačujú, že obojsmerné interakcie medzi vzduchom a morom môžu zohrávať úlohu pri formovaní podmienok blízko povrchu oceánu a atmosféry v blízkosti veterných fariem na mori. Skúmaním zapojených fyzikálnych mechanizmov táto práca pomáha objasniť okolnosti, za ktorých môže byť prepojenie oceánu a atmosféry nevyhnutné pre meteorologické, oceánografické a veterné energetické modelovanie. Keďže záujem o širšie oceánografické, ekologické a atmosférické dôsledky rozvoja veternej energie na mori neustále rastie, tieto zistenia podporujú potenciálnu hodnotu začlenenia modelov prepojených interakcií medzi vzduchom a morom do budúcich environmentálnych hodnotení.
MATERIÁLY A METÓDY
Model spriahnutý s oceánom, atmosférou a vlnami
Táto štúdia využíva modelovací systém Scripps Coupled Ocean-Atmosphere Regional (SCOAR), ktorý integruje model Weather Research and Forecasting (WRF) ( 66 ) pre atmosféru, Regional Ocean Modeling System (ROMS) ( 67 ) pre oceán a spektrálny vlnový model tretej generácie WaveWatch III (WW3) ( 68 ) pre povrchové vlny. Podrobné postupy prepojenia modelov sú diskutované v ( 69 , 70 ). Stručne povedané, hybnosť vzduchu a mora, turbulentné teplo a toky sladkej vody sa vypočítavajú pomocou parametrizácie objemového toku založenej na vlnách Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment (COARE) ( 71 , 72 ), ktorá je implementovaná v schéme povrchovej vrstvy WRF ( 73 ). Táto parametrizácia zahŕňa úpravy na zohľadnenie vplyvu stavu mora na toky hybnosti vzduchu a mora ( 72 ). Spolu so štandardnými meteorologickými výstupmi z WRF a SST a povrchovými prúdmi z ROMS, formulácie založené na vlnách COARE zahŕňajú fázovú rýchlosť dominantnej vlny a významnú výšku vlny z WW3 na parametrizáciu dĺžky drsnosti podporovanej vlnami ( 70 , 74 ). Úplný zoznam fyzikálnych parametrizácií použitých v tejto štúdii je uvedený v tabuľke S2.
Experimentálne nastavenie
WRF využíva jednosmerný vnorený prístup s horizontálnym rozstupom mriežky 1,5 km vo vnútornej (vnorenej) doméne ( obr. 1A ) na zachytenie jemnorozmerných prepojených interakcií medzi oceánom a atmosférou. Táto doména je riadená rozsiahlou atmosférickou cirkuláciou z vonkajšej domény s rozstupom mriežky 7,5 km, ktorá dynamicky zmenšuje reanalýzu Európskeho centra pre strednodobé predpovede počasia V5 (ERA5) (75 ) . Spektrálne posunutie sa aplikuje vo vonkajšej doméne nad planetárnou hraničnou vrstvou, pričom sa obmedzujú zonálne a meridiónálne vlnové dĺžky dlhšie ako 850 a 730 km, aby sa zachovala konzistencia s voľnou troposférickou cirkuláciou ERA5. Vo vnorenej doméne, ktorá sa rozprestiera v oblasti Stredoatlantického zálivu, sa neaplikuje žiadne spektrálne posunutie.
Modely WRF, ROMS a WW3 sú každú hodinu prepojené vo vnorenej doméne pomocou identických mriežok a masiek pevniny a mora. Vertikálna mriežka WRF pozostáva z 50 úrovní, z ktorých 20 je pod 250 m. Najnižšia úroveň modelu je umiestnená na 5,5 m a druhá na 12 m, čo umožňuje lepšie znázornenie procesov blízko povrchu, najmä za stabilných podmienok ( 43 ). Rozmery siete sú 228 x 195 x 50 (nx, ny a nz) vo vonkajšej doméne iba WRF (d01) a 495 x 330 x 50 vo vnorenej, plne prepojenej doméne.
ROMS používa 30-úrovňovú roztiahnutú vertikálnu mriežku s vyšším rozlíšením v blízkosti hladiny a dna oceánu. Rozmery mriežky sú 495 x 330 x 30 (nx, ny a nz). WW3 používa rovnaké horizontálne rozmery mriežky 495 x 330 (nx a ny) a je konfigurovaná s 32 frekvenčnými priečinkami a 24 smerovými priečinkami. ROMS aj WW3 používajú rovnaké batymetrické údaje z Všeobecnej batymetrickej mapy oceánov s roztečou mriežky 1′ ( 76 ). V ROMS je minimálna hĺbka oceánu nastavená na 10 m, trenie pri dne je reprezentované kvadratickým odporom a parametre vertikálnej mriežky sú definované akoθ= 7,θ= 2 a= 300 m.
WRF je inicializovaný a vynútený na laterálnych hraniciach hodinovou reanalýzou ERA5 s presnosťou 0,25° ( 75 ). ROMS je inicializovaný a vynútený pomocou dennej globálnej reanalýzy MERCATOR International s presnosťou 1/12° ( 77 ). WW3 je vynútený globálnymi simuláciami WW3 s presnosťou 0,5° so 14 vlnovými spektrálnymi bodmi ( 78 ) a je inicializovaný od konca 30-dňovej simulácie spin-up pre každý rok, riadenej vetrami ERA5.
Prílivové a odlivové pôsobenie ROMS sa generuje pomocou softvéru Tidal Prediction Software od Oregon State University ( 79 ), ktorý poskytuje okrajové podmienky pre 13 hlavných zložiek prílivu a odlivu. Patria sem periódy prílivu a odlivu, amplitúdy elevácie morskej hladiny, fázy prúdov, uhly sklonu a menšie poloosi elipsy, ako je implementované v ( 80 ).
Parametrizácia veternej farmy
Účinky brázdy veterných turbín sú modelované pomocou Fitchovej parametrizácie ( 1 ), ako je implementované vo WRF v4.2.2, vrátane korekcie, ktorú poznamenali Archer a kol. ( 33 ). Schéma predstavuje veterné turbíny ako akumulátory hybnosti a zdroje TKE na modelových úrovniach, ktoré pretínajú oblasti otáčajúce sa rotorom. Advekcia TKE je povolená. TKE generované turbínami sa nevypočítava interne vo Fitchovej schéme, ale je namiesto toho špecifikované pomocou empirického parametra α ( 33 ). Predvolená hodnota α = 0,25 znamená, že 25 % TKE generovaného turbínou sa zavádza do atmosférického modelu. Predchádzajúce štúdie skúmali rozsah hodnôt α, aby sa zohľadnili rôzne predpoklady o turbulencii indukovanej turbínami ( 10 , 20 , 22 , 33 , 34 ). Vzhľadom na citlivosť simulácií vetra v blízkosti povrchu na α táto štúdia skúma dve konfigurácie: α = 0,25 a α = 1,0 (tabuľka S1).
Rozmery turbín, koeficienty výkonu a ťahu a konfigurácie usporiadania použité v tejto štúdii zodpovedajú tým, ktoré opísali Rosencrans a kol. ( 20 ). V oblastiach prenájmu v Stredoatlantickom zálive je umiestnených celkovo 1418 veterných turbín ( obr. 1A ). Každá turbína má menovitý výkon 12 MW, výšku náboja 138 m a priemer rotora 215 m. Táto konfigurácia umiestňuje spodný a horný hrot lopatiek vo výške 30,5 a 245,5 m. V modeli WRF pretína oblasť rotora 15 vertikálnych úrovní modelu a ďalšie štyri úrovne sú pod najnižším hrotom lopatiek. Jemné vertikálne rozlíšenie je rozhodujúce pre presné zachytenie efektov brázdy turbíny v hraničnej vrstve atmosféry ( 43 ).
Experimenty
Na vyhodnotenie vplyvov pobrežných veterných elektrární a prepojenia oceán-atmosféra sa vykonáva séria experimentov (tabuľka S1). Simulácia označená OC_WF zahŕňa prepojenie oceánov (OC) aj veterné farmy (WF); OC_NWF zahŕňa prepojenie oceánov, ale žiadne veterné farmy, slúži ako nerušený referenčný prípad; a NOC_WF vylučuje prepojenie oceánov, ale zahŕňa veterné farmy. OC_WF aj OC_NWF sú plne prepojené simulácie, zatiaľ čo NOC_WF je simulácia iba WRF vynútená zmiešaným poľom SST.
V nastavení NOC_WF je pole SST identické s poľom z OC_WF, s výnimkou oblastí so štatisticky významnými pozitívnymi odozvami SST ( obr. 3A ). V týchto oblastiach sa v každom kroku prepojenia aplikujú SST z OC_NWF na potlačenie otepľovania oceánu vyvolaného brázdou. Priestorová maska pre miešanie je založená na časovo invariantnom rozsahu významných anomálií SST. Na zabezpečenie plynulého prechodu medzi zmiešanými poľami SST sa v hraničných zónach aplikuje lineárne zúženie. Tento experimentálny návrh izoluje vplyv anomálií SST vyvolaných veternými farmami, čím sa zabezpečí, že jediný rozdiel medzi OC_WF a NOC_WF je prítomnosť alebo neprítomnosť prepojenej odozvy oceánu na brázdy.
Všetky simulácie zahŕňajú letné mesiace [jún až august (JJA)] počas 5 po sebe nasledujúcich rokov (2017 – 2021). Vplyvy veterných brázd sú vo všeobecnosti výraznejšie počas leta kvôli častej stabilnej stratifikácii atmosféry v tejto oblasti ( 5 , 20 , 29 , 30 , 81 ). Napriek tomu sa nestabilné podmienky vyskytovali počas ~20 až 37 % študijného obdobia v pozorovaniach a simuláciách (obr. S13), čo si vyžiadalo analýzu vplyvov veterných elektrární závislú od stability. Simulácie boli spriemerované za päť liet, aby sa charakterizovali časové priemerné účinky brázd. Hoci dlhšie simulácie by mohli zlepšiť štatistickú robustnosť, simulované charakteristiky brázd sa dobre zhodujú s charakteristikami z predchádzajúcich ročných štúdií ( 10 , 20 ).
Nerušený prípad, OC_NWF, reprodukuje kľúčové štatistiky veterného poľa blízko povrchu vrátane smeru a magnitúdy vetra ( obr. 1B ), ako aj pozorovanú variabilitu závislú od stability (obr. S13). Zachytáva tiež štatistiky letných povrchových vĺn vrátane výšky významnej vlny a smeru dominantnej vlny, čo je v súlade s pozorovaniami z bójí (obr. S14). Tieto porovnania ukazujú, že naša nerušená simulácia predstavuje letné procesy v oceánskej atmosfére blízko povrchu, ktoré sú pre túto štúdiu kľúčové.
Štatistická významnosť a upravené stupne voľnosti
Na vyhodnotenie štatistickej významnosti časovo spriemerovaných rozdielov medzi simuláciami bol použitý obojstranný Studentov t- test. Efektívna veľkosť vzorky, n′ , zohľadňujúca časovú autokoreláciu v rámci každého časového radu, sa vypočíta podľa Brethertona a kol. ( 82 ).
ττρτ
(1)
Tu n je denná veľkosť vzorky ( n = 276) aρτje autokorelácia časového radu pri oneskorení τ. Keďže časový rad je segmentovaný podľa rokov, n′ sa vypočíta samostatne pre každé leto a potom sa sčíta, aby sa získalo konečné n′ pre celé obdobie. Štatistická významnosť sa priradí iba vtedy, keď konečná hodnota P indikuje významnosť na 99 % hladine spoľahlivosti ( P < 0,01). Toto kritérium významnosti tiež určuje priestorový rozsah anomálií teplého SST na zostavenie vplyvu SST pre beh NOC_WF.
Klasifikácia atmosférickej stability
Tu,je rýchlosť trenia,θje virtuálna potenciálna teplota,κje von Kármánova konštanta (0,4), g je gravitačné zrýchlenie aθje vertikálny turbulentný tepelný tok. L sa odhaduje ako prevrátená hodnota hodinovej výstupnej premennej WRF (RMOL), ktorá sa môže líšiť od L vypočítanej z tokov približne v 6 % času ( 84 ). Atmosféra sa klasifikuje ako stabilne stratifikovaná, keď 0 m < L < 500 m, nestabilne stratifikovaná, keď −500 m < L < 0 m a neutrálne stratifikovaná, keď500 m po ( 20 ). Pri spriemerovaní na prenajaté oblasti MA/RI sa stabilné podmienky vyskytujú v ~59,3 % hodinových údajov, nestabilné podmienky v 35,6 % a neutrálne podmienky v 5,1 % v nerušenom prípade (OC_NWF). Kompozitné priemery závislé od stability prezentované v tejto štúdii sú založené na L na prenajaté oblasti MA/RI. Zistili sme však, že podobné výsledky sa dosahujú aj pri použití L vypočítaného na prenajaté oblasti NJ.
Tepelný rozpočet zmiešanej vrstvy oceánu
Vertikálne spriemerovaná rozpočtová rovnica MLT je odvodená zo zákona zachovania hmoty a tepla, takže
κκρ
(3)
Tu T je MLT, h je MLD a uhlové zátvorky označujú vertikálne priemerovanie.η , kdeηje výška morskej hladiny. ROMS diskretizuje rovnice vývoja stopovača (napr. teploty) v konzervačnom tvare, čo znamená, že advekčné členy sú vyjadrené ako divergencia tokov stopovača. Tendencia MLT (TEND) v rovnici 3 je vyvážená členmi na pravej strane.
HADV a VADV opisujú divergenciu tepelného toku v dôsledku advekcie horizontálnym prúdom, u = ( u , v ), a vertikálneho transportu cez základňu zmiešanej vrstvy. w je vertikálna rýchlosť. Všimnite si, žena hladine mora. HMIX a VMIX zodpovedajú horizontálnemu a vertikálnemu turbulentnému miešaniu, pričomκaκoznačujúce koeficienty horizontálnej a vertikálnej difuzivity. HMIX, ktorý predstavuje horizontálne miešanie alebo difúziu, je vo všeobecnosti zanedbateľný v porovnaní s inými pojmami. ENT zachytáva strhávanie chladenia, kdeje teplotný rozdiel medzi zmiešanou vrstvou a vrstvou pod ňou. Tento výraz kvantifikuje chladiaci účinok začlenenia chladnejšej podpovrchovej vody, ktorý je výsledkom prehĺbenia MLD. Výraz QFLX predstavuje povrchový tepelný tok, kdeje čistý tepelný tok (kladný pri ohrievaní oceánu) aje časť krátkovlnného žiarenia, ktorá preniká pod zmiešanú vrstvu, a preto neprispieva k rozpočtu MLT.ρasú hustota morskej vody a špecifická tepelná kapacita.
Každý člen v rovnici 3 sme vypočítali pomocou denného priemerného výstupu ROMS. Pri povolenej online diagnostike teploty ROMS vypočítava teplotné tendencie z každého člena v rovnici stopovača na každej úrovni modelu a časovom kroku, čím zabezpečuje uzavretie tepelného rozpočtu zmiešanej vrstvy. Následne boli členy HADV, VADV, HMIX a VMIX vyhodnotené vertikálnym spriemerovaním ich príspevkov v hĺbke H , váženým hrúbkou vrstvy. Člen ENT bol vypočítaný pomocou metódy opísanej Kimom a kol. ( 85 ), ktorá zabezpečuje uzavretie rozpočtu v intervale priemerovania. Uzavretie sa dosiahne explicitným zohľadnením relatívne chladnejšej vody, ktorá sa odstraňuje počas zhlukovania (vyprázdňovania) zmiešanej vrstvy, čo vedie k zvýšeniu MLT. Na odhad člena QFLX sme vypočítali útlm krátkovlnného žiarenia pomocou typu pobrežnej vody Jerlov (typ II), aby sme určili Časovo spriemerované rozpočtové členy v rovnici 3 (v jednotkách °C za deň) pre nerušenú simuláciu sú znázornené na obr. S10. Na porovnanie príspevkov medzi simuláciami sa každý člen integruje v priebehu času, čím sa získajú ekvivalenty MLT (v jednotkách °C), ako je znázornené na obr. 8 a obr. S11. Tieto ekvivalenty MLT sa potom spriemerujú na zodpovedajúce kontrolné objemy, definované oblasťami teplých anomálií SST v blízkosti veterných fariem MA/RI a NJ, aby sa vyhodnotil objemovo spriemerovaný príspevok každého rozpočtového člena.
Poďakovania
Ďakujeme recenzentom a editorom za konštruktívne posudky, ktoré výrazne vylepšili tento článok. Ďakujeme aj A. Toperoffovi za pomoc so schematickým zhrnutím. HS ďakuje za podporu Uehirovmu centru pre pokrok v oceánografii (UCAO) na Havajskej univerzite v Mānoa. Túto prácu čiastočne vytvorilo Národné laboratórium pre obnoviteľnú energiu, ktoré prevádzkuje Ministerstvo energetiky USA (DOE) na základe zmluvy č. DE-AC36-08GO28308. Vláda USA si ponecháva a vydavateľ prijatím článku na publikovanie potvrdzuje, že si vláda USA ponecháva nevýhradnú, splatenú, neodvolateľnú a celosvetovú licenciu na publikovanie alebo reprodukciu publikovanej formy tejto práce alebo na umožnenie iným osobám tak urobiť pre účely vlády USA. Výskum sa uskutočnil s využitím výpočtových zdrojov sponzorovaných Úradom pre energetickú účinnosť a obnoviteľnú energiu Ministerstva energetiky a nachádzajúcich sa v Národnom laboratóriu pre obnoviteľnú energiu.
Financovanie:
Túto prácu podporilo Ministerstvo energetiky (DE-EE0009424 pre HS, CS, CR, JKL a AK). Financovanie spoločnosti JKL poskytol aj Úrad pre energetickú účinnosť a obnoviteľné zdroje energie a Úrad pre technológie veternej energie Ministerstva energetiky USA.
Príspevky autorov:
Konceptualizácia: HS, CS, CR, JKL a AK Metodika: HS, CS, CR, JKL a AK Prieskum: HS, CS, CR, JKL a AK Vizualizácia: HS, CS a CR Dohľad: HS, JKL a AK Písanie – pôvodný koncept: HS, CS, CR, JKL a AK Písanie – kontrola a úprava: HS, CS, CR, JKL a AK
Protirečiace záujmy:
Autori vyhlasujú, že nemajú žiadne konkurenčné záujmy.
Dostupnosť údajov a materiálov:
Všetky údaje potrebné na vyhodnotenie záverov v článku sú uvedené v článku a/alebo v doplnkových materiáloch. Údaje ERA5 sú sprístupnené službou Copernicus Climate Change Service ( https://cds.climate.copernicus.eu ), Mercator službou Copernicus Marine Environment Monitoring Service ( https://doi.org/10.48670/moi-00016 ) a globálne 3-hodinové spektrálne vlnové analýzy poskytuje Ifremer [ ftp://ftp.ifremer.fr/ifremer/ww3/HINDCAST/GLOBAL ], údaje o bójach Národného centra pre dátové bóje (NDBC) na adrese https://ndbc.noaa.gov a súbor údajov NOAA Optimum Interpolation SST na adrese https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.highres.html ]. Výstupy modelu a kódy na generovanie obrázkov sú k dispozícii na adrese https://zenodo.org/records/17402407 ]. Kód a návod na použitie SCOAR prepojky sú dostupné prostredníctvom repozitára GitHub ( https://github.com/SCOAR-model ). Upravené kódy COARE3.5 ( 70 , 74 ) sú dostupné na adrese https://github.com/cesarsauvage/COARE3.5_modified_Sauvage-et-al._2023/tree/main . Výstupy modelu a kódy Pythonu použité na generovanie obrázkov a vstupných súborov pre WRF a ROMS, vrátane tých, ktoré sa používajú na spustenie parametrizácie veternej farmy Fitch v WRF ( 20 ), sú uvedené na adrese https://zenodo.org/records/17402407 .
Doplnkové materiály
Tento súbor PDF obsahuje:
Obr. S1 až S14
Tabuľky S1 až S3
Referencie
- Stiahnuť
- 8,12 MB
REFERENCIE A POZNÁMKY
REFERENCIE A POZNÁMKY
1
AC Fitch, JB Olson, JK Lundquist, J. Dudhia, AK Gupta, J. Michalakes, I. Barstad, Lokálne a mezoškálové vplyvy veterných elektrární parametrizované v mezoškálovom modeli NWP. Mon. Weather Rev. 140 , 3017–3038 (2012).
2
PJH Volker, J. Badger, AN Hahmann, S. Ott, Explicitná parametrizácia brázdy V1.0: Parametrizácia veternej farmy v mezoškálovom modeli WRF. Geosci. Model Dev. 8 , 3715–3731 (2015).
3
N. Akhtar, B. Geyer, B. Rockel, PS Sommer, C. Schrum, Urýchlenie zavádzania veternej energie na mori mení veternú klímu a znižuje budúci potenciál výroby energie. Sci. Rep. 11 , 11826 (2021).
4
J. Fischereit, R. Brown, XG Larsén, J. Badger, G. Hawkes, Prehľad parametrizácií veterných elektrární v mezoškálovom meradle a ich aplikácií. Bound. Layer Meteorol. 182 , 175–224 (2022).
5
SC Pryor, RJ Barthelmie, TJ Shepherd, Výroba veternej energie z veľmi veľkých pobrežných veterných fariem. Joule 5 , 2663–2686 (2021).
6
M. Golbazi, CL Archer, S. Alessandrini, Vplyvy veľkých pobrežných veterných elektrární na povrch. Environ. Res. Lett. 17 , 064021 (2022).
7
N. Akhtar, B. Geyer, C. Schrum, Vplyvy zrýchleného zavádzania veterných elektrární na mori na klímu blízko povrchu. Sci. Rep. 12 , 18307 (2022).
8
N. Akhtar, B. Geyer, C. Schrum, Väčšie veterné turbíny ako riešenie na zníženie vplyvov na životné prostredie. Sci. Rep. 14 , 6608 (2024).
9
XG Larsén, J. Fischereit, Prípadová štúdia vplyvov veternej farmy s použitím dvoch parametrizácií úplavov v modeli Weather Research and Forecasting (WRF) (V3.7.1) v prítomnosti nízkoúrovňových prúdov. Geosci. Model Dev. 14 , 3141–3158 (2021).
10
D. Quint, JK Lundquist, N. Bodini, D. Rosencrans, Simulované meteorologické vplyvy pobrežných veterných turbín a citlivosť na množstvo pridanej kinetickej energie turbulencie. Wind Energy Sci. 10 , 1269–1301 (2025).
11
I. Galparsoro, I. Menchaca, JM Garmendia, A. Borja, AD Maldonado, G. Iglesias, J. Bald, Prehľad ekologických vplyvov pobrežných veterných fariem. NPJ Ocean Sustain. 1 , 1 (2022).
12
Národné akadémie vied, inžinierstva a medicíny, Potenciálne hydrodynamické vplyvy energie veterných turbín na mori na regionálnu ekológiu Nantucket Shoals: Hodnotenie od vetra po veľryby (National Academies Press, 2024).
13
N. Christiansen, U. Daewel, B. Djath, C. Schrum, Vznik rozsiahlych hydrodynamických štruktúr v dôsledku atmosférických úplavov pobrežných veterných elektrárňach. Front. Mar. Sci. 9 , 818501 (2022).
14
U. Daewel, N. Akhtar, N. Christiansen, C. Schrum, Predpokladá sa, že veterné farmy na mori ovplyvnia primárnu produkciu a deoxygenáciu spodnej vody v Severnom mori. Commun. Earth Environ. 3 , 292 (2022).
15
K. Raghukumar, C. Chartrand, G. Chang, L. Cheung, J. Roberts, Vplyv plávajúcich veterných turbín na mori na cirkuláciu atmosféry v Kalifornii. Front. Energy Res. 10 , 863995 (2022).
16
K. Raghukumar, T. Nelson, M. Jacox, C. Chartrand, J. Fiechter, G. Chang, L. Cheung, J. Roberts, Projektované zmeny upwellingu naprieč pobrežím vyvolané výstavbou veterných elektrární na mori pozdĺž kalifornského pobrežia. Commun. Earth Environ. 4 , 116 (2023).
17
T. Miles, S. Murphy, J. Kohut, S. Borsetti, D. Munroe, Veterná energia na mori a stredoatlantický studený bazén: Prehľad potenciálnych interakcií. Mar. Technol. Soc. J 55 , 72–87 (2021).
18 rokov
SJ Lentz, Sezónne otepľovanie studenej zóny stredného Atlantického zálivu. J. Geophys. Res. Oceans 122 , 941–954 (2017).
19
G. Xia, MC Cervarich, SB Roy, L. Zhou, JR Minder, PA Jimenez, JM Freedman, Simulácia vplyvov reálnych veterných elektrární na teplotu zemského povrchu pomocou modelu WRF: Validácia s pozorovaniami. Mon. Weather Rev. 145 , 4813–4836 (2017).
20
D. Rosencrans, JK Lundquist, M. Optis, A. Rybchuk, N. Bodini, M. Rossol, Sezónna variabilita vplyvov brázdových brázd na výrobu energie z veterných elektrární na mori v strednom Atlantiku v USA. Wind Energy Sci. 9 , 555–583 (2024).
21
J. Fischereit, XG Larsén, AN Hahmann, Klimatické vplyvy interakcií vetra, vĺn a brázd v pobrežných veterných farmách. Front. Energy Res. 10 , 881459 (2022).
22
XG Larsén, J. Fischereit, S. Hamzeloo, K. Bärfuss, A. Lampert, Skúmanie vplyvov veterných elektrární na povrchové vlny pomocou prepojených numerických simulácií. Renew. Energy 237 , 121671 (2024).
23
N. Christiansen, JR Carpenter, U. Daewel, N. Suzuki, C. Schrum, Rozsiahly vplyv antropogénneho miešania základmi pobrežných veterných turbín v plytkom Severnom mori. Front. Mar. Sci. 10 , 1178330 (2023).
24
W. Shaw, L. Berg, M. Debnath, G. Deskos, C. Draxl, V. Ghate, C. Hasager, R. Kotamarthi, J. Mirocha, P. Muradyan, W. Pringle, D. Turner, J. Wilczak, Vedecké výzvy pri charakterizácii veterných zdrojov v hraničnej vrstve morskej atmosféry. Wind Energy Sci. 7 , 2307–2334 (2022).
25
P. Veers, K. Dykes, S. Basu, A. Bianchini, A. Clifton, P. Green, H. Holttinen, L. Kitzing, B. Kosovic, JK Lundquist, J. Meyers, M. O'Malley, WJ Shaw, B. Straw, Veľké výzvy: Potreby výskumu veternej energie pre globálnu energetickú transformáciu. Wind Energy Sci. 7 , 2491–2496 (2022).
26
RM Dorrell, CJ Lloyd, BJ Lincoln, TP Rippeth, JR Taylor, C.-c. P. Caulfield, J. Sharples, JA Polton, BD Scannell, DM Greaves, RA Hall, JH Simpson, Antropogénne miešanie v sezónne stratifikovaných šelfových moriach infraštruktúrou pobrežných veterných elektrární. Front. Mar. Sci. 9 , 830927 (2022).
27
JR Carpenter, A. Guha, Blokovacie účinky základov pobrežných veterných elektrární na stredné oceánske prúdy. Phys. Rev. Fluids 9 , 103802 (2024).
28
B. Zhao, E. Sahlée, J. Du, L. Wu, Modifikácia napätia vetrom spôsobeného veternými turbínami na mori: Numerická štúdia vplyvov blokovania vĺn. Ocean Eng. 313 , 119651 (2024).
29
N. Bodini, JK Lundquist, A. Kirincich, Merania lidarom na východnom pobreží USA ukazujú, že veterné turbíny na mori sa stretnú s veľmi nízkou atmosférickou turbulenciou. Geophys. Res. Lett. 46 , 5582–5591 (2019).
30
N. Bodini, JK Lundquist, A. Kirincich, Veterné turbíny na mori sa stretnú s veľmi nízkou atmosférickou turbulenciou. J. Phys. Conf. Ser. 1452 , 012023 (2020).
31
B. Djath, J. Schulz-Stellenfleth, B. Cañadillas, Vplyv atmosférickej stability na snímky brázd pobrežných veterných elektrární z radaru so syntetickou apertúrou v pásme X a C. J. Renew. Sustain. Energy 10 , 043301 (2018).
32
B. Cañadillas, R. Foreman, V. Barth, S. Siedersleben, A. Lampert, A. Platis, B. Djath, J. Schulz-Stellenfleth, J. Bange, S. Emeis, T. Neumann, Zotavenie z úplavu po morských veterných farmách: Merania zo vzduchu a ich znázornenie v inžinierskych modeloch. Wind Energy 23 , 1249–1265 (2020).
33
CL Archer, S. Wu, Y. Ma, PA Jiménez, Dve korekcie turbulentnej kinetickej energie generovanej veternými farmami v modeli WRF. Mon. Weather Rev. 148 , 4823–4835 (2020).
34
N. Bodini, JK Lundquist, P. Moriarty, Veterné elektrárne môžu dlhodobo ovplyvňovať lokálne atmosférické podmienky. Sci. Rep. 11 , 22939 (2021).
35
R. Small, S. deSzoeke, S. Xie, L. O'Neill, H. Seo, Q. Song, P. Cornillon, M. Spall, S. Minobe, Interakcia vzduchu a mora nad oceánskymi frontmi a vírmi. Dynam. Atmos. Ocean 45 , 274–319 (2008).
36
H. Seo, H. Song, LW O'Neill, MR Mazloff, BD Cornuelle, Vplyvy oceánskych prúdov na dráhu extratropických búrok v južnom Indickom oceáne prostredníctvom relatívneho vplyvu vetra. J. Clim. 34 , 9093–9113 (2021).
37
W. Sweet, R. Fett, J. Kerling, PL Violette, Účinky interakcie vzduchu a mora v dolnej troposfére naprieč severnou stenou Golfského prúdu. Mon. Weather Rev. 109 , 1042–1052 (1981).
38
JM Wallace, TP Mitchell, C. Deser, Vplyv teploty morskej hladiny na povrchový vietor vo východnom rovníkovom Pacifiku: Sezónna a medziročná variabilita. J. Clim. 2 , 1492–1499 (1989).
39
MB Christiansen, CB Hasager, Účinky brázdy veľkých pobrežných veterných elektrární identifikované zo satelitného SAR. Remote Sens. Environ. 98 , 251–268 (2005).
40
A. Platis, J. Bange, K. Bärfuss, B. Cañadillas, M. Hundhausen, B. Djath, A. Lampert, J. Schulz-Stellenfleth, S. Siedersleben, T. Neumann, S. Emeis, Dlhodobé modifikácie veterného poľa pobrežnými veternými parkmi – Výsledky projektu WIPAFF. Meteorol. Z. 29 , 355–376 (2020).
41
JB Olson, JS Kenyon, WA Angevine, JM Brown, M. Pagowski, K. Sušelj, Opis schémy MYNN-EDMF a prepojenie s inými komponentmi v WRF–ARW [Laboratórium výskumu zemských systémov (USA), Divízia globálnych systémov, 2019], https://repository.library.noaa.gov/view/noaa/19837 .
42
A. Abraham, M. Puccioni, A. Jordan, E. Maric, N. Bodini, N. Hamilton, S. Letizia, PM Klein, E. Smith, S. Wharton, J. Gero, JD Jacob, R. Krishnamurthy, RK Newsom, M. Pekour, P. Moriarty, Prevádzkované veterné elektrárne zvyšujú výšku hraničnej vrstvy planéty: Pozorovacia štúdia. Wind Energy Sci. 10 , 1681–1705 (2024).
43
JM Tomaszewski, JK Lundquist, Simulovaná citlivosť úplavu veternej farmy na konfiguračné možnosti v modeli pre výskum a predpoveď počasia verzie 3.8.1. Geosci. Model Dev. 13 , 2645–2662 (2020).
44
S. Wu, CL Archer, Vplyvy veterných turbín v blízkosti zeme: Pozorovania a fyzikálne mechanizmy. Mon. Weather Rev. 149 , 879–898 (2021).
45
ED Christensen, M. Johnson, OR Sørensen, CB Hasager, M. Badger, SE Larsen, Prenos energie vĺn cez pobrežnú veternú farmu. Coast. Eng. 82 , 25–46 (2013).
46
K. Bärfuss, J. Schulz-Stellenfleth, A. Lampert, Vplyv pobrežných veterných elektrární na stav mora preukázaný meraniami LiDAR z lietadiel. J. Mar. Sci. Eng. 9 , 644 (2021).
47
R. Castelao, S. Glenn, O. Schofield, Teplota, slanosť a variabilita hustoty v centrálnej časti Stredoatlantického zálivu. J. Geophys. Res. Oceans 115 , C10005 (2010).
48
C. Cai, Y.-O. Kwon, Z. Chen, P. Fratantoni, Klimatológia hĺbky zmiešaných vrstiev nad severovýchodným kontinentálnym šelfom USA (1993 – 2018). Cont. Shelf Res. 231 , 104611 (2021).
49
E. Ludewig, „O vplyve pobrežných veterných elektrární na atmosféru a dynamiku oceánov“ v Hamburg Studies on Maritime Affairs (Springer International Publishing, 2015), zv. 31.
50
RK Shearman, SJ Lentz, Dlhodobá variabilita teploty morskej hladiny pozdĺž východného pobrežia USA. J. Phys. Oceanogr. 40 , 1004–1017 (2010).
51
K. Chen, G. Gawarkiewicz, Y.-O. Kwon, WG Zhang, Úloha atmosférického pôsobenia verzus advekcia oceánov počas extrémneho otepľovania kontinentálneho šelfu severovýchodu USA v roku 2012. J. Geophys. Res. Oceans 120 , 4324–4339 (2015).
52
H. Seo, LW O'Neill, MA Bourassa, A. Czaja, K. Drushka, JB Edson, B. Fox-Kemper, I. Frenger, ST Gille, BP Kirtman, S. Minobe, AG Pendergrass, L. Renault, MJ Roberts, N. Schneider, RJ Small, A. Stoffelen, Q. Wang, Interakcie oceánu a atmosféry v mezoškálovej a frontálnej mierke a ich vplyv na klímu vo veľkom meradle: Prehľad. J. Clim. 36 , 1981–2013 (2023).
53
S. Redfern, M. Optis, G. Xia, C. Draxl, Citlivosť predpovedí energie z veternej energie na mori na vstup teploty morskej hladiny v stredoatlantickej oblasti. Wind Energy Sci. 8 , 1–23 (2023).
54
C. Wu, Q. Wang, K. Luo, J. Fan, Vplyv morskej hladiny na výkonnosť veterných elektrární na mori v mezoškále. J. Clean. Prod. 372 , 133741 (2022).
55
LF Pareja-Roman, T. Miles, S. Glenn, Pobrežný upwelling moduluje vietor a prúdenie vzduchu a mora, čo ovplyvňuje energiu veternej energie na mori. Front. Energy Res. 12 , 1470712 (2024).
56
S. Baidya Roy, JJ Traiteur, Vplyvy veterných elektrární na teploty vzduchu pri povrchu. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107 , 17899–17904 (2010).
57
AC Fitch, JK Lundquist, JB Olson, Vplyvy veterných elektrární v mezoškále počas denného cyklu. Mon. Weather Rev. 141 , 2173–2198 (2013).
58
DA Rajewski, ES Takle, JK Lundquist, S. Oncley, JH Prueger, TW Horst, ME Rhodes, R. Pfeiffer, JL Hatfield, KK Spoth, RK Doorenbos, Experiment s veternou energiou z plodín (CWEX): Pozorovania interakcií povrchovej vrstvy, hraničnej vrstvy a mezoškály s veternou farmou. Bull. Am. Meteorol. Soc. 94 , 655–672 (2013).
59
L. Zhou, Y. Tian, S. Baidya Roy, C. Thorncroft, LF Bosart, Y. Hu, Vplyvy veterných elektrární na teplotu zemského povrchu. Nat. Clim. Change 2 , 539–543 (2012).
60
Počasie, „Klimatické a ekologické vplyvy veterných elektrární na pevnine“ v publikácii Komplexná obnoviteľná energia (Elsevier, 2022), s. 165 – 188.
61
G. Xia, L. Zhou, JM Freedman, SB Roy, RA Harris, MC Cervarich, Prípadová štúdia vplyvov turbulencie atmosférickej hraničnej vrstvy, rýchlosti vetra a stability na zmeny teploty vyvolané veternou farmou s využitím pozorovaní z poľnej kampane. Clim. Dyn. 46 , 2179–2196 (2016).
62
B. Thomas, X. Costoya, M. deCastro, D. Carvalho, M. Gómez-Gesteira, Vplyv efektu úplavu na nivelované náklady na energiu vo veľkých plávajúcich veterných elektrárňach na mori: Prípadová štúdia na severozápade Pyrenejského polostrova. Energy 304 , 132-159 (2024).
63
TW Juliano, B. Kosović, PA Jiménez, M. Eghdami, SE Haupt, A. Martilli, Simulácie „sivej zóny“ s využitím trojrozmernej parametrizácie planetárnej hraničnej vrstvy v modeli výskumu a predpovede počasia. Mon. Weather Rev. 150 , 1585–1619 (2022).
64
WG Large, JC McWilliams, SC Doney, Vertikálne miešanie oceánov: Prehľad a model s nelokálnou parametrizáciou hraničnej vrstvy. Rev. Geophys. 32 , 363–403 (1994).
65
L. Johnson, B. Fox-Kemper, Q. Li, HT Pham, S. Sarkar, Metóda konečného súboru pre porovnanie modelov zmiešaných vrstiev. J. Phys. Oceanogr. 53 , 2211–2230 (2023).
66
WC Skamarock, JB Klemp, J. Dudhia, DO Gill, Z. Liu, J. Berner, W. Wang, JG Powers, MG Duda, DM Barker, X.-Y. Huang, Popis modelu WRF pre pokročilý výskum, verzia 4.3 (č. NCAR/TN-556+STR) (2021).
67
AF Ščepetkin, JC McWilliams, Regionálny systém oceánskeho modelovania (ROMS): Rozdelený explicitný model oceánu s voľným povrchom a topografiou sledujúcou súradnice. Ocean Model. 9 , 347–404 (2005).
68
HL Tolman, B. Balasubramaniyan, LD Burroughs, DV Chalikov, YY Chao, HS Chen, VM Gerald, Vývoj a implementácia modelov povrchových vĺn oceánu generovaných vetrom v NCEP. Weather and Forecasting 17 , 311–333 (2002).
69
H. Seo, AJ Miller, JO Roads, Scrippsov model prepojeného oceánsko-atmosférického regiónu (SCOAR) s aplikáciami vo východnom pacifickom sektore. J. Clim. 20 , 381–402 (2007).
70
C. Sauvage, H. Seo, CA Clayson, JB Edson, Zlepšenie parametrizácie toku hybnosti medzi vzduchom a morom na základe vĺn v zmiešaných moriach. J. Geophys. Res. Oceans 128 , e2022JC019277 (2023).
71
CW Fairall, EF Bradley, JE Hare, AA Grachev, JB Edson, Hromadná parametrizácia tokov medzi vzduchom a morom: Aktualizácie a overenie algoritmu COARE. J. Clim. 16 , 571–591 (2003).
72
JB Edson, V. Jampana, RA Weller, SP Bigorre, AJ Plueddemann, CW Fairall, SD Miller, L. Mahrt, D. Vickers, H. Hersbach, O výmene hybnosti nad otvoreným oceánom. J. Phys. Oceanogr. 43 , 1589–1610 (2013).
73
JB Olson, Popis schémy povrchových vrstiev MYNN [Global Systems Laboratory (USA), 2021], https://repository.library.noaa.gov/view/noaa/30605 .
74
C. Sauvage, H. Seo, BW Barr, JB Edson, CA Clayson, Nesprávne zarovnané veterné vlny za atmosférickými studenými frontmi. J. Geophys. Res. Oceans 129 , e2024JC021162 (2024).
75
H. Hersbach, B. Bell, P. Berrisford, S. Hirahara, A. Horányi, J. Muñoz Sabater, J. Nicolas, C. Peubey, R. Radu, D. Schepers, A. Simmons, C. Soci, S. Abdalla, X. Abellan, G. Balsamo, M. Buchattiva, P. G. De Chiara, P. Dahlgren, D. Dee, M. Diamantakis, R. Dragani, J. Flemming, R. Forbes, M. Fuentes, A. Geer, L. Haimberger, S. Healy, RJ Hogan, E. Hólm, M. Janisková, S. Keeley, P. Lopez, P. Lupuaux, C.. De. Rosnay, I. Rozum, F. Vamborg, S. Villaume, J.-N. Thépaut, Globálna reanalýza ERA5. QJR Meteorol. Soc. 146 , 1999–2049 (2020).
76
P. Weatherall, KM Marks, M. Jakobsson, T. Schmitt, S. Tani, JE Arndt, M. Rovere, D. Chayes, V. Ferrini, R. Wigley, Nový digitálny batymetrický model svetových oceánov. Earth Space Sci. 2 , 331–345 (2015).
77
J.-M. Lellouche, E. Greiner, O. Le Galloudec, G. Garric, C. Regnier, M. Drevillon, M. Benkiran, C.-E. Testut, R. Bourdalle-Badie, F. Gasparin, O. Hernandez, B. Levier, Y. Drillet, E. Remy, P.-Y. Le Traon, Nedávne aktualizácie globálnej námornej služby Copernicus na monitorovanie oceánov a predpovedanie systému s vysokým rozlíšením 1∕12° v reálnom čase. Ocean Sci. 14 , 1093-1126 (2018).
78
N. Rascle, F. Ardhuin, Globálna databáza parametrov vĺn pre geofyzikálne aplikácie. Časť 2: Validácia modelu so zlepšenou parametrizáciou zdrojových členov. Ocean Model. 70 , 174–188 (2013).
79
GD Egbert, SY Erofeeva, Efektívne inverzné modelovanie barotropných oceánskych prílivov a odlivov. J. Atmos. Ocean. Technol. 19 , 183–204 (2002).
80
J. Steffen, H. Seo, CA Clayson, S. Pei, T. Shinoda, Vplyvy miešania prílivu a odlivu na denné a vnútrosezónne interakcie vzduchu a mora na námornom kontinente. Deep Sea Res. 2 Top. Stud. Oceanogr. 212 , 105343 (2023).
81
JK Lundquist, KK DuVivier, D. Kaffine, JM Tomaszewski, Náklady a dôsledky účinkov brázdy veterných turbín vyplývajúcich z nekoordinovaného rozvoja veternej energie. Nat. Energy 4 , 26–34 (2018).
82
C. S. Bretherton, M. Widmann, VP Dymnikov, J. M. Wallace, I. Bladé, Efektívny počet priestorových stupňov voľnosti časovo premenného poľa. J. Clim. 12 , 1990–2009 (1999).
83
A. Monin, A. Obukhov, Základné zákony turbulentného miešania v povrchovej vrstve atmosféry (v ruštine) (Tr. Akad. Nauk SSSR Geofyzik. Inst.), zv. 24 (151), s. 163–187 (1954), https://gibbs.science/efd/handouts/monin_obukhov_1954.pdf .
84
D. Quint, JK Lundquist, D. Rosencrans, Simulácie naznačujú, že veterné farmy na mori modifikujú nízkoúrovňové prúdy. Wind Energy Sci. 10 , 117–142 (2025).
85
S.-B. Kim, I. Fukumori, T. Lee, Uzavretie teplotného rozpočtu zmiešanej vrstvy oceánu s použitím polí modelu úrovňových súradníc. J. Atmos. Ocean. Technol. 23 , 840–853 (2006).
86
RW Reynolds, NA Rayner, TM Smith, DC Stokes, W. Wang, Vylepšená in situ a satelitná SST analýza pre klímu. J. Clim. 15 , 1609–1625 (2002).
87
JS Kain, Kainova-Fritschova konvektívna parametrizácia: Aktualizácia. J. Appl. Meteorol. Climatol. 43 , 170–181 (2004).
88
G. Thompson, PR Field, RM Rasmussen, WD Hall, Explicitné predpovede zimných zrážok s využitím vylepšenej schémy objemovej mikrofyziky. Časť II: Implementácia novej parametrizácie snehu. Mon. Weather Rev. 136 , 5095–5115 (2008).
89
M. Tewari, F. Chen, W. Wang, J. Dudhia, M. LeMone, K. Mitchell, M. Ek, G. Gayno, J. Wegiel, R. Cuenca, Implementácia a overenie zjednoteného modelu zemského povrchu NOAH v modeli WRF, In Zborník z 20. konferencie o analýze a predpovedi počasia/16. konferencie o numerickej predikcii počasia , Seattle, WA, USA, 2004, zv. 14, s. 11–15.
90
MJ Iacono, JS Delamere, EJ Mlawer, MW Shephard, SA Clough, WD Collins, Radiačné pôsobenie dlhodobých skleníkových plynov: Výpočty s modelmi radiačného prenosu AER. J. Geophys. Res. Atmos. 113 , D13103 (2008).
91
M. Nakanishi, H. Niino, Vývoj vylepšeného modelu turbulentného uzatvárania pre atmosférickú hraničnú vrstvu. J. Meteorol. Soc. Japan. Ser. II 87 , 895–912 (2009).
92
JC Warner, CR Sherwood, HG Arango, RP Signell, Výkon štyroch modelov uzavretia turbulencie implementovaných pomocou generickej metódy dĺžkovej škály. Ocean Model. 8 , 81–113 (2005).
93
VM Canuto, A. Howard, Y. Cheng, MS Dubovikov, Turbulencia v oceáne. Časť I: Jednobodový model uzáveru – vertikálne difuzivity hybnosti a tepla. J. Phys. Oceanogr. 31 , 1413–1426 (2001).
94
F. Ardhuin, B. Chapron, F. Collard, Pozorovanie rozptylu vlnenia v oceánoch. Geophys. Res. Lett. 36 , 2008GL037030 (2009).
95
F. Ardhuin, E. Rogers, AV Babanin, J.-F. Filipot, R. Magne, A. Roland, A. Van Der Westhuysen, P. Queffeulou, J.-M. Lefevre, L. Aouf, F. Collard, Semiempirické funkcie zdroja disipácie pre oceánske vlny. Časť I: Definícia, kalibrácia a validácia. J. Phys. Oceanogr. 40 , 1917 – 1941 (2010).
96
F. Ardhuin, A. Roland, Odraz pobrežných vĺn, smerové šírenie a zdroje seizmoakustického šumu. J. Geophys. Res. 117 , C00J20 (2012).
97
JA Battjes, JPFM Janssen, „Strata energie a usporiadanie v dôsledku lámania náhodných vĺn“ v Coastal Engineering 1978 (Americká spoločnosť stavebných inžinierov, 1978), str. 569–587, http://ascelibrary.org/doi/10.1061/9780872621909.034 .
98
F. Ardhuin, WC O'Reilly, THC Herbers, PF Jessen, Transformácia vlnenia naprieč kontinentálnym šelfom. Časť I: Útlm a smerové rozširovanie. J. Phys. Oceanogr. 33 , 1921–1939 (2003).