[논문 리뷰] The large scale impact of offshore wind farm structures on pelagic primary productivity in the southern North Sea

Kaela Slavik, Carsten Lemmen외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 07.

Marine and fisheries research참고 문헌 95인용 수 99

한 줄 요약

이 연구는 남부 북해에서 페일라지컬 1차 생산성에 영향을 미치는 상부생물 필터링 군집(주로 Mytilus edulis)의 대규모 영향을 평가하기 위해 모듈형으로 결합된 수문학적 및 생태계 모델을 사용한다. 풍력발전소 구조물과 재구성된 문어 생물량을 통합함으로써, 모델은 지역적 1차 생산성에 연간 최대 8%의 증가와, 국소적으로는 최대 30 mmol C m⁻³ d⁻¹의 일일 생산성 급증을 규명하였으며, 이는 개인 터빈을 초월한 생태계 규모의 영향을 시사한다.

ABSTRACT

The increasing demand for renewable energy is projected to result in a 40-fold increase in offshore wind electricity in the European Union by 2030. Despite a great number of local impact studies for selected marine populations, the regional ecosystem impacts of offshore wind farm structures are not yet well assessed nor understood. Our study investigates whether the accumulation of epifauna, dominated by the filter feeder Mytilus edulis (blue mussel), on turbine structures affects pelagic primary productivity and ecosystem functioning in the southern North Sea. We estimate the anthropogenically increased potential distribution based on the current projections of turbine locations and reported patterns of M. edulis settlement. This distribution is integrated through the Modular Coupling System for Shelves and Coasts to state-of-the-art hydrodynamic and ecosystem models. Our simulations reveal non-negligible potential changes in regional annual primary productivity of up to 8% within the offshore wind farm area, and induced maximal increases of the same magnitude in daily productivity also far from the wind farms. Our setup and modular coupling are effective tools for system scale studies of other environmental changes arising from large-scale offshore wind-farming such as ocean physics and distributions of pelagic top predators.

연구 동기 및 목표

• 남부 북해에서 상부생물 필터링 군집인 Mytilus edulis 생물량의 대규모 지역적 영향을 페일라지컬 1차 생산성에 평가하기.
• 해상 풍력발전소 구조물이 문어의 식별을 가능하게 함으로써, 식물플랑크톤의 동태와 생태계 기능이 지역 규모에서 어떻게 변화하는지 정량화하기.
• 물리적 해양학, 저서 공동체, 페일라지컬 생산성 간의 크로스 스케일 피드백을 시뮬레이션할 수 있는 모듈형으로 결합된 모델링 프레임워크를 개발하고 적용하기.

제안 방법

• 남부 북해에 대해 수문학적(.GETM), 생태계(FABM), 물리-생물지구화학 모델을 통합하기 위해 MOSSCO 모듈형 결합 프레임워크를 사용하였다.
• 터빈 위치의 공간적 분포 데이터와 보고된 착륙 패턴을 기반으로 상부저서 및 상부생물 문어 생물량을 재구성하였다.
• 실제 청소율에 기반한 단순화된 청소 모델을 사용하여, 상부생물 문어의 여과 여부에 따라 네트워크 1차 생산성(NPP)을 시뮬레이션하였다.
• 장기적이고 전체 시스템 규모의 영향을 평가하기 위해 고성능 컴퓨팅 클러스터(JURECA)에서 다년간의 시뮬레이션을 수행하였다.
• 기존의 지역 데이터와 북해에서의 문어 생물량 및 생산성에 관한 문헌과의 비교를 통해 모델 구성 요소를 검증하였다.
• 재현 가능성과 투명성을 확보하기 위해 오픈소스 도구(ESMF, FABM, GOTM)와 압축된 시뮬레이션 데이터를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해상 풍력발전소 구조물에 축적된 상부생물 문어(Mytilus edulis)가 남부 북해의 지역적 페일라지컬 1차 생산성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ2 문어 생물량 분포와 여과율의 변화가 해상 풍력발전소 주변 지역을 초월해 식물플랑크톤의 동태와 NPP에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 상부생물 여과에 의해 유도된 생산성 변화의 공간적 및 시간적 범위는 남부 북해 전역에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 모델은 상부생물 문어 여과로 인해 해상 풍력발전소 지역 내 연간 최대 8%의 지역적 페일라지컬 1차 생산성 증가를 예측하였다.
• 일일 생산성 증가 최대 30 mmol C m⁻³ d⁻¹가 시뮬레이션되었으며, 이는 해상 풍력발전소 경계를 크게 초월하여 나타나, 상당한 지역 규모의 영향을 시사한다.
• 가장 큰 생산성 변화는 풍력발전소 바로 근처가 아니라 그 주변 지역에서 발생하였으며, 간접적이고 장거리 생태계 영향을 시사한다.
• 본 연구는 상부생물 문어 생물량이 여과를 통해 식물플랑크톤 생물량을 감소시킴으로써, 페일라지컬 영양망 기반을 상당히 변화시킬 수 있음을 입증하였다.
• 모듈형 결합 프레임워크(MOSSCO)는 물리적 과정, 저서 공동체 식별, 페일라지컬 생산성 간의 크로스 스케일 피드백을 효과적으로 시뮬레이션하는 데 성공하였다.
• 모델 단순화에도 불구하고 결과는 생태계에 미치는 영향이 무시할 수 없을 정도로 크며, 향후 평가에서 보다 정교한 여과 모델링 개선과 추가 연구의 필요성을 제기한다.