[論文レビュー] The large scale impact of offshore wind farm structures on pelagic primary productivity in the southern North Sea

Kaela Slavik, Carsten Lemmen+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2017

Marine and fisheries research参考文献 95被引用数 99

ひとこと要約

本研究では、モジュラーフレームワークを用いた連成流体力学・生態系モデルを用い、南ブリタニア海における巻き貝（主にMytilus edulis）の上部付着性濾過栄養生物が水層の一次生産に与える大規模な影響を評価した。風力発電所（OWF）構造物の配置と再構築されたハマグリの生物量を統合することで、モデルは地域的な一次生産が最大で年間8%増加し、局所的な日次生産ピークが最大で30 mmol C m⁻³ d⁻¹に達することを示した。これは、個々のタービンをはるかに超えた生態系スケールの影響を示している。

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.

研究の動機と目的

• 南ブリタニア海における上部付着性Mytilus edulis生物量が水層一次生産に与える大規模かつ地域的影響を評価すること。
• 風力発電所構造物がハマグリの定着を促進することで、地域スケールでの植物プランクトン動態および生態系機能にどのような変化をもたらすかを定量すること。
• 物理海洋学、底生コミュニティ、水層生産性の間のスケールを越えたフィードバックをシミュレートできる、モジュラーかつ連成的なモデリングフレームワークの開発および応用すること。

提案手法

• 南ブリタニア海の流体力学（GETM）、生態系（FABM）、物理・生物地球化学モデルを統合するために、MOSSCOモジュラーカーリングフレームワークを採用した。
• タービン配置の空間的分布データと報告された定着パターンを用いて、上底生および上構造付着性Mytilus edulisの生物量を再構築した。
• 報告されたろ過速度に基づく簡略化されたろ過モデルを用い、上構造付着性ハマグリのろ過が存在するか否かの2つのシナリオにおいて、網状一次生産（NPP）をシミュレートした。
• 長期的かつシステムスケールの影響を評価するため、ハイパフォーマンスコンピュータクラスタ（JURECA）を用いて多年にわたるシミュレーションを実施した。
• 既存の地域データおよび南ブリタニア海におけるハマグリの生物量と生産性に関する文献と照合して、モデル部品の妥当性を検証した。
• 再現可能性と透明性を確保するため、オープンソースツール（ESMF, FABM, GOTM）とアーサイブ済みのシミュレーションデータを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オフショア風力発電所構造物に付着する上部付着性Mytilus edulisの蓄積が、南ブリタニア海の地域的水層一次生産にどの程度影響を及ぼすか。
• RQ2 ハマグリの生物量分布およびろ過速度の変化が、風力発電所の直近域をはるかに超えて、植物プランクトン動態およびNPPにどのような影響を及ぼすか。
• RQ3 上構造付着性濾過栄養作用によって引き起こされる生産性変化の空間的・時間的範囲は、南ブリタニア海全体でどの程度か。

主な発見

• モデルは、上構造付着性ハマグリのろ過作用によって、オフショア風力発電所領域内で最大で年間8%の水層一次生産の地域的増加を予測した。
• 日次生産の増加が最大で30 mmol C m⁻³ d⁻¹に達するシナリオが得られ、これは風力発電所の直近域をはるかに超えて広がる結果となり、顕著な地域的スケールの影響を示している。
• 最大の生産性変化は、風力発電所の直近ではなく、周辺地域に観察されたことから、間接的かつ長距離にわたる生態系への影響が示唆された。
• 本研究は、上構造付着性ハマグリの生物量が、ろ過作用による植物プランクトン生物量の減少を通じて、水層食物連鎖の基盤を顕著に変化させられることを示した。
• MOSSCOを用いたモジュラー連成フレームワークは、物理的プロセス、底生定着、水層生産性の間のスケールを越えたフィードバックを効果的にシミュレートできた。
• モデルの簡略化にもかかわらず、結果は無視できない生態系への影響を示しており、今後の研究におけるフィードバックモデルの改善が、さらなる評価において正当化されるべきである。