Natural variability of turbulence and stratification in a tidal shelf sea and the possible impact of offshore wind farms

Abstract

Tidal shelf seas are energetic areas of intense biological activity and turbulent motion. This turbulence is largely generated at the water surface from wind stress and wave breaking and in the bottom boundary layer through friction generated by tidal motion. When stratification is formed, a thermocline often emerges and separates both boundary regions, controlling the vertical transport of heat and other scalars. Whilst diapycnal mixing has broad implications on the marine ecosystem functioning, unraveling the key processes triggering this mixing remains an active area of research.

Conducting turbulence measurements in the field is a challenging task, which until recently was constrained by short term measurements collected in areas of increased mixing, potentially introducing a bias in the current notion of vertical transport. Moreover, because of the large-scale impact of small-scale turbulent mixing, the latter has to be inevitably parameterized in ocean models. It is therefore essential to improve understanding of the natural variability of turbulent motion to improve its representation in large-scale models.

The present work aims to assess turbulence levels in an energetic tidal shelf sea under different stratification and weather conditions in order to gain an insight of the local natural variability of mixing. This aim was enabled through the use of autonomous underwater gliders, which are able to collect measurements uninterrupted for several weeks and to record data during adverse meteorological events. The vertical structure of the water column during the summer months in the study area, the German Bight of the North Sea, is variable and may range from a fully mixed regime to a stably stratified thermocline. Whilst the vertical structure of turbulence dissipation in well-mixed regimes is found to be close to homogeneous, the presence of a thermocline generates a low turbulence layer where active turbulent mixing takes place only sporadically. Despite their intermittency, such mixing events are shown to play an important role in heat transport. Within the framework of this study, turbulence measurements during a storm event were collected, from which the rate of dissipation of turbulent kinetic energy was obtained. The storm consisted of 2 major pulses of elevated wind speeds (> Beaufort 6), which generated strong shear across the sharp thermocline and increased dissipation levels by nearly an order of magnitude, rapidly overturning the water column. Rough estimates suggest that such events of strong mixing could play an important role on the average seasonal fluxes.

In addition to naturally occurring mixing mechanisms, advances in offshore wind farm technology have enabled their construction and operation in deeper areas of shelf seas, in which stratification forms. Wind turbine foundations extract power from strong tidal currents and generate turbulence additional to background levels. Field measurements and large-eddy simulations were used to assess the role of single foundation structures in mixing local temperature gradients. The wake of single turbine foundations is characterized by strong turbulence localized within a narrow region of 50 – 100 m up to 200 – 300 m downstream, after which turbulence levels off towards background levels. The signature of temperature anomalies and that of other scalars due to the pylon reaches farther out and is observed until the end of the domain at 600 m downstream the obstacle. The additional mixing generated by a single foundation at current pylon spacings is low, however simplified estimates suggest that the effect of multiple structures on local stratification could be important. Lastly, shelf seas are dynamic regions and it is essential to advance understanding of their natural state and variability to improve the predictability of mixing events, as well as changes that may affect these areas of great societal relevance.

Die Schelfmeere sind energiereiche Gebiete, die stark von den Gezeiten beeinflusst werden und erhöhte biologische Aktivität aufweisen. Wichtige Turbulenzquellen in den Schelfmeeren treten in fluiddynamischen Grenzschichten auf, beispielsweise durch Windspannung oder Wellenbrechung an der Wasseroberfläche, oder durch die Gezeitenbewegung am Meeresboden. Wenn sich eine Dichteschichtung in der Wassersäule bildet, tritt oft eine Thermokline auf, welche beide genannten Grenzregionen voneinander trennt und den vertikalen Transport von Wärme und anderen skalaren Größen kontrolliert. Während diapyknische Vermischungsprozesse weitreichende Auswirkungen auf das Meeresökosystem haben, bleibt die Untersuchung der Schlüsselprozesse, die die Dissipation turbulenter kinetischer Energie auslösen, ein aktives Forschungsgebiet.

Die Durchführung von Turbulenzmessungen auf See ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die bis vor kurzer Zeit auf Kurzzeitmessungen in besonders turbulenten Gebieten beschränkt wurde. Der Mangel an Langzeitexperimenten könnte dabei das aktuelle Verständnis der Stärke turbulenzgetriebenen vertikalen Transports beeinflusst haben. Aufgrund der großräumigen Auswirkungen kleinskaliger Turbulenz muss diese in globalen Ozeanmodellen parametrisiert werden. Dies unterstreicht den Bedarf für ein umfangreicheres Bild der natürlichen Variabilität von Turbulenz, dessen Repräsentation in großskaligen Modellen optimiert werden muss.

Eines der Ziele der vorliegenden Arbeit ist es, Turbulenz in einem energetischen Gezeitenschelfmeer unter verschiedenen Wasserschichtungs- und Wetterbedingungen zu untersuchen, um einen Einblick in die lokale natürliche Variabilität zu erhalten. Dieses Ziel wird durch den Einsatz von autonomen Unterwassergleitern erreicht, welche in der Lage sind, Messungen ununterbrochen über mehrere Wochen zu sammeln, und Daten bei widrigen Wetterverhältnissen aufzuzeichnen. Die vertikale Struktur der Wassersäule während der Sommermonate im Untersuchungsgebiet ist variabel, und kann von einem durchgemischten Regime bis zu einer stabil geschichteten Thermokline reichen. Während die vertikale Struktur der Dissipationsrate in gut gemischten Regimen nahezu homogen ist, sorgt die Thermokline für eine fast laminare Wasserschicht, in der aktive Turbulenz nur sporadisch stattfindet. Obwohl die Thermokline aktive Turbulenz unterbricht, spielen solche turbulenten Ereignisse eine wichtige Rolle beim vertikalen Wärmetransport. Im Rahmen dieses Projekts wurden außerdem Turbulenz-Messungen während eines Sturmereignisses durchgeführt, aus denen die Dissipationsrate turbulenter kinetischer Energie errechnet wurde. Der Sturm bestand aus 2 großen Windstößen (Beaufort 6), die eine starke Scherung in der Thermokline verursachten. Die Dissipationsrate wurde dadurch um fast eine Größenordnung erhöht, und die Dichteschichtung wurde rasch umgekippt. Grobe Schätzungen legen nahe, dass solche seltenen Ereignisse erhöhter Turbulenzintensität eine wichtige Rolle bei den durchschnittlichen saisonalen vertikalen Energieflüssen spielen könnten.

Zusätzlich zu den natürlich vorkommenden Durchmischungsmechanismen stellen küstennahe Windturbinenfundamente eine Turbulenzquelle dar. Fortschritte in der Offshore-Windpark-Technologie haben den Aufbau von Windturbinenfundamenten in tieferen Meeresbereichen ermöglicht, in denen sich oftmals eine Dichteschichtung bildet. Daher ist das abschließende Ziel dieser Arbeit, die Rolle einzelner Fundamentstrukturen bei der Durchmischung lokaler Temperaturgradienten mit Hilfe von Feldbeobachtungen und Large Eddy-Simulations zu untersuchen. Der Nachlauf einzelner Monopiles weist eine starke Turbulenz auf, die auf einen engen Bereich von 50 – 100 m Breite bis zu 200 – 300 m stromabwärts begrenzt ist. Die durch einen Monopile erzeugten Temperaturanomalien und die Anomalien anderer skalarer Größen können bis zum Ende der Domäne beobachtet werden (ca. 600 m stromabwärts des Hindernisses). Obwohl der Einfluss einer einzigen Struktur auf die Durchmischung der Wassersäule gering ist, könnte das Zusammenspiel der Nachläufe mehrerer Strukturen bei schwacher Schichtung wichtig sein. Die Schelfmeere sind letztendlich dynamische Gebiete. Es ist daher von großer Relevanz, das Verständnis über deren natürliche Variabilität zu verbessern, um die Berechenbarkeit von Ereignissen starker Durchmischung sowie Veränderungen in diesen gesellschaftlich bedeutsamen Regionen zu erhöhen.