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Offshore Wind Farm-Induced Ocean Circulation Over Variable Bathymetry: A Multiscale LES--Shallow-Water Approach

Este estudio emplea un novedoso marco de modelado multiescala que acopla simulaciones de grandes remolinos con un modelo de aguas someras para demostrar que, si bien la velocidad del viento es el principal motor de las respuestas oceánicas de mesoescala ante los parques eólicos marinos, incluso los gradientes batimétricos leves dominan finalmente los patrones de circulación horizontal resultantes.

Autores originales: Massimo Della Monica, Matteo Bernardini, Stefano Leonardi

Publicado 2026-10-14

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CC BY 4.0

Autores originales: Massimo Della Monica, Matteo Bernardini, Stefano Leonardi

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El océano nunca está verdaderamente quieto. Incluso en ausencia de tormentas, el viento empuja constantemente la superficie del mar, creando corrientes invisibles que mueven el agua horizontal y, crucialmente, verticalmente. Cuando el viento sopla sobre el agua, la rotación de la Tierra hace que la capa superficial se desplace en un ángulo, un fenómeno que arrastra el agua profunda hacia la superficie en algunos lugares y empuja el agua superficial hacia abajo en otros. Este movimiento vertical, conocido como afloramiento y hundimiento, es vital para la vida marina porque trae agua rica en nutrientes hacia la zona iluminada por el sol donde las plantas y los animales prosperan. A medida que la humanidad construye enormes conjuntos de turbinas eólicas mar adentro para generar energía limpia, ha surgido una nueva pregunta: ¿estos gigantescas estructuras, que frenan el viento a medida que pasa a través de ellas, interrumpen estas delicadas corrientes oceánicas? Si un parque eólico cambia el patrón del viento, ¿cambia también la forma en que el océano se mezcla, afectando potencialmente el ecosistema local?

Para responder a esto, investigadores de la Sapienza Università di Roma y la Universidad de Texas en Dallas desarrollaron una nueva forma de abordar el problema, combinando dos escalas de simulación muy diferentes. Necesitaban entender cómo los diminutos y caóticos remolinos de aire creados por turbinas eólicas individuales podrían influir en las vastas y lentas corrientes del océano a lo lo largo de cientos de kilómetros. Los modelos informáticos estándar a menudo tienen dificultades con esto porque son demasiado detallados para ejecutarse en áreas grandes o demasiado simples para capturar la compleja estela de un parque eólico. El equipo creó un marco multiescala que vincula una simulación de alta resolución del viento fluyendo a través de un parque eólico real con un modelo más amplio del océano superficial. Se centraron su estudio en el parque eólico Horns Rev 1, frente a la costa de Dinamarca, un sitio con extensos datos del mundo real, para ver cómo la desaceleración del viento se traduce en cambios en el agua debajo.

Los investigadores primero utilizaron un sofisticado modelo informático para simular el viento pasando a través de una fila de turbinas, capturando la forma y fuerza exacta de la "sombra del viento" o estela dejada detrás. Luego, utilizaron estos datos detallados del viento para forzar un modelo del océano, que calcula cómo se mueve el agua en respuesta al empuje del viento. Crucialmente, probaron este sistema sobre dos tipos de lecho marino: uno que era perfectamente plano y otro que se inclinaba suavemente, imitando el ascenso y descenso natural del fondo del océano. En sus simulaciones, encontraron que la velocidad del viento era el factor más importante para determinar cuánto agua sería empujada hacia arriba o hacia abajo. El tamaño del parque eólico y la profundidad del océano desempeñaron papeles secundarios, mientras que la latitud específica del parque importó muy poco para la fuerza del efecto.

Sin embargo, surgió un descubrimiento clave cuando introdujeron un lecho marino inclinado. El equipo encontró que incluso una pendiente muy suave en el fondo del océano dominaba el movimiento horizontal del agua, influyendo significativamente en los patrones de circulación que el parque eólico de otro modo crearía. No obstante, la firma específica del parque eólico no fue borrada; el dipolo de elevación de la superficie permaneció discernible, y la contribución de Ekman impulsada por el esfuerzo del viento a la velocidad vertical se mantuvo claramente identificable dentro de su reconstrucción diagnóstica. Esto sugiere que, al planificar futuros parques eólicos, los ingenieros no pueden mirar el viento y las turbinas de forma aislada; también deben tener en cuenta los sutiles contornos del fondo marino, que pueden dirigir las corrientes de formas que un modelo de mar plano pasaría por alto, aun cuando los efectos verticales distintivos del parque eólico persistan.

El estudio también aclaró cuánto tiempo tardan en desarrollarse estos efectos. Los investigadores simularon un periodo de seis horas, lo cual es suficiente para que la superficie del océano reaccione a un viento constante y para que la mezcla vertical alcance un estado estable. Confirmaron que el parque eólico crea un patrón de dipolo claro: una región donde el agua es empujada hacia abajo en un lado y succionada hacia arriba en el otro, creando un cambio pequeño pero medible en el nivel del mar. Este movimiento vertical es impulsado por la fuerza de torsión del esfuerzo del viento, un proceso conocido como bombeo de Ekman. Incluso con los complejos patrones de viento del mundo real generados por las turbinas, este efecto de bombeo permaneció claramente identificable en su reconstrucción diagnóstica, demostrando que la influencia del parque eólico penetra profundamente en la columna de agua.

Al vincular los detalles finos de las estelas de las turbinas con los trazos amplios de la circulación oceánica, este trabajo proporciona una imagen más completa de cómo la infraestructura de energía marina interactúa con el entorno marino. Los hallazgos indican que, si bien los parques eólicos alteran la dinámica oceánica local, la topografía del lecho marino es una fuerza poderosa que puede remodelar esos cambios. Esto significa que el impacto ambiental de un parque eólico no es solo una función de cuántas turbinas se instalan o de qué tan fuerte es el viento, sino también del paisaje submarino específico sobre el que se asienta. Para científicos y planificadores, esto subraya la necesidad de considerar la forma tridimensional del océano al predecir cómo estas estructuras masivas influirán en las corrientes que sustentan los ecosistemas marinos.

Resumen Técnico: Circulación Oceánica Inducida por Parques Eólicos Marinos sobre Batimetría Variable

Planteamiento del Problema
La rápida expansión de la capacidad eólica marina en mares someros de plataforma requiere una comprensión más profunda de cómo los parques eólicos interactúan con la dinámica oceánica subyacente. Si bien estudios previos han descrito cualitativamente el afloramiento (upwelling) y el hundimiento (downwelling) inducidos por los parques eólicos, persisten brechas significativas respecto a la caracterización sistemática de estos fenómenos bajo un forzamiento realista y batimetría variable. Los modelos existentes suelen depender de descripciones analíticas simplificadas de la estela o ignoran la compleja interacción entre los gradientes de esfuerzo del viento y la topografía del fondo. Además, existe una falta de análisis estadístico sistemático que vincule las configuraciones de los parques eólicos y las variables ambientales con las respuestas del mesoescala. Este trabajo aborda estas brechas investigando los efectos de las variaciones batimétricas en la respuesta oceánica de mesoescala ante los parques eólicos marinos, centrándose específicamente en los movimientos verticales impulsados por el viento.

Metodología
El estudio emplea un novedoso marco de modelado multiescala y de alta fidelidad que acopla Simulaciones de Grandes Remolinos (LES) de alta fidelidad con un modelo de Aguas Someras (SWE) bidimensional.

Análisis Estadístico (Forzamiento Idealizado):
- Se forzó un modelo de aguas someras bidimensional mediante un esfuerzo del viento gaussiano analítico.
- Se llevó a cabo un Diseño de Experimentos (DoE) de factor completo con 8({81}) ejecuciones para evaluar la influencia de cuatro variables: velocidad del viento ( $\|u_{10}\|$ ), profundidad de la cuenca ( $H_0$ ), longitud característica del parque eólico ( $L$ ) y latitud ( $\phi$ ).
- Se definieron dos indicadores de afloramiento: la anomalía superficial máxima ( $UI$ ) y la velocidad vertical máxima en la capa superior de Ekman ( $WEK$ ).
LES de Alta Fidelidad y Reconstrucción de Multidominio:
- Para ir más allá del forzamiento idealizado, el marco utilizó el código de CFD interno UTD-WF para realizar una LES de una fila de turbinas representativa del parque eólico Horns Rev 1.
- La LES resolvió las estelas de las turbinas y la mezcla turbulenta utilizando un Modelo de Disco Actuador Rotativo (RADM) y un Método de Frontera Sumergida (IBM).
- Para extender los resultados de la LES desde una sola fila de turbinas a la escala de un parque eólico completo (mesoescala), se empleó una Metodología de Superficie de Respuesta (RSM). Esto implicó un enfoque de dominio anidado:
  - ND3: LES de alta fidelidad de una sola fila de turbinas.
  - ND2: Reconstrucción del campo de velocidades utilizando RSMs para las regiones de estela lejana en la dirección de la corriente (STW) y lateral en la dirección transversal (SPW).
  - ND1: Velocidad de flujo libre prescrita.
- El campo de viento reconstruido se escaló a una cuadrícula de $100 \times 100$ km $^2$ y se convirtió en un campo de esfuerzo del viento para forzar el modelo SWE.
Modelo de Aguas Someras y Reconstrucción de la Velocidad Vertical:
- El modelo SWE resolvió la velocidad horizontal promedio de la columna de agua y la altura de la columna de agua sobre batimetrías planas y variables.
- Dado que el modelo 2D no resuelve explícitamente la velocidad vertical, se implementó una reconstrucción diagnóstica basada en la teoría de Ekman. Este enfoque interpola linealmente la velocidad vertical entre la superficie (cero), la base de la capa superior de Ekman (impulsada por el rotacional del esfuerzo del viento) y el fondo (impulsado por la pendiente batimétrica y la velocidad promedio de la profundidad).

Resultados Clave

Sensibilidad Estadística: El análisis estadístico reveló que la velocidad del viento es el parámetro controlador dominante para el afloramiento inducido por el parque eólico, explicando aproximadamente el 50% de la varianza en la anomalía superficial y el 77% en la velocidad vertical de Ekman. La profundidad de la cuenca y el tamaño del parque eólico desempeñaron roles secundarios comparables, mientras que la latitud tuvo una influencia marginal en la magnitud de la respuesta, aunque afectó significativamente la orientación espacial del dipolo de circulación.
Dominancia Batimétrica: Al acoplar el esfuerzo del viento derivado de la LES con el modelo SWE, los resultados demostraron que incluso los gradientes batimétricos leves dominan la circulación horizontal. En los casos con batimetría variable (rampas), los patrones de circulación fueron dictados primordialmente por la topografía del fondo más que por el esfuerzo del viento por sí solo.
Identificación de la Velocidad Vertical: A pesar del predominio de los efectos batimétricos en el flujo horizontal, el dipolo de elevación superficial permaneció discernible. Además, la contribución de Ekman a la velocidad vertical (impulsada por el rotacional del esfuerzo del viento) se mantuvo claramente identificable dentro de la reconstrucción diagnóstica, incluso en presencia de efectos significativos de la pendiente del fondo.
Validación de la LES: Los resultados de la LES para el caso Horns Rev 1 mostraron una concordancia razonable con las curvas de potencia de los fabricantes y los datos experimentales, capturando las tendencias generales de la degradación de la estela y la reducción de potencia, aunque se observaron algunas discrepancias en la región de la estela cercana debido a la falta de turbulencia de entrada en la simulación.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo proporciona el primer acoplamiento directo entre un modelo oceánico y un campo de viento reconstruido a la escala de un parque eólico completo utilizando LES de alta fidelidad. El estudio destaca la necesidad de ir más allá de los modelos de estela analíticos simplificados para capturar las complejas estructuras de estela que impulsan la circulación oceánica.

Crucialmente, el artículo establece que si bien la velocidad del viento es el principal motor de la magnitud del afloramiento, la batimetría es el principal motor de la estructura de la circulación horizontal. La investigación demuestra que incluso las pendientes leves pueden oscurecer o dominar los patrones de circulación inducidos por los parques eólicos, lo que sugiere que las evaluaciones futuras de los impactos ambientales de los parques eólicos marinos deben tener en cuenta las variaciones batimétricas locales. El marco multiescala propuesto ofrece un método computacionalmente eficiente pero físicamente robusto para cerrar la breancia entre la física de la escala de la turbina y la dinámica oceánica de mesoescala, proporcionando una herramienta para la investigación sistemática de los impactos de los parques eólicos que antes era inexistente.

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