Eine Windkraftanlage entzieht der Strömung kinetische Energie. Gleichzeitig erzeugen die Rotorblätter Turbulenz. Dadurch entsteht hinter einem Windpark eine Strömungsabschattung. In diesem Bereich ist die Windgeschwindigkeit geringer, die Turbulenz erhöht und es kommt zu einem veränderten vertikalen Transport von Impuls, Wärme und Feuchte. In großen Windparks kann sich diese Abschattung (Wake) überlagern und unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen über viele Kilometer erstrecken.
Der Einfluss von Windkraftanlagen ist hauptsächlich in der atmosphärischen Grenzschicht vorhanden. Eine typische moderne Windkraftanlage besitzt eine Nabenhöhe von etwa 160 Metern. Die Gesamthöhe kann dabei bis zu 270 Meter betragen. Damit wird direkt nur die untere atmosphärische Grenzschicht beeinflusst. Ein Effekt auf die freie Atmosphäre oberhalb von 1 Kilometer ist kaum vorhanden.
In der atmosphärischen Grenzschicht nehmen große Windkraftparks aber vor allem bei stabiler atmosphärischer Schichtung einen entscheidenden Einfluss auf das Strömungsprofil stromabwärts. Die Windgeschwindigkeit wird dort deutlich reduziert. Diese Veränderungen der Strömung können über mehrere zehn Kilometer nachweisbar sein. Eine Studie fand unter stabilen atmosphärischen Bedingungen eine Strömungsänderung bis etwa 30 Kilometer stromabwärts großer Parks. Dieser messbare aerodynamische Nachlauf bedeutet aber nicht, dass auch das Wetter in diesem Umkreis entsprechend stark verändert wird.
Durch die erzeugte Turbulenz kann es kleinräumig zu Temperaturänderungen kommen. Dieser Effekt auf die Temperatur ist allerdings stark abhängig von der atmosphärischen Schichtung. Bei Hochdrucklagen mit stabiler Schichtung und starker Temperaturinversion wird der Grenzbereich zwischen wärmerer und kühlerer Luftmasse durchmischt. Dabei kann es in Erdbodennähe zu einer leichten Temperaturzunahme kommen. Allerdings ist dieser Effekt regional begrenzt und beschränkt sich auf die Leeseite der Windkraftanlagen. Modellstudien zeigen dort regional eng begrenzt Temperaturänderungen von bis zu 0,5 Grad Celsius.
Zudem können größere Windparks durch turbulente Prozesse auch die Bildung und Auflösung von Wolken beeinflussen. Besonders relevant ist dies bei einer stabil geschichteten und feuchten atmosphärischen Grenzschicht. Durch die Strömungsablenkung der Windparks können sich lokale Konvergenzen ausbilden, die die Bildung tiefer Wolken begünstigen. Modellstudien zeigten deshalb beispielweise über der Nordsee eine Zunahme der tiefen Bewölkung über den Windparks und eine Abnahme stromabwärts davon. Allerdings ist diese Wirkung nicht allgemeingültig. Unter bestimmten Voraussetzungen kann die erzeugte Turbulenz auch Nebel oder tiefe Wolken auflösen. Entscheidend dabei sind die vorhandene Feuchtigkeit, die vertikale Temperaturschichtung und die Stabilität der atmosphärischen Grenzschicht.
Dieser Effekt auf die Bildung und Auflösung von Wolken führt zu einer weitergehenden kontroversen Frage: Können diese atmosphärischen Veränderungen den Niederschlag beeinflussen?
Zwischen Wolkenbildung und fallendem Niederschlag kommt es zu weiteren komplexen mikrophysikalischen Prozessen. Gleichzeitig bestimmen großräumige Feuchtetransporte und synoptische Hebungsprozesse, wo letztendlich Niederschlag entsteht. Damit nimmt die wissenschaftliche Unsicherheit deutlich zu. Während die Auswirkungen von Windparks auf Strömung und erzeugte Turbulenz gut belegt sind, ist die Frage nach langfristigen und räumlich relevanten Veränderungen des Niederschlags deutlich schwieriger zu beantworten.
Dadurch ergibt sich bislang kein einheitliches Bild. Einige Untersuchungen zeigen unter bestimmten Bedingungen eine Zunahme des Niederschlags über großen Windparks und stromabwärts eine leichte Abnahme. Allerdings ist dieser mögliche Einfluss wesentlich von der Größe und Anordnung des Windparks sowie der jeweiligen Wetterlage abhängig!
Große Windparks beeinflussen somit nachweislich die atmosphärische Grenzschicht und können Wind, Turbulenz, Temperatur und unter bestimmten Bedingungen auch die Bildung- und Auflösung von Wolken modifizieren. Ob daraus langfristige und relevante Veränderungen regionaler Niederschlagsmuster entstehen, ist wissenschaftlich jedoch noch nicht abschließend geklärt.