Effects of climate and morphology on temperature conditions of lakes

Abstract

To a large extent, lakes can be described with a one-dimensional approach, as their main features can be characterized by the vertical temperature profile of the water. The development of the profiles during the year follows the seasonal climate variations. Depending on conditions, lakes become stratified during the warm summer. After cooling, overturn occurs, water cools and an ice cover forms. Typically, water is inversely stratified under the ice, and another overturn occurs in spring after the ice has melted. Features of this circulation have been used in studies to distinguish between lakes in different areas, as basis for observation systems and even as climate indicators.

Numerical models can be used to calculate temperature in the lake, on the basis of the meteorological input at the surface. The simple form is to solve the surface temperature. The depth of the lake affects heat transfer, together with other morphological features, the shape and size of the lake. Also the surrounding landscape affects the formation of the meteorological fields over the lake and the energy input. For small lakes the shading by the shores affects both over the lake and inside the water body bringing limitations for the one-dimensional approach.

A two-layer model gives an approximation for the basic stratification in the lake. A turbulence model can simulate vertical temperature profile in a more detailed way. If the shape of the temperature profile is very abrupt, vertical transfer is hindered, having many important consequences for lake biology.

One-dimensional modelling approach was successfully studied comparing a one-layer model, a two-layer model and a turbulence model. The turbulence model was applied to lakes with different sizes, shapes and locations. Lake models need data from the lakes for model adjustment. The use of the meteorological input data on different scales was analysed, ranging from momentary turbulent changes over the lake to the use of the synoptical data with three hour intervals. Data over about 100 past years were used on the mesoscale at the range of about 100 km and climate change scenarios for future changes. Increasing air temperature typically increases water temperature in epilimnion and decreases ice cover. Lake ice data were used for modelling different kinds of lakes. They were also analyzed statistically in global context. The results were also compared with results of a hydrological watershed model and data from very small lakes for seasonal development.

Odotettavissa tuhansien järvien maassa

Järvien lämpötilojen ja jääpeitteen laskentamenetelmät ovat parantuneet, kun suomalaista aineistoa on käytetty kansainvälisessä tutkimuksessa. Erityisesti voidaan laskea lämpötilan vaihtelu eri syvyyksillä ja siten selvittää vesirungossa tapahtuvaa vaihtoa. Tulevaisuudessa voimme odottaa lämpimämpiä vesiä ja vähemmän jäätä.

Veden pystysuuntainen lämpötilavaihtelu vaikuttaa oleellisesti järven oloihin ja elämään. Jakaumaan vaikuttavat järven morfologiset piirteet, kuten suuruus ja muoto. Myös ympäröivän maaston muoto kuuluu näihin piirteisiin ja vaikuttaa paikalliseen ilmastoon.

Nyt valmistuvassa väitöksessä on tutkittu morfologisten piirteiden ja ilmaston yhteisvaikutusta käytettäessä numeerisia malleja. Järviä on kuvattu sekä pintapisteenä, kaksikerroksisena laatikkona että laskemalla syvyysjakaumaa turbulenssimallin avulla. Vertailulaskelmia on tehty myös käyttäen hydrologista vesistömallia ja erittäin pienten järvien lämpötilatietoja.

Mallien muodostuksessa tarvitaan järviltä koottua havaintoaineistoa. Erityisesti pienillä järvillä rannat varjostavat merkittävästi. Järviltä on koottu tietoja lämpötilasta eri syvyyksiltä sekä meteorologisia havaintoja. Talvella tuuli voi särkeä ohuen jään, mutta ilman lämpötila määrää jääpeitteen pääpiirteet.

Jääpeite kertoo ilmastosta jopa silloin, kun lämpötilaa ei ole mitattu. Tällaisia pitkiä sarjoja löytyy Suomesta, ja niitä on analysoitu myös kansainvälisesti. Tässä tutkimuksessa erityinen paino on ollut pohjoismaisten olojen analysoinnissa ja suomalaisen runsaan järvi- ja ilmastoaineiston käytössä erityyppisten järvien mallitukseen.

Aineistoa on analysoitu ja mallituksessa käytetty noin sadan viimeisen vuoden ajalta. Myös lämpötilaolojen kehittymistä tulevina vuosina on analysoitu laadittujen skenaarioiden avulla, aina noin sadan vuoden päähän.

Tulevaisuudessakin voimme odottaa lämpimämpiä talvia ja niiden myötä myöhempää ja ohuempaa jäätä. Tällä on myös suotuisia vaikutuksia, esimerkiksi syvänteet voivat helpommin hapettua. Ihmisille suurimpia vaikutuksia tulee siitä, että jäällä liikkuminen on vaarallisempaa, ja esimerkiksi talvikalastus vaikeutuu.

Kesäisin taas lämpötilan nousu aiheuttaa lähinnä voimistuvaa kerrostuneisuutta ja pintavesien lämpenemistä. Tämä taas voi lisätä leväkukintoja monine kiusallisine vaikutuksineen. Ilmaston lämpenemiseen voidaan vaikuttaa vain hitaasti vähentämällä päästöjä ilmakehään, mutta vesien rehevöitymiseen voidaan onneksi vaikuttaa nopeasti vähentämällä ravinnekuormitusta.