Climate sensitivity of a large lake

Abstract

Lakes are complex ecosystems that are on the one hand more or less enclosed by defined borders, but are on the other hand connected to their environment, especially to their catchment and the atmosphere. This study is examinig the climate sensitivity of large lakes using Lake Constance as an example. The lake is situated in Central Europe at the northern edge of the Alps, at the boundary of Austria, Germany and Switzerland. The maximum depth is 235 m, the total surface area is 535 km³ and the total volume 48.45 km². The numerical simulations in this study have been performed with the lake model system ELCOM-CAEDYM. The model system was validated using three different data sets: Observations of a turbid underflow after a flood flow in the main tributary, a lake-wide field campaign of temperature and phytoplankton, and long term monitoring data of temperature and oxygen in the hypolimion. The model system proved to be able to reproduce the effects of a flood flow in the largest tributary,. A huge turbid underflow was observed flowing into the main basin after an intense rain event in the Alps in August 2005. A numerical experiment showed the influence of the earth’s rotation on the flow path of the riverine water within the lake. The model also reproduced the temperature evolution and distribution and to some extent the phytoplankton patchiness measured in spring 2007 during an intensive field campaign. The model reproduced the measured time series of temperature and oxygen in the deep hypolimnion measured in the years 1980-2000. This indicates, that the vertical mixing and the lake’s cycle of mixing and stratification was reproduced correctly.

Based on the model set-up validated with long term monitoring data, climate scenario simulations were run. The main focus was on temperature and oxygen concentrations in the hypolimnion, the cycle of stratification and mixing, and the heat budget of the lake. The meteorological boundary conditions for the climate scenario simulations were generated using a weather generator instead of downscaling climate projections from Global Climate Models. This approach gives the possibility to change different characteristics of the climate independently. The resulting lake model simulations are ”what-if”-scenarios rather than predictions, helping to obtain a deeper understanding of the processes in the lake. The main results can be summarized as follows: An increase in air temperature leads to an increase in water temperature, especially in the upper layers. The deep water temperature increases as well, but not to the same extent as the temperature of the epilimnion. This results in an increased vertical temperature difference. Due to the non-linear shape of the temperature-density curve, the difference in density grows even stronger than the temperature difference. This results in enhanced stratification stability, and consequently in less mixing. Complete mixing of the lake becomes more seldom in a warmer climate, but even in the scenario simulations with air temperature increased by 5 °C, full circulation took place every 3-4 years. Less complete mixing events lead to less oxygen in the hypolimnion. Additionally, as many biogeochemical processes are temperature dependant, the oxygen consumption rate is larger in warmer water. In the context of this study, climate variability is defined as episodes with daily average air temperatures deviating from the long-term average for this day of year. The episodes can be described by their duration in days and their amplitude in °C. Changes in climate variability can have very different effects, depending on the average air and water temperatures. The effects are stronger in lakes with higher water temperatures: For the hypolimnetic conditions, the seasonality in warming is important: Increasing winter air temperatures have a much stronger effect on the water temperatures in the lake than increasing summer temperatures. The combined effects of a warmer climate and higher nutrient concentrations enhances oxygen depletion in the hypolimnion. Finally, it is discussed, to what extent the results of this study are transferrable to other lakes. The reactions of Lake Constance to climate change are determined by the physical, geographical and ecological characteristics of the lake. Hydrodynamic reactions are defined by the mixing type, water temperatures and the residence time of the water in the lake. Furthermore it is important that the lake is almost never completely ice-covered, and that there are only minor salinity differences. The reactions of the ecosystem are determined also by the oligotrophic state of the lake. Results of this study thus can be transferred to other deep, monomictic, oligotrophic fresh water lakes, as for example the other large perialpine lakes of glacial origin.

Seen sind komplexe Ökosysteme, die einerseits durch die definierten Grenzen in sich einigermaßen abgeschlossen sind, andererseits auf mannigfaltige Weise mit der Umwelt, vor allem mit ihrem hydrologischen Einzugsgebiet und der Atmosphäre verknüpft sind. Diese Arbeit behandelt die Klimasensitivität großer Seen am Beispiel des Bodensees. Der See liegt an der Grenze der Länder Österreich, Schweiz und Deutschland. Er ist maximal 253 m tief, hat eine Oberfläche von insgesamt 535 km2 und ein Volumen von 48.45 km3. In dieser Arbeit wurden die numerischen Modelle ELCOM und CAEDYM verwendet. Zur Validierung der Modelle wurden drei verschiedene Datensätze verwendet: Beobachtungen an einem trüben Dichtestrom im See nach einem Hochwasser im Alpenrhein, eine seeweite Messkampagne zur Verteilung von Phytoplankton und Temperatur, sowie Langzeitbeobachtungen zu Temperatur und Sauerstoff im Hypolimnion. Im August 2005 führte der Alpenrhein nach einem Starkregen in den Alpen Hochwasser. Die große Schwebstofffracht erhöhte die Dichte des Flusswassers so stark, dass es im See als Trübestrom am Grund entlang bis zum tiefsten Punkt floss. Mit Hilfe der Modelle ELCOM und CAEDYM konnte der Weg des Flusswassers im See und die Verteilung der sedimentierten Schwebstoffe am Grund nachgebildet werden. Ein Simulationsexperiment belegte den Einfluss der Corioliskraft auf den Dichtestrom und die Verteilung der Sedimente. Im Frühjahr 2007 fand am Bodensee eine Messkampagne zur Erfassung der dreidimensionale Verteilung von Wassertemperatur und Plankton statt. Der Vergleich der Messdaten mit den Ergebnissen einer Simulation dieses Zeitraums zeigt, dass das Modell die physikalisch bedingten Unterschiede in der Phytoplanktonverteilung gut erfasst, die aufgrund von internen und zufälligen Faktoren jedoch weniger. Das Modell bildete die in den Jahren 1980-2000 gemessenen Zeitreihen von Temperatur und Sauerstoff im Hypolimnion korrekt nach. Dies deutet darauf hin, dass die vertikalen Mischungsprozesse im Modell richtig wiedergegeben werden. Ausgehend von dem Modellaufbau für die Jahre 1980-2000 wurden Klimaszenariensimulationen durchgeführt. Das Augenmerk lag dabei in erster Linie auf der Entwicklung von Temperatur und Sauerstoffkonzentration im Tiefenwasser und damit auf den vertikalen Schichtungs- und Durchmischungsprozessen, sowie auf dem Wärmehaushalt des Sees. Die meteorologischen Randbedingungen für die Klimaszenarien wurden mit Hilfe eines Wettergenerators erzeugt. Eine andere Möglichkeit wäre gewesen, Ergebnisse von Szenarienrechnungen globaler Klimamodelle (Global Circulation Models GCM) zu verwenden. Die Verwendung eines Wettergenerators hat demgegenüber den Vorteil, dass verschiedene klimatische Kenngrößen unabhängig voneinander beliebig variiert werden können. Die Ergebnisse dieser Studie sind nicht als Prognosen zu interpretieren, sondern als ”was-wäre-wenn”-Szenarien, die durchgeführt wurden, um die Vorgänge im See besser zu verstehen. Die Studie führte zu den folgenden Erkenntnissen: Eine Erhöhung der mittleren Lufttemperatur führt zu einer Erwärmung des Sees. Da die Wärmezufuhr von oben erfolgt, erwärmen sich die oberen Wasserschichten stärker und schneller als das Tiefenwasser. Das verstärkt die vertikalen Temperaturunterschiede und damit auch die Stabilität der Dichteschichtung. Dadurch wird eine vollständige Durchmischung des Sees etwas seltener. Allerdings findet auch in einem um 5°C wärmeren Klima noch etwa alle 4 Jahre eine vollständige Durchmischung statt. Die Wassertemperatur bei ungeschichteten Verhältnissen im Winter und damit auch die Wassertemperatur im Hypolimnion erhöht sich um etwa 2.5 °C. Während der geschichteten Phasen ohne Tiefenwassererneuerung wird dem Hypolimnion kein Sauerstoff zugeführt. Gleichzeitig laufen wegen der höheren Wassertemperatur viele biochemische Vorgänge schneller ab, was die Sauerstoffzehrung beschleunigt. Die Aufenthaltszeit des Wassers im Hypolimnion erhöht sich mit zunehmender Lufttemperatur. Für die Auswirkungen auf das Tiefenwasser ist es entscheidend, zu welcher Jahreszeit die Erwärmung stattfindet. Wärmere Winter haben einen stärkeren Effekt als wärmere Sommer. Klimatische Variabilität wurde im Rahmen dieser Studie definiert als Episoden, in denen die Lufttemperatur über beziehungsweise unter dem langjährigen Mittelwert für diesen Tag im Jahr liegt. Diese klimatische Variabilität kann mit zwei Zahlen beschrieben werden: der mittleren Länge der Episoden in Tagen und der Standardabweichung der Temperaturabweichung in °C. Die Auswirkungen einer erhöhten klimatischen Variabilität sind in wärmeren Seen stärker.

Zum Schluss wird erörtert, inwieweit die Ergebnisse dieser Studie auch für andere Seen als den Bodensee gelten. Die Reaktionen des Bodensees auf den Klimawandel werden von seinen physikalischen, geographischen und ökologischen Eigenschaften bestimmt. Dem Bodensee in vieler Hinsicht am ähnlichsten sind die anderen Seen des Voralpenlands.