Internal dynamics of a medium-sized subarctic lake: field measurements and numerical modeling

Abstract

As the Arctic Circle opens up due to the effects of global warming, the surrounding regions, and in particular the subarctic zone, experience both climatic and societal changes, which makes it imperative to understand the existing ecosystems. Lake Lagarfljót, an Icelandic fjord lake with glacial inflow, is used to evaluate processes occurring in weakly stratified water bodies in the sub-Arctic. Field observations during the summers of 2010 and 2011 show that the lake experiences a short period of stratification, with overturning occurring when the heat fluxes become negative. The internal-wave regime evolves rapidly as the stratification strengthens, higher vertical modes and Kelvin waves are identified. Glacial inflow to Lake Lagarfljót delivers large volumes of fine sediment. It is expected that most of the sediments remain in suspension and this can alter the density of the water-column, resulting in inverse thermal gradients. Additionally, the glacial river is deflected to the eastern edge of the lake by Coriolis forces, causing the inflow to remain in shallow water before entering the center of the lake. Results from the Münnich model demonstrate that the natural oscillation of the lake basin is close to the oscillation period of the wind. The 3D hydrodynamic model Si3D was adapted to account for suspended sediment, and it successfully reproduced the motions observed in the lake, showing its utility for the study of weakly stratified lakes. Results suggest that wind is the main driver of internal waves in Lake Lagarfljót, but that the river influences stratification, meaning that it cannot be ignored when considering lake circulation. The model confirms the presence of Kelvin waves in the basin. Tracking the pathways of the inflowing glacial water, it appears that the initial intrusion depth is dependent on internal waves. During summertime stratification, the river penetrates the lake as interflows or underflows. Underflows can become trapped, causing them to oscillate and becoming flushed episodically when large glacial discharges enter the lake as underflow. Water entering the lake as interflow mixes more easily and it is flushed quasi-continuously out of the basin. Because the circulation of Lake Lagarfljót is sensitive to the strength of the stratification, the internal dynamics of the lake are expected to change significantly in a warming climate.

Hlýnun jarðar hefur mikil áhrif á Norðurskautssvæðinu og þar eru að opnast nýir möguleikar til samgangna og annarra athafna. Hlýnuninni fylgja miklar veðurfars- og samfélagsbreytingar á aðliggjandi svæðum, einkanlega í kaldtempraða beltinu. Áríðandi er að auka skilning á ýmsum vistkerfum á þessu belti og viðbrögðum þeirra við hlýrra loftslagi. Í ritgerð þessari er gerð grein fyrir rannsókn á lagskiptingu í stöðuvatninu Leginum, sem er jökulmyndað vatn efst í Lagarfljóti á Héraði. Vettvangsrannsóknir sem gerðar voru á Leginum sumurin 2010 og 2011 sýna skammæja lagskiptingu sem hverfur þegar hitaflæði verður neikvætt. Innri bylgjukerfi í vatnsbolnum þróast hratt þegar lagskipting styrkist, lóðrétt streymi eykst og Kelvin bylgjur eru sjáanlegar. Jökulsá í Fljótsdal ber með sér mikið magn fíngerðra setagna í Löginn. Viðbúið er að mest af setögnunum haldist í sviflausn og getur það breytt eðlisþyngd vatnssúlunnar, sem veldur viðsnúnum hitastigli. Þar að auki sveigist straumur jökulvatns að eystri bakka Lagarins vegna Coriolis kraftsins og helst því lengur á grynningum en ella áður en það rennur út á mitt stöðuvatnið. Niðurstöður úr Münnich líkaninu sýna að náttúrulegar sveiflur í vatninu eru nálægt sveiflutíma vinds. Þrívíða straumfræðilega reiknilíkanið Si3D var aðlagað til að taka tillit til svifagna. Líkanið endurspeglar innri hreyfingar sem mælast í vatninu og sýnir rannsóknin því fram á nytsemi þessa líkans við greiningu veikrar lagskiptingar í stöðuvötnum. Niðurstöður benda til þess að vindur sé helsti drifkraftur innri bylgjuhreyfinga Lagarins. Áhrif innstreymis Jökulsár á hringrásina í vatninu og þar með á lagskiptinguna eru einnig veruleg. Líkanið staðfestir tilvist Kelvin bylgna í vatninu. Þegar fylgst er með hvernig Jökulsá í Fljótsdal blandast við vatnið virðist innstreymisdýptin í vatnsbolnum vera háð innri bylgjuhreyfingum hans. Við þá lagskiptingu sem ríkir á sumrin rennur áin inn í vatnið sem innra flæði um miðbik vatnsins og eftir botninum sem undirflæði. Vatn sem rennur eftir botninum getur lokast þar af og dýpi þess sveiflast til. Innikróað vatn skolast svo út stöku sinnum þegar mikið af nýju jökulvatni rennur eftir botni vatnsins. Jökulvatn sem berst í vatnið sem innra flæði um miðbik þess blandast betur og skolast nokkuð jafnt út úr því aftur. Þar sem vatnshringrásin í Leginum er háð styrkleika lagskiptingarinnar er viðbúið að innri hrif muni breytast verulega við hækkandi vatnshita.