Параметры устойчивости водной толщи небольшого полимиктического озера в разные по погодным условиям годы

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Режим перемешивания озер оказывает большое влияние на многие аспекты функционирования водных экосистем, что обусловливает актуальность выявления изменений устойчивости водной толщи под влиянием климатических факторов. В данной работе изучена устойчивость водной толщи небольшого оз. Вендюрское (юг Карелии) в период открытой воды в разные по погодным условиям годы. По данным измерений температуры воды в 2008–2013 и 2015–2022 гг. на автономной станции (термокосе) на центральной вертикали озера оценена продолжительность стратификации и устойчивость водной толщи по таким критериям, как разница температуры по водному столбу в 1 и 2°С, и по пороговым значениям устойчивости Шмидта, числа Веддерберна и озерного числа (Lake Number). Для исследования роли радиационного перемешивания в ослаблении устойчивости водной толщи озера проанализирована сезонная и межгодовая изменчивость разности температуры верхнего слоя озера и воздуха по данным ре-анализа ERA-5. Для детального анализа этого параметра для каждого года была построена соответствующая функция плотности распределения и рассчитаны ее основные характеристики. Показано, что, несмотря на продолжающееся региональное потепление и рост температуры воздуха и верхнего слоя воды оз. Вендюрского, усиления устойчивости в период 2008–2022 гг. не произошло. Сдерживающими факторами могут быть усиление конвективного перемешивания за счет радиационного выхолаживания, а также рост ветровой нагрузки на водоем.

Full Text

Restricted Access

About the authors

С. И. Смирнов

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Author for correspondence.
Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Russian Federation, Петрозаводск

Р. Э. Здоровеннов

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Russian Federation, Петрозаводск

Т. В. Ефремова

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Russian Federation, Петрозаводск

Н. И. Пальшин

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Russian Federation, Петрозаводск

А. А. Смирновский

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Russian Federation, Санкт-Петербург

С. Р. Богданов

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Russian Federation, Петрозаводск

А. Ю. Тержевик

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Russian Federation, Петрозаводск

Г. Э. Здоровеннова

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Russian Federation, Петрозаводск

References

  1. Богданов С.Р., Пальшин Н.И., Здоровеннов Р.Э., Митрохов А.В., Кузнецов П.С., Новикова Ю.С., Здоровеннова Г.Э. Оценка эффективности перемешивания озера при поверхностном выхолаживании // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2023. Т. 16. № 2. С. 73–88.
  2. Булыгина О.Н., Веселов В.М., Разуваев В.Н., Александрова Т.М. Описание массива срочных данных об основных метеорологических параметрах на станциях России. Свид. о гос. регистрации базы данных № 2014620549. http://meteo.ru/data/163-basic-parameters#описание-массива-данных
  3. Булыгина О.Н., Коршунова Н.Н., Разуваев В.Н. Изменение режима ветра на территории России в последние десятилетия // Тр. ГГО. 2013. Вып. 568. С. 156–172.
  4. Гавриленко Г.Г., Здоровеннова Г.Э., Волков С.Ю., Богданов С.Р., Здоровеннов Р.Э. Устойчивость водной массы и ее влияние на кислородный режим полимиктического озера // Геополитика и экогеодинамика регионов. 2018. T. 4 (14). № 1. C. 57–71.
  5. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2022 год. М.: Росгидромет, 2023. 104 с.
  6. Мохов И.И. Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования // Вестн. РАН. 2022.Т. 92. № 1. С. 3–14.
  7. Назарова Л.Е. Климатические условия на территории Карелии // Современные исследования водоемов Севера: учебное пособие. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2021. С. 7–16.
  8. Оценочный доклад об изменении климата и их последствиях на территории Российской Федерации. М.: Росгидромет, 2008. Т. 1. 228 с.
  9. Расписание погоды. http://rp5.ru (дата обращения: 9 марта 2023 г.)
  10. Суховило Н.Ю. Влияние метеорологических и климатических условий на термодинамические процессы в разнотипных озерах Беларуси // Acta Geographica Silesiana. 2019. T. 13/3. № 35. С. 47–60.
  11. Суховило Н.Ю., Власов Б.П., Новик А.А. Динамические критерии оценки устойчивости озерных экосистем Белорусского Поозерья к внешнему воздействию // Журн. Белорусского гос. ун-та. География. Геология. 2018. T. 2. C. 13–24.
  12. Третий оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Росгидромет. СПб.: Наукоемкие технологии, 2022. 676 с.
  13. Climate Data Store. ERA5 hourly data on single levels from 1979 to present. https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=overview (дата обращения: 11.11.2022 г.)
  14. Desgué-Itier O., Melo Vieira Soares L., Anneville O., Bouffard D., Chanudet V., Danis P. A., Domaizon I., Guillard J., Mazure T., Sharaf N., Soulignac F., Tran-Khac V., Vinçon-Leite B., Jenny J.-P. Past and future climate change effects on the thermal regime and oxygen solubility of four peri-alpine lakes // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2023. V. 27. P. 837–859.
  15. Engelhardt С., Kirillin G. Criteria for the onset and breakup of summer lake stratification based on routine temperature measurements // Fundam. Appl. Limnol. 2014. V. 184. P. 183–194.
  16. Gloor M., Wüest A., Imboden D.M. Dynamics of mixed bottom boundary layers and its implications for diapycnal transport in a stratified, natural water basin // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. P. 8629–8646.
  17. Guseva S., Casper P., Sachs T., Spank U., Lorke A. Energy Flux Paths in Lakes and Reservoirs. // Water. 2021. V. 13. P. 3270.
  18. Idso S.B. On the concept of lake stability// Limnol. Oceanogr. 1973. V. 18. P. 681–683.
  19. Imberger J., Patterson J.C. Physical limnology // Advanc. Appl. Mech. 1990. V. 27. P. 303–475.
  20. Jane S.F., Hansen G.J.A., Kraemer B.M., Leavitt P.R., Mincer J.L., North R.L., Pilla R.M., Stetler J.T., Williamson C.E., Woolway R.I., Arvola L., Chandra S., DeGasperi C.L., Diemer L., Dunalska J., Erina O., Flaim G., Grossart H.-P., Hambright K.D., Hein C., Hejzlar J., Janus L.L., Jenny J.-P., Jones J.R., Knoll L.B., Leoni B., Mackay E., Matsuzaki S.-I.S., McBride C., Müller-Navarra D.C., Paterson A.M., Pierson D., Rogora M., Rusak J.A., Sadro S., Saulnier-Talbot E., Schmid M., Sommaruga R., Thiery W., Verburg P., Weathers K.C., Weyhenmeyer G.A., Yokota K., Rose K.C. Widespread deoxygenation of temperate lakes // Nature. 2021. V. 594. P. 66–70.
  21. Mammarella I., Gavrylenko G., Zdorovennova G., Ojala A., Erkkilä K.-M., Zdorovennov R., Stepanyuk O., Palshin N., Terzhevik A., Vesala T., Heiskanen J. Effects of similar weather patterns on the thermal stratification, mixing regimes and hypolimnetic oxygen depletion in two boreal lakes with different water transparency // Boreal Env. Res. 2018. V. 23. P. 237–247.
  22. Mironov D., Heise E., Kourzeneva E., Ritter B., Schneider N., Terzhevik A. Implementation of the lake parameterization scheme FLake into the numerical weather prediction model COSMO // Boreal Env. Res. 2010. V. 15. P. 218–230.
  23. North R.P., North R.L., Livingstone D.M., Köster O., Kipfer R. Long-term changes in hypoxia and soluble reactive phosphorus in the hypolimnion of a large temperate lake: consequences of a climate regime shift // Glob. Change Biol. 2014. V. 20. P. 811–823.
  24. O’Reilly C.M., Sharma S., Gray D.K., Hampton S.E., Read J.S., Rowley R.J., Schneider P., Lenters J.D., McIntyre P.B., Kraemer B.M., Weyhenmeyer G.A., Straile D., Dong B., Adrian R., Allan M.G., Anneville O., Arvola L., Austin J., Bailey J.L., Baron J.S., Brookes J.D., de Eyto E., Dokulil M.T., Hamilton D.P., Havens K., Hetherington A.L., Higgins S.N., Hook S., Izmest’eva L.R., Joehnk K.D., Kangur K., Kasprzak P., Kumagai M., Kuusisto E., Leshkevich G., Livingstone D.M., MacIntyre S., May L., Melack J.M., Mueller-Navarra D.C., Naumenko M., Noges P., Noges T., North R.P., Plisnier P.-D., Rigosi A., Rimmer A., Rogora M., Rudstam L.G., Rusak J.A., Salmaso N., Samal N.R., Schindler D.E., Schladow S.G., Schmid M., Schmidt S.R., Silow E., Soylu M.E., Teubner R., Verburg P., Voutilainen A., Watkinson A., Williamson C.E., Zhang G. Rapid and highly variable warming of lake surface waters around the globe // Geophys. Res. Lett. 2015. V. 42. P. 10773–10781.
  25. Piccioni F., Casenave C., Lemaire B.J., Le Moigne P., Dubois P., Vinçon-Leite B. The thermal response of small and shallow lakes to climate change: new insights from 3D hindcast modelling // Earth Syst. Dynam. 2021. V. 12. P. 439–456.
  26. Pilla R.M., Williamson C.E., Adamovich B.V., Adrian R., Anneville O., Chandra S., Colom-Montero W., Devlin S.P., Dix M.A., Dokulil M.T., Gaiser E.E., Girdner S.F., David Hambright K., Hamilton D.P., Havens K., Hessen D.O., Higgins S.N., Huttula T.H., Huuskonen H., Isles P.D.F., Joehnk K.D., Jones I.D., Bill Keller W., Knoll L.B., Korhonen J., Kraemer B.M., Leavitt P.R., Lepori F., Luger M.S., Maberly S.C., Melack J.M., Melles S.J., Müller-Navarra D.C., Pierson D.C., Pislegina H.V., Plisnier P.-D., Richardson D.C., Rimmer A., Rogora M., Rusak J.A., Sadro S., Salmaso N., Saros J.E., Saulnier-Talbot É., Schindler D.E., Schmid M., Shimaraeva S.V., Silow E.A., Sitoki L.M., Sommaruga R., Straile D., Strock K.E., Thiery W., Timofeyev M.A., Verburg P., Vinebrooke R.D., Weyhenmeyer G.A., Zadereev E. Deeper waters are changing less consistently than surface waters in a global analysis of 102 lakes // Sci. Rep. 2020. V. 10. Р. 20514.
  27. Råman Vinnå L., Medhaug I., Schmid M., Bouffard D. The vulnerability of lakes to climate change along an altitudinal gradient // Commun. Earth Environ. 2021. V 2. № 35.
  28. Read J.S., Hamilton D.P., Jones I.D., Muraoka K., Winslow L.A., Kroiss R., Wu C.H., Gaiser E. Derivation of lake mixing and stratification indices from high-resolution lake buoy data // Environ. Model. Software. 2011. V. 26. P. 1325–1336.
  29. Robertson D.M., Imberger J. Lake Number, a Quantitative Indicator of Mixing Used to Estimate Changes in Dissolved Oxygen // Int. Rev. Hydrobiol. 1994. V. 79. P. 159–176.
  30. Robertson D., Ragotzkie R. Changes in the thermal structure of moderate to large sized lakes in response to changes in air temperature // Aquat. Sci. 1990. V. 52. P. 360–380.
  31. Shatwell T., Thiery W., Kirillin G. Future projections of temperature and mixing regime of European temperate lakes // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2019. V. 23. P. 1533–1551.
  32. Stainsby E.A., Winter J.G., Jarjanazi H., Paterson A.M., Evans D.O., Young J.D. Changes in the thermal stability of Lake Simcoe from 1980 to 2008 // J. Great Lakes Res. 2011. V. 37. P. 55–62.
  33. Thompson R.O.R.Y., Imberger J. Response of a numerical model of a stratified lake to wind stress // Proc. 2nd Int. Symp. Stratified Flows. Trondheim, 1980. V. 1. P. 562–570.
  34. Wilhelm S., Adrian R. Impact of summer warming on the thermal characteristics of a polymictic lake and consequences for oxygen, nutrients and phytoplankton // Freshwater Biol. 2008. V. 53. P. 226–237.
  35. Winslow L.A., Read J.S., Hansen G.J.A., Rose K.C., Robertson D.M. Seasonality of change: Summer warming rates do not fully represent effects of climate change on lake temperatures // Limnol. Oceanogr. 2017 V. 62. P. 2168–2178.
  36. Woolway R.I., Sharma S., Weyhenmeyer G.A., Debolskiy A., Golub M., Mercado-Bettín D., Perroud M., Stepanenko V., Tan Z., Grant L., Ladwig R., Mesman J., Moore T.N., Shatwell T., Vanderkelen I., Austin J.A., DeGasperi C.L., Dokulil M., La Fuente S., Mackay E.B., Schladow S.G., Watanabe S., Marcé R., Pierson D.C., Thiery W., Jennings E. Phenological shifts in lake stratification under climate change // Nat. Commun. 2021. V. 12. P. 2318.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Water temperature in the central deep-water part of Lake Vendyursky in different weather years. The 18°C isotherm is signed. The left panels show years with prolonged stratification, while the right panels show years with recurrent episodes of water column mixing

Download (378KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Stability of the water column of Lake Vendyursky in different weather years: (a) - Schmidt stability St, (b) - lake number LN, (c) - Wedderburn number W

Download (149KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Correspondence between St (a) and W (b) values and the difference in water temperature between the upper (TWS) and bottom (TPS) layers of the water column for all years of measurements from May to October. 1 and 7 - St and W values corresponding to a water column temperature difference of ~1°C; 2 and 8 - St and W values corresponding to a water column temperature difference of ~2°C; 3-6 - temperature difference corresponding to characteristic St values of ~5, ~10, ~20 and ~30 J/m2, respectively; 9 and 10 - temperature difference corresponding to characteristic W values of ~3 and W ~10, respectively

Download (74KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Number of days in different years in the period from 20 May to 30 September with characteristic values of stratification and stability parameters of the water column of Lake Vendyursky. Vendyursky: (a) - water column temperature difference of 1°C (1) and 2°C (2); (b) - St > 5 J/m2 (3), St > 10 J/m2 (4), St > 20 J/m2 (5) and St > 30 J/m2 (6); (c) - LN > 1 (7), (d) - W > 3 (8) and W > 10 (9)

Download (266KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. a - mean values of air temperature (1) from 20 May to 30 September according to reanalysis data and water temperature (2) of the upper layer of Lake Vendyursky; b - difference of the upper water temperature and air temperature (3) in different years. Direct - linear trends

Download (101KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. a - mean values of bottom layer water temperature (BWT) of Lake Vendyursky for the period from 20 May to 30 September: b - difference of upper and bottom layer water temperature (TWS-BWT) in different years. Straight - linear trends

Download (88KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Density distribution function of the difference between the upper layer water temperature of Lake Vendyursky and the air temperature according to the reanalysis data in different years. Symbols - measurement data, curves - normal distribution

Download (229KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Dispersion σ2 (1) and asymmetry S (2) of the parameter ∆T in different years

Download (110KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. 1 - difference of water temperature of the upper (TVS) and bottom (TPS) layers of Lake Vendyursky and their corresponding St values for all years of measurements; 2 - dependence calculated taking into account characteristic values H = 5.3 m (mean depth of Lake Vendyursky) and α ~ 2×10-4 °C-1

Download (125KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».