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

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

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.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. И. Смирнов

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Россия, Петрозаводск

Р. Э. Здоровеннов

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Россия, Петрозаводск

Т. В. Ефремова

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Россия, Петрозаводск

Н. И. Пальшин

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Россия, Петрозаводск

А. А. Смирновский

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург

С. Р. Богданов

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Россия, Петрозаводск

А. Ю. Тержевик

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Россия, Петрозаводск

Г. Э. Здоровеннова

Институт водных проблем Севера КарНЦ РАН

Email: sergeysmirnov92@mail.ru
Россия, Петрозаводск

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Температура воды в центральной глубоководной части оз. Вендюрского в разные по погодным условиям годы. Подписана изотерма 18°С. На левых панелях показаны годы с продолжительной стратификацией, на правых – с повторяющимися эпизодами перемешивания водной толщи

Скачать (378KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Устойчивость водной толщи оз. Вендюрского в разные по погодным условиям годы: (а) – устойчивость Шмидта St, (б) – озерное число LN, (в) – число Веддерберна W

Скачать (149KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Соответствие между значениями St (а) и W (б) и разницей температуры воды между верхним (ТВС) и придонным (ТПС) слоями водной толщи за все годы измерений с мая по октябрь. 1 и 7 – значения St и W, соответствующие разнице температуры по водному столбу ~1°С; 2 и 8 – значения St и W, соответствующие разнице температуры по водному столбу ~2°С; 3–6 – разница температуры, соответствующая характерным значениям St ~5, ~10, ~20 и ~30 Дж/м2 соответственно; 9 и 10 – разница температуры, соответствующая характерным значениям W ~3 и W ~10 соответственно

Скачать (74KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Количество суток в разные годы в период с 20 мая по 30 сентября с характерными значениями параметров стратификации и устойчивости водной толщи оз. Вендюрского: (а) – разница температуры по водному столбу в 1°С (1) и 2°С (2); (б) – St > 5 Дж/м2 (3), St > 10 Дж/м2 (4), St > 20 Дж/м2 (5) и St > 30 Дж/м2 (6); (в) – LN > 1 (7), (г) – W > 3 (8) и W > 10 (9)

Скачать (266KB)
Метаданные
6. Рис. 5. а – средние за период с 20 мая по 30 сентября значения температуры воздуха (1) по данным реанализа и температуры воды (2) верхнего слоя оз. Вендюрского; б – разница температуры верхнего слоя воды и температуры воздуха (3) в разные годы. Прямые – линейные тренды

Скачать (101KB)
Метаданные
7. Рис. 6. а – средние за период с 20 мая по 30 сентября значения температуры воды придонного слоя (ТПС) оз. Вендюрского: б – разница температуры воды верхнего и придонного слоев (ТВС–ТПС) в разные годы. Прямые – линейные тренды

Скачать (88KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Функция плотности распределения разницы температуры воды верхнего слоя оз. Вендюрского и температуры воздуха по данным реанализа в разные годы. Символы – данные измерений, кривые – нормальное распределение

Скачать (229KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Дисперсия σ2 (1) и асимметрия S (2) параметра ∆T в разные годы

Скачать (110KB)
Метаданные
10. Рис. 9. 1 – разница температуры воды верхнего (ТВС) и придонного (ТПС) слоев оз. Вендюрского и соответствующие им значения St за все годы измерений; 2 – зависимость, рассчитанная с учетом характерных значений H = 5.3 м (средняя глубина оз. Вендюрского) и α ~ 2×10–4 °C–1

Скачать (125KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

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».