The influence of future climate on circulation patterns in the Ekoln basin - a modelling study based on MIKE 3 FM

For centuries in the future, the climate on Earth will be affected by the global warming.Effects as melting ices, increasing sea levels and extreme weather, are all consequencesof the high amount of carbon dioxide (CO2), that we humans have caused. In Sweden,can climate effects like higher temperatures, longer vegetation periods and greaterseasonal variations in water fluxes, be expected. Due to climate changes and anincreasing population, the drinking water production in Uppsala will be affected. Interms of securing the drinking water production in the future, Uppsala Vatten och Avfall AB are investigating the possibility to use the Ekoln basin in lake Mälaren, as acomplementary raw water catchment area. In order to keep a secure drinking water production, in regard to quantity and quality, itis of interest to investigate how fluxes and water quality will be affected in the future.The annual pattern of water mixing, with summer- and winter stratification, and overturnduring spring and autumn, is something that significantly affects the water quality in theSwedish lakes. With the aim to study how the annual pattern of water mixing in theEkoln basin, might change due to future climate changes, hydrodynamic modelling wasperformed on a model area consisting of the Ekoln basin with adjacently bays. A hydrodynamic (3D) transport model of type MIKE 3 Flow Model FM, created byTyréns AB for simulating transport of pollutions, was calibrated and adapted to simulatetemperature profiles in the model area. To be able to study the annual pattern of watermixing, the model was also adapted to simulate a period of a year. Three scenarios weresimulated, one reference year and two future scenarios, where the future scenarios werebased on the climate scenarios RCP4.5 and RCP8.5 in year 2050. The calibration of the model was successful, and the calculation time was reduced byadapting the mesh. Results from the three scenarios, showed that the period with summerstratification might become nine days longer by RCP4.5 in year 2050, compared to thereference scenario. Simulation of RCP8.5 during the same time period, did not showany changes. By RCP8.5 it is possible that water temperatures in the epilimnion, areincreasing and that there will be no winter stratification. The temperature in the surfacewater are affected by the air temperature, in future studies it is in interest to investigatehow stratification and cirkulation will be affected by changes in wind speed and winddirection, how different types of wind data effect the results, it is also in interest to studychanges during a time period longer than one year.Den globala uppvärmningen kommer att påverka Jordens klimat i många sekel framöver.Effekter som smältande isar, stigande havsnivåer och extremare väder, är allakonsekvenser av de enorma utsläpp koldioxid (CO2), som vi människor orsakat. ISverige kan vi i framtiden vänta oss varmare temperaturer, längre vegetationsperioderoch flöden med stora säsongsvariationer. I Uppsala kommer de framtidaklimatförändringarna i samverkan med en växande befolkning att påverka stadensdricksvattenproduktion. Uppsala Vatten och avfall AB undersöker idag möjligheten tillatt använda Mälarbassängen Ekoln som kompletterande råvattentäkt. För att säkerställa en säker dricksvattenproduktion, både utifrån den kvantitet ochkvalitet som krävs, är det av intresse att veta hur flöden och vattenkvalitet i Ekoln kankomma att utvecklas i framtiden. Något som i stor grad påverkar vattenkvaliteten i våraSvenska sjöar, är den årstidsbundna cirkulationen, med vinter- och sommarstagnation,samt vår- och höstcirkulation. För att undersöka hur den årstidsbundna cirkulationen iEkoln kan komma att förändras med framtida klimat, utfördes hydrodynamiskmodellering för sjön med intilliggande vikar. En bestående tredimensionell spridningsmodell av typ MIKE 3 Flow Model FM, skapadför att simulera spridning av avloppsvatten i Ekoln, erhölls från Tyréns AB. Modellenkalibrerades och anpassades för att simulera temperaturprofiler i sjön. För att täcka inbeteendet för den årstidsbundna cirkulationen anpassades modellen till att simulera etthelt år. Modellen kördes för ett referensår, samt för de två strålningsdrivningsscenariernaRCP4.5 och RCP8.5 vid år 2050. Kalibrering av modellen var lyckad och beräkningstiden förkortades genom anpassningav beräkningsnätet. Resultat från simuleringar visade på att sommarstagnation kanförekomma nio dagar längre vid RCP4.5 för år 2050, än under referensåret. Ingenförändring förväntas vid RCP8.5 under samma tidsperiod. Vid RCP8.5 förväntas dockvattentemperaturer i epilimnion att stiga och vinterstagnation förekommer ej.Temperaturer i vattenmassans övre skikt påverkas i hög grad av lufttemperatur och vidfortsatta studier är det även av intresse att undersöka hur skiktning och cirkulationpåverkas av förändrade vindförhållanden, hur olika drivdata för vindförhållandenpåverkar resultatet samt att undersöka en tidsperiod som är längre än ett år