Water-ice heat exchange and ice-water boundary layer in freshwater lakes

• Applicant: Professor Dr. Georgiy Kirillin
• Subject Area: Hydrogeology, Hydrology, Limnology, Urban Water Management, Water Chemistry, Integrated Water Resources Management
• Term: from 2015 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 280874368

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Das Projekt widmete sich der Quantifizierung der Mechanismen, die den Wärmeaustausch in eisbedeckten Seen beeinflussen, und der Abschätzung der Auswirkung der Wärmeabgabe aus der Wassersäule auf die Eisdicke. Zu diesem Zweck wurden mehrere umfangreiche Feldkampagnen auf zwei eisbedeckten Seen durchgeführt: dem Baikalsee (Russland) und dem Kilpisjärvi (Lappland, Finnland). Darüber hinaus wurden in den beiden Seen autonome Eisüberwachungsstationen eingerichtet, mit denen die Wärmebudgetkomponenten während der gesamten Eisbedeckungszeiträume in beiden Seen gemessen wurden. Infolgedessen wurden die Struktur der Untereis-Grenzschicht und die Hauptmechanismen des Wärmetransports zwischen Wasser und Eis für große Seen und für kleine arktische Seen quantifiziert. Der Vergleich der Eisgrenzschichten im Baikalsee und im Kilpisjärvi ergab grundlegend unterschiedliche Mechanismen der Eisdynamik in Seen mit unterschiedlichen horizontalen Abmessungen, genauer gesagt mit den charakteristischen horizontalen Skalen des Sees relativ zur Längenskala der Erdrotation (dem Rossby-Radius). In beiden Fällen waren die Mechanismen der Turbulenzerzeugung unter dem Eis charakteristisch für entwickelte Turbulenzen in stark geschichteten Gewässer. Wir fanden einen engen Zusammenhang zwischen der Turbulenzintensität und der Bildungsrate (Schmelzrate) der saisonalen Eisdecke. Die Erkenntnis machte es erforderlich, die traditionellen Ansätze zur Modellierung der Eisbedeckungsdynamik zu überdenken. Die Turbulenz in der Grenzschicht wurde durch großräumige Zirkulation und Wellenbewegungen unter dem Eis erzeugt und stand im Gegensatz zu den herkömmlichen Annahmen nur indirekt im Zusammenhang mit der konvektiven Mischung durch die solare Erwärmung unter dem Eis. Die Essenz der Ergebnisse, bezogen auf das Hauptziel des Projekts, bestand in der Entwicklung und Verifizierung der universellen Skalierung des Eis-Wasser Wärmeflusses, die auf die direkte Umsetzung in numerische Modelle abzielte. Die ursprüngliche Hypothese über das Gleichgewicht zwischen der turbulenten kinetischen Energie und der Viskositätskraft in der Eisgrenzschicht wurde für kleine Seen eindeutig bestätigt. Der Eis-Wasser Wärmetransport im Baikalsee war hingegen durch das Wechselspiel zwischen der starken Dichteschichtung und der Scherung bestimmt, was einer typischen Situation in großen Seen und Meeren entspricht. Die Bilanz zwischen der Schichtung und Scherung konnte über die Kombination der „z-Skalierung“ für die neutrale Grenzschicht und der schichtungsabhängige Dougherty-Ozmidov-Skalierung parametrisiert werden. Die in diesem Projekt abgeleiteten Parametrisierungen können eine effektive Anwendung für Parametrisierung der Eisdecke in den großflächigen Landoberflächenmodellen finden, was eine Verbesserung der numerischen Wettervorhersage und der Klimaprojektionen für kalte Regionen verspricht. Die Daten zu Temperatur, Wärmeflüsse und Eisdickenvariationen in der saisonalen Eisbedeckung sind ein weiteres Ergebnis des Projekts, das für die Entwicklung von Eismodellen von Nutzen ist und einen ersten umfassenden Datensatz für die Modellüberprüfung und -optimierung darstellt.

Publications

• "A study of heat transport at the ice base and structure of the under-ice water layer in Southern Baikal." Water Resources 44, no. 3 (2017): 428-441
  Aslamov, I. A., V. V. Kozlov, G. B. Kirillin, I. B. Mizandrontsev, K. M. Kucher, M. M. Makarov, and N. G. Granin
  
• "Lake‐Atmosphere Heat Flux Dynamics of a Thermokarst Lake in Arctic Siberia." Journal of Geophysical Research: Atmospheres 123, no. 10 (2018): 5222-5239
  Franz, D., I. Mammarella, J. Boike, G. Kirillin, T. Vesala, N. Bornemann, E. Larmanou, M. Langer, and T. Sachs
  
• "Turbulent mixing and heat fluxes under lake ice: the role of seiche oscillations." Hydrology and Earth System Sciences 22(12) (2018): 6493-6504
  Kirillin, Georgiy, Ilya Aslamov, Matti Leppäranta, and Elisa Lindgren
  
• "Fine scale structure of convective mixed layer in ice-covered lake." Environmental Fluid Mechanics 19(3) (2019): 751-764
  Volkov, Sergey, Sergey Bogdanov, Roman Zdorovennov, Galina Zdorovennova, Arkady Terzhevik, Nicolay Palshin, Damien Bouffard, and Georgiy Kirillin
  
• "Future projections of temperature and mixing regime of European temperate lakes." Hydrology and Earth System Sciences 23, no. 3 (2019): 1533-1551
  Shatwell, Tom, Wim Thiery, and Georgiy Kirillin
  
• "Ice cover decay and heat balance in Lake Kilpisjärvi in Arctic tundra." Journal of Limnology 78(2): 163-175 (2019)
  Leppäranta, Matti, Elisa Lindgren, Lijuan Wen, and Georgiy Kirillin
  
• "Numerical study on the response of the largest lake in China to climate change." Hydrology and Earth System Sciences 23, no. 4 (2019): 2093-2109
  Su, Dongsheng, Xiuqing Hu, Lijuan Wen, Shihua Lyu, Xiaoqing Gao, Lin Zhao, Zhaoguo Li, Juan Du, and Georgiy Kirillin
  
• “Methane hydrate emergence from Lake Baikal: direct observations, modelling, and hydrate footprints in seasonal ice cover”. Scientific Reports, 19361 (2019)
  N. Granin , I. Aslamov, V. Kozlov, M. Makarov, G. Kirillin, K. Kucher, V. Blinov, V. Ivanov, I. Mizandrontsev, A. Zhdanov, A. Anikin, M. Granin, R. Gnatovsky
  
• “Turbulence in the stratified boundary layer under ice: observations from Lake Baikal and a new similarity model”. Hydrology and Earth System Sciences Discussions 2019
  Kirillin, G., I. Aslamov, V. Kozlov, R. Zdorovennov, N. Granin