Untersuchung der dreidimensionalen Zirkulationsströmung im Stechlinsee
Final Report Abstract
Die Resultate der Felduntersuchungen im sehr stabil geschichteten und kleinen Stechlinsee haben gezeigt dass der überwiegende Teil der über die Seeoberfiäche eingetragenen Windenergie von dessen Thermokline aufgenommen, und in stehende Oszillationen im Maßstab des Seebeckens (inteme Seiches) transformiert wird. Die schrittweise Überführung der Seiche-Energie in turbulente Mischungsenergie schließt im geschichteten Stechlin auch die Bildung schnell laufender interner Wellen, die periodische Formation einer turbulenten bodennahen Grenzschicht durch Seiche-induzierte Geschwindigkeiten am Grund und die Seiche- Dissipation an den ansteigenden Ufem des Seebeckens ein. Alle diese Prozesse hängen in starkem Maße von den spektralen Seiche-Charakteristika ab, deren Erforschung somit zum Schlüssel für die Aufklärung aller weiteren Stofftransportprozesse am Boden wurde. Um den vertikalen und lateralen Transport der Windenergie genauer zu untersuchen, wurde eine komplexe Messstrategie angewendet, die unter anderem folgende Meßmethoden umfaßte: (i) hochaufgelöstes vertikales Profiling der wichtigsten Temperatur- und Strömungscharakteristika an verschiedenen Punkten (Einsatz von Thermistorketten, ADPs und ADVs); (ii) Lagrangesche Registrierung von horizontalen Strömungen mit Hilfe von eigens dafür konzipierten GPS-nutzenden Driftkörpern unterschiedlicher Konstruktion und ihr Vergleich, (iii) Messungen von Stoff- und Temperaturgradienten in der Wasser-Sediment-Grenzschicht (iv) Messung der treibenden Kräfte Wind und Strahlung direkt auf dem See. Der Modellteil des Projekts umfasst jetzt (i)ein 1 D-Modell zur Abschätzung typischer saisonaler Temperaturschichtungen und für Langzeitsimulationen zur Auswirkung prognostizierter Klimaänderungen; (ii)ein 2D-Zwei- und Dreischichtenmodell zur Modellierung der freie Oszillation im gegliederten Stechlinseebecken mit dem die Seiche-Modi besfimmt wurden und (iii) das komplexe 3D-Zirkulafionsmodell für den Stechlin. Ein hervorstechendes Resultat der Feldmessungen war beispielsweise der Nachweis, daß der Seiche-induzierte periodischer Wechsel von warmen Literal- und kaltem Tiefenwasser im Sediment der flacheren Uferzonen Temperaturgradienten erzeugen, die zu Konvektion und damit zu einer Intensivierung des Stoffaustauschs führen (Kirillin et al. 2009). Nach einer Phase von 3D-Modellexperimenten mit Konfigurationen und Erweiterungen des Basismodells POM, stand ein optimiertes 3D-Werkzeug für die Bedingungen kleiner geschichteter Seen zur Verfügung mit dessen Hilfe folgende Problemstellungen für den Stechlin simuliert werden: (i) Nichtlineare Transformationsprozesse der intemen Seiches; (ii) Ufernahes Aufsteigen (up-welling) von Hypolimnionwasser; (iii) Formation sich horizontal ausbreitender Dichtefronten und hydraulischer Sprünge (intemal bores). Die Relevanz aller dieser Prozesse für den Stechlinsee ist durch unsere Feldmessungen nachgewiesen worden. Beispielsweise konnte im Stechlin das (bisher in kleinen Seen nicht beobachte) Auftreten mesoskaligen Wirbel sowohl experimentell als auch in den SD- Modellsimulationen nachgewiesen werden, was die Hypothese nahe legt, daß derartige mesoskalige Wirbel eine für den Stechlin und andere kleine, geschichtete Seen typische Zirkulationsfonn ist (Kirillin et al 2008). Langzeitsimulationen mit den im Projekt entwickelten Modellen konnten den Einfluss abschätzen, den die Einleitung von erwärmten Kühlwasser aus dem KKW Rheinsberg in den Jahren 1967-1990 auf den Stechlin hatte: aus dem dimiktischen wurde ein warmmonomiktischer See mit einer schwächer ausgeprägten Sommerschichtung.
Publications
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2004, Beitrag zum 8. International Workshop. Physical Processes in Natural Waters. Lund. Schweden
Kirillin, G.
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2004. Density-driven near-shore currents in small strongly stratified Lake Stechlin. In L. Bengtsson and O. A. Maher, editors, Proc. 8th European Workshop on Physical Processes in Natural Waters, pages 13- 17, Sweden, Lund University. ISBN 91-631-5825-6
G. Kirillin, C. Engelhardt. and N. Nikolaevich
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2005. Beitrag zum 9. International Workshop, Physical Processes in Natural Waters, Lancaster, England
Kirillin, G.
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2005. Observation of a cyclonic gyre produced by intemal surge in a small deep lake. In A. Folkard and I. Jones, editors, Proc. 9th European Workshop on Physical Processes in Natural Waters, pages 61-68. Lancaster, United Kingdom, 2005
G. Kirillin, C. Engelhardt. and S. Golosov
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"Mesoscale vortices in a small lake" 2nd International Symposium on Stratified Flows, December 2006, Perth, Australia
Kirillin, G.
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2006 "Observation of a cyclonic gyre produced by intemal surge in a small deep lake" Berichte des IGB, Heft 23. pages 55-64. ISSN 1432-508X
G. Kirillin, C. Engelhardt and S. Golosov
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2006. Beitrag zum 10. International Workshop. Physical Processes in Natural Waters, Granada. Spanien
Engelhardt
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2006. Beitrag zur DLG-Jahrestagung Tagung, Hydrophysik in der Limnologie, Dresden
Kirillin, G.
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2006. Seiche-induced convection in upper sediments In F. Rueda Valdivia, ed.. Proc. 10th European Workshop on Physical Processes in Natural Waters, pages 59-68, Granada, Spain. ISBN 84-611-4209-8
C. Engelhardt. S. Golosov, P. Casper, M. Hupfer. and G. Kirillin
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Beitrag zum ASLO Summer meeting. Global Challenges Facing Oceanography and Limnology. 2006, Victoria, British Columbia. Canada
Mehner
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March 2006, Warnemünde: at the Institute for Baltic Research (lOW)
G. Kirillin
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"Thermal convection within lake sediments: a missed link in water-sediment mass exchange?" 5th International Symposium on Environmental Hydraulics, December 2007, Tempe, Arizona. USA
Kirillin, G.
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"Lake response to climate variability: modelling aspects" Intemational Workshop on lake parameterization in Numerical Weather Prediction and Climate Modeling. September 2008, Zetenogorsk, Russia
Kirillin, G. and Golosov. S.
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(2008), A mesoscale vortex in a small stratified lake. Env. Fluid Mech., 8.349-366
G. Kirillin, C. Engelhardt. and S. Golosov
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2008. Climate warming and shallow lakes: the role of bottom sediments and water transparency. In: I. Schauser. T. Strube (eds) Perspectives of lake modelling towards predicting reaction to trophic change. Kompetenzzentrum Wasser Berlin Publication Series vol. 9, pages 77-82. Berlin. ISBN 978-3-9811684-3-3
G. Kirillin. S. Golosov. D. Mironov, C. Engelhardt
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December 2008, Berlin: at the Department of Meteorology, Free University
G. Kirillin
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March 2008, Helsinki: at the Department of Geophysics, University of Helsinki
G. Kirillin
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(2009) "Past and future lake ice covers of the Berlin-Brandenburg area" Beitrag zum 13. International Workshop, Physical Processes in Natural Waters, Palermo, Italien
Bemhardt, J. Kirillin, G , Engelhardt, C. and Matschullat, J
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(2009), Transient convection In upper lake sediments produced by intemal seiching, Geophys. Res. LetL. 36, L18601
Kirillin, G.. C. Engelhardt, and S. Golosov
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June 2009: Presentation at the Centre for Environmental Research (UFZ), Magdeburg in frames of the joint IGB-UFZ Colloquium on strategic partnership
G. Kirillin
