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3D-modelling of Lake Kivu: Horizontal and vertical flow and temperature structure under spatially variable atmospheric forcing
Journal of Great Lakes Research ( IF 2.2 ) Pub Date : 2020-08-01 , DOI: 10.1016/j.jglr.2020.05.012 Wouter Kranenburg , Meinard Tiessen , Jelmer Veenstra , Reimer de Graaff , Rob Uittenbogaard , Damien Bouffard , Gaetan Sakindi , Augusta Umutoni , Jonas Van de Walle , Wim Thiery , Nicole van Lipzig
Journal of Great Lakes Research ( IF 2.2 ) Pub Date : 2020-08-01 , DOI: 10.1016/j.jglr.2020.05.012 Wouter Kranenburg , Meinard Tiessen , Jelmer Veenstra , Reimer de Graaff , Rob Uittenbogaard , Damien Bouffard , Gaetan Sakindi , Augusta Umutoni , Jonas Van de Walle , Wim Thiery , Nicole van Lipzig
Abstract With the increasing extraction of methane from Lake Kivu, there is a growing need to evaluate the effect of such operations on the lake’s permanent density stratification. This requires understanding of the spatial structure and variability of flow velocities and constituents in Lake Kivu. In this study, we develop a 3D hydrodynamic model of Lake Kivu, set-up within DELFT3D at a 750 m grid spacing and forced by COSMO-CLM atmosphere model results at a 2.8 km grid spacing. Validation shows that the model correctly reproduces the generation and breakdown of the temperature stratification in the upper mixed layer and predicts flow velocity magnitudes and directions similar to measurements both at the surface and at greater depth. Analysis of currents reveals a surface current pattern with two clockwise circulations, one around the whole lake and a smaller one in the northern part, with velocities around 0.1 m/s. This pattern is consistently present over an (ensemble-)averaged day, both in the wet and in the dry season, while day-by-day variations are large. Time-averaged deep currents are found to be a few mm/s at maximum. However, the variations can be substantial, with standard deviations up to 2 cm/s for the currents at 220 m depth, attributed to internal seiches. The temperature stratification, present during the entire wet season, is found to first break down in the dry season in the southern part of the lake. This is explained by the spatial differences in the wind stress and the evaporation heat fluxes during the dry season.
中文翻译:
基伍湖的 3D 建模:空间可变大气强迫下的水平和垂直流动和温度结构
摘要 随着从基伍湖提取甲烷的增加,越来越需要评估此类操作对湖泊永久密度分层的影响。这需要了解基伍湖中流速和成分的空间结构和变异性。在这项研究中,我们开发了基伍湖的 3D 水动力模型,在 DELFT3D 内以 750 m 的网格间距设置,并由 COSMO-CLM 大气模型在 2.8 km 的网格间距下强制。验证表明,该模型正确地再现了上混合层中温度分层的产生和分解,并预测了与地表和更深处测量值相似的流速大小和方向。水流分析揭示了具有两个顺时针循环的表面电流模式,一个环绕整个湖泊,一个较小的在北部,速度约为 0.1 m/s。这种模式在雨季和旱季的(整体)平均一天中始终存在,而每天的变化很大。发现时间平均深电流最大为几毫米/秒。然而,变化可能很大,220 m 深度处的电流的标准偏差高达 2 cm/s,这归因于内部地震。发现整个雨季都存在温度分层,在湖泊南部的旱季首先分解。这可以通过旱季风应力和蒸发热通量的空间差异来解释。这种模式在雨季和旱季的(整体)平均一天中始终存在,而每天的变化很大。发现时间平均深电流最大为几毫米/秒。然而,变化可能很大,220 m 深度处的电流的标准偏差高达 2 cm/s,这归因于内部塞克斯。发现整个雨季都存在温度分层,在湖泊南部的旱季首先分解。这可以通过旱季风应力和蒸发热通量的空间差异来解释。这种模式在雨季和旱季的(整体)平均一天中始终存在,而每天的变化很大。发现时间平均深电流最大为几毫米/秒。然而,变化可能很大,220 m 深度处的电流的标准偏差高达 2 cm/s,这归因于内部地震。发现整个雨季都存在温度分层,在湖泊南部的旱季首先分解。这可以通过旱季风应力和蒸发热通量的空间差异来解释。220 m 深度处的电流的标准偏差高达 2 cm/s,归因于内部结构。发现整个雨季都存在温度分层,在湖泊南部的旱季首先分解。这可以通过旱季风应力和蒸发热通量的空间差异来解释。220 m 深度处的电流的标准偏差高达 2 cm/s,归因于内部结构。发现整个雨季都存在温度分层,在湖泊南部的旱季首先分解。这可以通过旱季风应力和蒸发热通量的空间差异来解释。
更新日期:2020-08-01
中文翻译:
基伍湖的 3D 建模:空间可变大气强迫下的水平和垂直流动和温度结构
摘要 随着从基伍湖提取甲烷的增加,越来越需要评估此类操作对湖泊永久密度分层的影响。这需要了解基伍湖中流速和成分的空间结构和变异性。在这项研究中,我们开发了基伍湖的 3D 水动力模型,在 DELFT3D 内以 750 m 的网格间距设置,并由 COSMO-CLM 大气模型在 2.8 km 的网格间距下强制。验证表明,该模型正确地再现了上混合层中温度分层的产生和分解,并预测了与地表和更深处测量值相似的流速大小和方向。水流分析揭示了具有两个顺时针循环的表面电流模式,一个环绕整个湖泊,一个较小的在北部,速度约为 0.1 m/s。这种模式在雨季和旱季的(整体)平均一天中始终存在,而每天的变化很大。发现时间平均深电流最大为几毫米/秒。然而,变化可能很大,220 m 深度处的电流的标准偏差高达 2 cm/s,这归因于内部地震。发现整个雨季都存在温度分层,在湖泊南部的旱季首先分解。这可以通过旱季风应力和蒸发热通量的空间差异来解释。这种模式在雨季和旱季的(整体)平均一天中始终存在,而每天的变化很大。发现时间平均深电流最大为几毫米/秒。然而,变化可能很大,220 m 深度处的电流的标准偏差高达 2 cm/s,这归因于内部塞克斯。发现整个雨季都存在温度分层,在湖泊南部的旱季首先分解。这可以通过旱季风应力和蒸发热通量的空间差异来解释。这种模式在雨季和旱季的(整体)平均一天中始终存在,而每天的变化很大。发现时间平均深电流最大为几毫米/秒。然而,变化可能很大,220 m 深度处的电流的标准偏差高达 2 cm/s,这归因于内部地震。发现整个雨季都存在温度分层,在湖泊南部的旱季首先分解。这可以通过旱季风应力和蒸发热通量的空间差异来解释。220 m 深度处的电流的标准偏差高达 2 cm/s,归因于内部结构。发现整个雨季都存在温度分层,在湖泊南部的旱季首先分解。这可以通过旱季风应力和蒸发热通量的空间差异来解释。220 m 深度处的电流的标准偏差高达 2 cm/s,归因于内部结构。发现整个雨季都存在温度分层,在湖泊南部的旱季首先分解。这可以通过旱季风应力和蒸发热通量的空间差异来解释。