Hydrodynamisk modellering av cirkulation och utbyte i Himmerfjärden

Transkript

1 Svenskt Vatten Utveckling Naturvårdsverket SYVAB Hydrodynamisk modellering av cirkulation och utbyte i Himmerfjärden Uppdragsnummer Stockholm DHI Sverige AB GÖTEBORG STOCKHOLM VÄXJÖ LUND Org. Nr. - Lilla Bommen 1 Svartmangatan 1 Honnörsgatan 1 Kyrkogatan Box 2 Göteborg 1 2 Stockholm Växjö Lund Tel: 1- Tel: -2 Tel: - 2 Tel: -1 Fax: Fax: -2 1 Fax: Fax: -1 1

2 LEDNINGSSYSTEM FÖR KVALITET ENLIGT ISO 1:2 Projektets namn: Ekologisk modellering av Himmerfjärden Projekt nr: Projektledare: Olof Liungman Kvalitetsansvarig: Olof Liungman Handläggare: Dick Karlsson, Patricia Moreno- Arancibia Rapport version: Slutrapport april 2 Beställare: Svenskt Vatten Utveckling Naturvårdsverket SYVAB Beställarens ombud: Daniel Hellström Bosander/Sara Stridh Lars Klintwall Granskad av / datum: Olof Liungman / 2--2 Godkänd av kvalitetsansvarig / datum: Olof Liungman / 2--2 DHI Sverige AB / OLI/ \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragsnr: Utskriftsdatum: i

3 Innehållsförteckning 1 Introduktion 2 Bakgrund Metodik.1 Den hydrodynamiska modellen....2 Beräkningsnätet.... Beräkning av vattnets omsättningstid... Indata.1 Drivning....2 Initialisering... 1 Resultat av kalibreringen för år 1.1 Tidsserier för salthalt Tidsserier för temperatur Vertikalprofiler Isopletdiagram för salthalt Isopletdiagram för temperatur.... Omsättningstid... 2 Resultat av valideringen för år.1 Tidsserier för salthalt....2 Tidsserier för temperatur.... Isopletdiagram för salthalt Isopletdiagram för temperatur... Diskussion Slutsatser Referenser DHI Sverige AB / OLI/ \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragsnr: Utskriftsdatum: ii

4 Förord Vid Himmerfjärden i Stockholms södra skärgård ligger Himmerfjärdsverket, ett avloppsreningsverk som drivs av SYVAB. Sedan har storskaligt experiment pågått i Himmerfjärden för att bestämma effekterna av avsiktligt varierade kväveutsläpp från reningsverket, både vad gäller utgående halter och lokaliseringen av utsläppspunkten. Syftet är att tydliggöra betydelsen av kväveutsläpp för vattenkvaliteten i kustområdet med avseende på växtplanktonbiomassa, klorofyll, siktdjup och cyanobakterieblomningar. I samband med detta experiment genomförde DHI Sverige AB (DHI) hydrodynamisk och ekologisk modellering av Himmerfjärden inom ett projekt finansierat av Naturvårdsverket, SYVAB och Svenskt Vatten Utveckling. Denna rapport presenterar den hydrodynamiska modelleringen och dess resultat. I projektet har DHI samarbetat med Ulf Larsson och Jakob Walve på Systemekologiska Institutionen på Stockholms Universitet. Sedan Himmerfjärdsverket togs i bruk har Systemekologiska Institutionen bedrivit ett mätprogram och regelbundet tagit vattenkemiska prover i området. Genom Ulf Larsson och Jakob Walve har vi fått tillgång till dessa data för Himmerfjärden. Dessutom har de bidragit med sina djupare kunskaper kring de biokemiska förhållandena i fjärden. Författarna, 2 \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

5 Sammanfattning I Stockholms södra skärgård ligger Himmerfjärdsverket, ett avloppsreningsverk som drivs av SYVAB (Sydvästra stockholmsregionens va-verksaktiebolag). Dess upptagningsområde sträcker sig från Skärholmen i sydvästra Stockholm till Södertälje. I Himmerfjärden pågår sedan ett storskaligt experiment för att bestämma effekten av varierade kväveutsläpp. Den centrala frågan är om slopad kväverening av utsläppsvattnet från reningsverket kan motverka kvävefixerande cyanobakterier samtidigt som ytvattenstatus bibehålls. Sammansättningen av utsläppsvattnet kan ändras genom att variera graden av kväve- och fosforrening. I samband med experimentet har DHI genomfört hydrodynamisk och biokemisk modellering av Himmerfjärden. Syftet är att öka förståelsen för närsaltsdynamiken och de biokemiska processerna i fjärden. Målet är att ta fram modeller som kan användas for att studera hur ändrade närsaltsutsläpp från reningsverket påverkar de biokemiska förhållandena i Himmerfjärden. För att kunna beskriva de hydrodynamiska processerna i Himmerfjärden samt simulera olika scenarier har en numerisk modell satts upp. Denna hydrodynamiska modell beräknar ström, blandning, temperatur och salthalt i fjärden. Dessa resultat används sedan för att driva den biokemiska modellen. Indata till den hydrodynamiska modellen är de meteorologiska förhållandena, tillrinning från land, samt förhållandena på den öppna randen mot Östersjön. Den hydrodynamiska modellen för Himmerfjärden beskriver på ett bra sätt de fysiska processerna och vattenutbytet i Himmerfjärden, inklusive variationer i skiktningen och djupvatteninflöden. Överensstämmelsen med observationer är god. Modellen har kalibrerats för och validerats för, och valideringen visade att modellen kan beskriva förhållandena under två olika år lika bra. De största avvikelserna mellan modellresultaten och observationerna återfinns framför allt i bottenvattnet. Orsaken till detta är bristerna i djupunderlaget, vilket innebär att modellen genomgående är grundare än verkligheten. Detta i sin tur påverkar djupvatteninflödena som utgör en viktig process i cirkulationen. Det är viktigt att detta faktum beaktas då den biokemiska modelleringen analyseras. Dessutom saknas högupplösta indata vad gäller avrinning från land, vilket medför att det ibland uppstår skillnader mellan uppmätt och modellerad salthalt i ytan. Sammanfattningsvis bedöms den hydrodynamiska modellen lämplig för att driva en biokemisk modell för Himmerfjärden. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

6 Summary A sewage treatment plant is located in the Himmerfjärden estuary in the Stockholm archipelago. The plant is operated by SYVAB (Southwest Stockholm Water and Sewage Company). Its catchment area stretches from Skärholmen, southwest of Stockholm, to Södertälje. A large-scale experiment is underway since to determine the effect of varying nitrogen discharge. The key issue is to determine if it is possible to prevent nitrogen-fixating cyanobacteria by reducing the nitrogen removal from the sewage water, while maintaining the ecological status of the surface water. The composition of the discharge water may be changed by varying the rate of nitrogen and phosphorus removal. During the experiment, DHI has carried out hydrodynamic and biochemical modeling of Himmerfjärden. The aim is to increase the understanding of nutrient dynamics and biochemical processes in the estuaries. The goal is to develop models that can be used to study how changes in the composition of the discharge, with regard to nitrogen and phosphorous, affect the environmental conditions in the Himmerfjärden estuary. In order to describe and quantify the hydrodynamic processes in Himmerfjärden and to simulate various scenarios, a numerical model has been set up. This hydrodynamic model consists calculates the currents, mixing, temperature and salinity in the estuary. The results of the hydrodynamic model will then be used to force the biochemical model. The hydrodynamic model is in turn forced by meteorological conditions, freshwater discharge from land, and conditions at the open boundary towards the Baltic Sea. The hydrodynamic model for Himmerfjärden describes the physical processes and water exchange well, including variations in the stratification and the deep water inflows. The agreement with observations is good. The model has been calibrated for and validated for, and the validation confirmed that the model can describe different time periods equally well. The largest deviations between model results and observations are found in the deep water. The major reason for this is deficiencies in the depth data, resulting in shallower depths in the model than in reality. This will in turn affect the deep water inflows which constitute an important part of the circulation. It is important that this fact be kept in mind when analyzing the biochemical model results. In addition, the poor time resolution of the freshwater discharge data sometimes produces differences between observed and modeled surface salinity. In summary, the hydrodynamic model is judged to be appropriate for forcing a biochemical model of Himmerfjärden. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

7 1 Introduktion I Stockholms södra skärgård ligger Himmerfjärdsverket, ett avloppsreningsverk som drivs av SYVAB (Sydvästra stockholmsregionens va-verksaktiebolag). Reningsverket har varit i drift sedan 1 och har ett upptagningsområde som sträcker sig från Skärholmen i sydvästra Stockholm till Södertälje. 1 blev Systemekologiska Institutionen på Stockholms Universitet ansvariga för ett mätprogram i Himmerfjärden och har regelbundet tagit biokemiska prover i området. Himmerfjärden har även varit föremål för flera forskningsprojekt och är förmodligen ett av Sveriges mest undersökta vattenområde (Elmgren & Larsson, 1). Om det är kväve eller fosfor som är den begränsande faktorn för växtplankton i Sveriges kust- och havsområden har varit en hett debatterad fråga. Naturvårdsverket tillsatte 2 en expertkommitté som fick till uppgift att gå igenom övergödningsfrågan med avseende på kväve och fosfor samt föreslå åtgärder för de olika kust- och havsområden i Sverige. Rekommendationen för Sveriges östkust blev att minska på tillförseln av kväve och fosfor men att detaljerna för reduktionerna beror på de enskilda recipienterna. För att kunna ta fram lämpliga åtgärder för en specifik recipient behövs kunskaper om hur en given tillförsel/belastning av kväve och fosfor påverkar recipienten och dess ytvattenstatus. I Himmerfjärden pågår sedan ett storskaligt experiment för att bestämma effekten av varierade kväveutsläpp. Den centrala frågan är om slopad kväverening av utsläppsvattnet från reningsverket kan motverka kvävefixerande cyanobakterier samtidigt som ytvattenstatus bibehålls. Genom att variera graden av kväve- och fosforrening kan sammansättningen av utsläppsvattnet ändras. Experimentet genomförs i två etapper: Under -2 slopas kvävereningen av utsläppsvattnet. Mer kväve kommer då att släppas ut i Himmerfjärden. Förhoppningen är att kväve mängden i vattnet nu är tillräckligt stort för att all fosfor ska tas upp under vårblomningen. Om fosforhalten i vattnet är låg kan cyanobakterierna inte binda kvävgas och risken för en blomning av cyanobakterier under sommaren minskar. Under 2-2 ändras utsläppspunkten till närmare ytan och kväverening införs igen. Den nuvarande utsläppspunkten ligger på 2 m djup (nära botten). Genom att flytta utsläppspunkten till ett djup av m blir kvävet direkt tillgängligt för växtplankton. I samband med experimentet har DHI Sverige AB genomfört hydrodynamisk och biokemisk modellering av Himmerfjärden. Syftet är att öka förståelsen för närsaltsdynamiken och de biokemiska processerna i fjärden. Målet är att ta fram modeller som kan användas for att studera hur ändrade närsaltsutsläpp från reningsverket påverkar de biokemiska förhållandena i Himmerfjärden. Denna rapport beskriver den hydrodynamiska modellen för Himmerfjärden. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

8 2 Bakgrund Himmerfjärden ligger i Stockholms södra skärgård mellan Mörkö och Södertörn och är ca 1 km 2 stor och har ett medeldjup på 1 m. Fjärden består av ett antal bassänger sammanlänkande av trånga och grunda sund (se Figur 2-1). Figur 2-1 Karta över Himmerfjärden som visar reningsverkets (SYVAB) och mätstationernas läge. (Bild: De hydrodynamiska förhållandena i Himmerfjärden beskrivs lämpligen utifrån strömmar, salthalt och temperatur. Strömmarna transporterar ämnen och plankton genom systemet, t.ex. förs bottenvatten in från Östersjön medan färskvatten från land transporteras ut. Den vertikala fördelningen av temperatur och salthalt ger en uppfattning om hur skiktad eller omblandad vattenmassan är, vilket också har stort inflytande över de hydrodynamiska och biokemiska processerna i vattnet. I en fjärd påverkas de hydrodynamiska förhållandena både av interna och externa processer. I Himmerfjärden är det främst vinden, vattenståndsvariationer i fjärdens yttre del och ändringar i skiktningen i de angränsande kustområdena som påverkar strömmen och skiktningen i fjärden. Även tillrinning från land, färskvattentillförsel från Mälaren och inflöde av salt vatten från Östersjön påverkar cirkulationen i fjärden. De trånga och \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

9 grunda sunden i Himmerfjärden spelar en viktig roll i och med att de försvårar framför allt djupvattenutbytet. För att beskriva de hydrodynamiska förhållandena i Himmerfjärden krävs därmed att ett antal faktorer beaktas: Topografin hänsyn måste tas till de trånga sunden och trösklarna mellan de olika bassängerna som Himmerfjärden är uppdelad i. Atmosfärisk drivning vinden driver inte bara ytströmmen utan ger också upphov till vertikal blandning. Temperaturen, som i sin tur påverkar densiteten och därmed skiktningen, styrs av värmeutbytet med atmosfären. Drivning på den öppna randen mot Östersjön transporterna över den öppna randen dominerar utbytet av vattnet i Himmerfjärden, och dessa transporter bestäms av förhållandena i kustvattnet utanför fjärden. Förhållandena utanför fjärden bestämmer också egenskaperna på det vattnet som tränger in i fjärden. Färskvattentillrinning tillrinningen från land samt Mälaren påverkar salthalten i systemet, vilket i sin tur påverkar skiktningen. Variationer i tid och rum alla de tre drivningarna ovan varierar i rummet men framför allt i tiden. Förhållandena är t.ex. helt olika vintertid och sommartid. Endast om man tar hänsyn till samtliga ovanstående faktorer kan man förvänta sig en realistisk beskrivning av förhållandena i Himmerfjärden. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

10 Metodik För att kunna beskriva och kvantifiera de hydrodynamiska processerna i Himmerfjärden samt simulera olika scenarier har en numerisk modell satts upp. Denna hydrodynamiska modell beräknar ström, blandning, temperatur och salthalt i fjärden. Dessa resultat kan sedan användas för att driva en biokemisk modell. För att en modell så bra som möjlig ska reproducera verkligheten måste den först kalibreras. Det innebär att de modellparametrar som inte är universella anpassas så att modellresultaten stämmer väl överens med mätningar. Den hydrodynamiska modellen har kalibrerats för år vilket innebär att den drivs med omgivningsförhållandena under det året och modellresultaten jämförs med mätningar från samma år. valdes därför att det dels var ett normalt år och dels finns det en stor mängd data tillgängliga för det året. När en modell är kalibrerad ska den valideras, d.v.s. utan att göra någon ytterligare anpassning simuleras en fristående tidsperiod och modellresultaten jämförs med mätningar. Om modellresultaten och mätningarna stämmer väl överens har man en modell som kan beskriva olika förhållanden och som därmed kan anses tillförlitlig. I detta fall har den hydrodynamiska modellen validerats med hjälp av data från år. Den hydrodynamiska modell som används här är uppbyggd med hjälp av verktyget MIKE, vilket ingår i DHI:s svit av modellverktyg MIKE by DHI. Dessa verktyg är kommersiella programvaror som används inom många olika frågeställningar av en stor mängd användare världen över. De är välbeprövade och inkorporerar den senaste tekniken. MIKE är avsett för kust- och havsområden och beskriver vattnets strömning och egenskaper i tre dimensioner (DHI, 2), något som är nödvändigt i Himmerfjärden där den vertikala skiktningen spelar en viktig roll..1 Den hydrodynamiska modellen MIKE löser de grundläggande strömningsmekaniska ekvationerna som beskriver vattnets rörelse (strömmar) och egenskaper (temperatur, salthalt). Ekvationerna bygger på konservering av massa, rörelsemängd, temperatur, salthalt och turbulent kinetisk energi. Modellen beräknar strömmar, vattenstånd, temperatur, salthalt och turbulens i ett tredimensionellt beräkningsnät som en funktion av tiden. MIKE tar hänsyn till alla de viktigaste hydrodynamiska processerna: Transport av salt och värme Drivning på grund av variationer i densitet Bottenfriktion Vindens drivning på ytan Drivning på grund av vattenståndsvariationer Tillflöden och utsläpp från land Värmeutbyte med atmosfären Turbulent blandning Coriolis-effekten p.g.a. jordens rotation \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

11 En mer detaljerad beskrivning av den hydrodynamiska modellen finns i dokumentationen till MIKE (DHI, 2). I Tabell -1 listas de viktigaste hydrodynamiska tillståndsvariablerna, vilka också utgör modellresultaten samt drivningen för den biokemiska delen av modellen. Tabell -1 De viktigaste tillståndsvariablerna i den hydrodynamiska modellen. Variabelnamn Enhet Antal dimensioner Vattenstånd m 2 Strömhastighet m s -1 Turbulent viskositet m 2 s -1 Densitet kg m - Temperatur o C Salthalt PSU.2 Beräkningsnätet För att modellera de hydrodynamiska förhållandena i Himmerfjärden delas området upp i ett beräkningsnät bestående av ett stort antal celler i form av kvadratiska lådor. I varje sådan beräkningscell löses de hydrodynamiska (och biokemiska) ekvationerna. Beräkningsnätet definieras utifrån dess geografiska läge, djupet, cellernas storlek och information om ränderna, d.v.s. var strandlinjen går samt var öppna begränsningsytor mot angränsande vattenmassor finns. Beräkningsnätet för Himmerfjärden sträcker sig från Södertälje Sluss i norr till ca 1 km söder om sundet mellan Askö och Torö. Utsträckningen i öst-västlig riktning definieras av den bredaste delen av fjärden. Storleken av modellområdet blir därmed ca km i nord-sydlig riktning och ca 2 km i öst-västlig riktning. Den horisontella upplösningen d.v.s. den horisontella storleken på beräkningscellerna måste vara tillräckligt hög (cellerna tillräckligt små) för att kunna lösa upp de intressanta processerna i vatten. I Himmerfjärden är det t.ex. viktigt att kunna reproducera flödet i de trånga sunden på ett realistiskt sätt och då måste den horisontella upplösningen kunna beskriva variationer i tvärsnittsarean och djupet i sunden. Samtidigt får inte antalet celler vara så pass stort att beräkningarna tar för lång tid att genomföra. Med hänsyn till båda dessa faktorer sattes den horisontella upplösningen till 2 m 2 m. Antalet boxar blir därmed 2 i nord-sydlig riktning och i öst-västlig riktningen. I Figur -1 visas beräkningsnätet samt batymetrin, d.v.s. djupet i varje cell. Sista steget är att bestämma den vertikala upplösningen. I Himmerfjärden används vertikala lager med en konstant lagertjocklek på 1 m. Denna upplösning är tillräcklig för att modellen korrekt ska beskriva sommarskiktningen och den vertikala fördelningen av t.ex. närsalter och växtplankton. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

12 Figur -1 Beräkningsnätet för Himmerfjärden. Den horisontella upplösningen är 2 m och den vertikala 1 m. Koordinatsystemet är RT. Bottenråheten, som bestämmer bottenfriktionen i modellen, sattes till standardvärdet cm. Med tanke på djupförhållandena i Himmerfjärden samt de relativt låga strömhastigheterna är resultaten relativt okänsliga för denna parameter.. Beräkning av vattnets omsättningstid Ett sätt att beskriva vattenutbytet i Himmerfjärden är tiden det tar att byta ut vattnet i en given volym, den s.k. omsättningstiden. Ett mått på detta är vattnets medelålder. Vattnets ålder har beräknats med hjälp av modulen ECO Lab utifrån följande ekvation: da dt 1 A är ett spårämne vars koncentration ökar för varje tidssteg med samma belopp som längden på tidssteget. Till exempel, om A = s vid en tidpunkt och tidssteget är 1 s så blir A vid nästa tidssteg s. Om halten av A sätts till noll för alla källor och randvillkor så representerar A vattnets ålder relativt vatten utanför Himmerfjärden, d.v.s. hur lång tid som varje vattenpaket har varit i Himmerfjärden. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

13 För att få ett mått på omsättningstiden simulerar man sedan åldern under en längre tid. Värdet på A kommer att variera men bör så småningom hålla sig runt ett medelvärde då åldrandet och utbytet balanserar. Detta medelvärde, integrerat över en given volym, ger medelåldern ( Average Age eller AvA på engelska) för den aktuella volymen, vilket är ett mått på omsättningstiden. Den enkla ECO Lab-modellen kopplades till den hydrodynamiska modellen med alla källor och randvillkor för A satta till noll. När simuleringen startar bör vattnets ålder inte vara noll, eftersom vattnet redan befunnit sig i Himmerfjärden. I stället sattes vattnets initiala ålder till det uppskattade värdet dagar i hela vattenmassan och modellen kördes för ett helt år. Halterna av A efter ett år används sedan som begynnelsevillkor för den slutliga simuleringen. Detta har endast gjorts för kalibreringsåret. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

14 Indata För att kunna göra beräkningar med den kopplade hydrodynamiska-biokemiska modellen behövs mätningar. Dessa används för att 1) bestämma drivningen, 2) initialisera modellen, och ) kalibrera och validera modellen. I det här kapitlet beskrivs drivningen och initialiseringen. Kalibreringen och valideringen av modellen beskrivs i separata avsnitt. All data har tillhandahållits av Jakob Walve, Stockholms Universitet, om inget annat anges..1 Drivning För att driva den hydrodynamiska modellen i Himmerfjärden behövs: I. meteorologiska förhållanden, II. III. tillrinning och utsläpp, förhållandena på den öppna randen mot Östersjön..1.1 Meteorologisk drivning För den bestämma den meteorologiska drivningen behövs följande information: vindhastighet och riktning, nederbörd, lufttemperatur, relativ luftfuktighet, andel klar himmel (motsatsen till molnighet). Den närmaste väderstationen som är representativ för Himmerfjärden är Landsort. Här utför SMHI regelbundna mätningarna av väderförhållandena. Vinden mäts var tredje timme medan nederbörden anges såsom nederbördsmängd per dag. Lufttemperaturen ges såsom dagliga värden på högsta och lägsta lufttemperaturen. Vinden är förmodligen den viktigaste faktorn för att bestämma cirkulationen och omblandningen i Himmerfjärden. Vinden vid Landsort, i den yttre skärgården, är inte alltid representativ för förhållandena i Himmerfjärden. SMHI har därför på uppdrag av DHI anpassat vindhastigheten för att ta hänsyn till att Himmerfjärden ligger mer skyddat. Friktionskoefficienten sattes till en linjär funktion av vindhastigheten, med värdet,1 vid m/s och,2 vid 2 m/s. Observera att den meteorologiska drivningen antas vara densamma över hela modellområdet, d.v.s. den har ingen horisontell variation. Relativ luftfuktighet och molnighet observeras klockan, och vid SMHI:s väderstation i Stockholm. Dessa data tillhandahölls av SMHI..1.2 Tillrinning och närsaltsbelastning Den hydrodynamiska modellen drivs också av mängden färskvatten som tillförs området under året. De viktigaste källorna av färskvatten till Himmerfjärden är: \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

15 lokal tillrinning från land. Månadsmedelvärdet av flödet från de fyra övergripande avrinningsområdena för Himmerfjärden har beräknats av SMHI. De fyra avrinningsområdena kan i sin tur delas upp i ett stort antal mindre delavrinningsområden. För att begränsa antalet källor i modellen har delavrinningsområdena aggregerats utifrån vilket havsområde de påverkar. Tillflödet från varje aggregerat modellavrinningsområde har beräknats utifrån respektive övergripande avrinningsområdes hela vattenflöde i proportion till den andel av det övergripande avrinningsområdets area som varje modellavrinningsområde representerar. tillrinning från Mälaren genom Södertälje Sluss. Dagliga värdena av volymflödet genom Södertälje Sluss tas fram av Stockholms Hamnar. utsläpp av renat vatten från reningsverket. Dagliga värden av volymflödet renat vatten som släpps ut från reningsverket mäts av SYVAB..1. Randvillkor På de ställena där modellområdet begränsas av en öppen rand, d.v.s. en öppen gräns mot ett intilliggande vattenområde, måste värden anges för modellvariablerna precis utanför modellområdet. I Himmerfjärden är det den södra randen, den mot Östersjön, som är öppen. För den hydrodynamiska modellen måste man ange värden för vattenstånd, temperatur och salthalt. Vattenståndet mäts av SMHI varje timme vid Landsort. Vattenståndet antas vara det samma på södra randen som på Landsort, d.v.s. vinduppstuvning mellan Landsort och den södra randen försummas. Salthalt (se Figur -1) och temperatur (se Figur -2) finns tillgängliga från mätstationen B1 som är belägen strax söder om den öppna randen (söder om Askö; se Figur 2-1). Mätfrekvensen varierar men normalt utförs mätningar två gånger per månad. Den vertikala upplösningen är m för diskreta prov men CTD-mätningar med mycket högre vertikal upplösning finns också tillgängliga. Mätningarna har interpolerats till var femte dag och varje meter vertikalt. Värdena på B1 antas vara representativa för hela randen, d.v.s. en eventuell variation längs randen antas försumbar. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

16 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station B Salinity [psu] Above Below. Jun Jul Figur -1 Uppmätt salthaltsskiktning vid station B1 år, efter interpolation. Station B Jun Jul 1 1 Temperature [C] Above Below Figur -2 Uppmätt temperaturskiktning vid station B1 år, efter interpolation. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

17 .2 Initialisering Att initialisera en modell innebär att starttillståndet definieras, d.v.s. att alla variabler ges ett värde i varje beräkningscell. Den hydrodynamiska modellen MIKE kräver att vattenstånd, temperatur och salthalt initialiseras. Strömmen sätts initialt till noll, eftersom denna ganska snabbt ställer in sig efter drivningen. Vattenståndet initialiserades med ett konstant värde i hela området lika med vattenståndet vid den södra öppna randen för tidpunkten då modellberäkningarna startas, d.v.s. kl. : 1 januari. Den initiala temperaturen och salthalten i Himmerfjärden har bestämts utifrån de observerade vertikala profilerna vid stationerna H1-H och, då data fanns tillgängligt, H, H och X1. Dessa profiler interpolerades och extrapolerades till tre-dimensionella fält som täcker hela beräkningsnätet med värden som är representativa för startdatumet (se Figur -). MzResultView MzResultView Salinity (x=) [PSU] Above Below. Temperature (x=) [deg C] Above Below. Figur - Exempel på tvärsnitt från söder (vänster) till norr (höger) av de initiala salthalts- (övre panelen) och temperaturfälten (nedre panelen) för 1 januari. Axlarnas enhet är meter. Den vänstra kanten visar den öppna randen mot Östersjön. Himmerfjärdsverket är lokaliserat ungefär vid x = -2 m. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

18 Resultat av kalibreringen för år I det här kapitlet presenteras resultaten för den hydrodynamiska kalibreringen för. Modellresultaten jämförs med observerad temperatur och salthalt på stationerna H2 till H (se Figur 2-1). För tidsserierna utgörs mätvärdena av provtagningarna, då CTD-mätningarnas högre vertikala upplösning inte behövs i denna jämförelse. Bottenvärdena för mätningarna och modellresultaten är inte alltid på samma djup därför att djupet i en punkt i modellen inte alltid stämmer överens med det riktiga djupet. På samtliga mätstationer (H2-H) är modellen märkbart grundare än vad mätningarna anger. Observera att djupet för den djupaste mätningen inte nödvändigtvis utgör bottendjupet. Även vertikalprofilerna för salthalt och temperatur har jämförts. Mätningarna har i detta fall behandlats på så sätt att de datum då CTD-mätningar finns tillgängliga har dessa använts på grund av den högre vertikala upplösningen annars har provtagningarna använts. Notera skillnaderna mellan största mätdjup och bottendjupet enligt modellen. Det blev tidigt uppenbart att den allvarligaste bristen i modellen var otillräckliga djupvatteninflöden av salt Östersjövatten. Dessa inflöden sker i form av tunga bottenströmmar och påverkas därför starkt av djupförhållandena, framför allt tröskeldjupen mellan bassängerna. Om den övre begränsningsytan för en sådan bottenström inte når upp ovanför tröskeldjupet så sker inget inflöde till bassängen på andra sidan tröskeln. Som antyds ovan så tycks inte djupen i modellens batymetri stämma överens med de verkliga djupförhållandena. Modellbatymetrin är framtagen utifrån sjökort. Detta har kontrollerats mot uppgifter ur både en digital djupdatabas framtagen åt Svealands Kustvattenvårdsförbund och djupdata för havsområden hämtade ur Svenskt Vattenarkiv (SVAR) hos SMHI. Det visade sig att båda dessa databaser utgår ifrån sjökortsunderlag, och därför knappast skiljer sig åt. I en tidigare modellstudie i Himmerfjärden presenteras tröskeldjup som klart överstiger de som fås ur sjökortsunderlaget (Engqvist & Omstedt, ). Exakt hur dessa författare tagit fram sina siffror framgår dock inte. En ansökan gjordes till Sjöfartsverket om att få tillgång till digitaliserade lodningar från Himmerfjärden, d.v.s. underlaget till sjökorten, men denna ansökan avslogs med hänvisning till rikets säkerhet. Kalibreringsprocessen har därför fokuserat på att modifiera modellbatymetrin för att uppnå rimliga tröskeldjup och realistisk djupvatteninströmning. I brist på bättre underlag justerades tröskeldjupen för de fyra sunden mellan Himmerfjärdens fem större bassänger så att de stämde överens med uppgifterna i Engqvist & Omstedt (). Dessutom genomfördes några försök där den konstanta luftfuktigheten och molnigheten byttes ut mot tidsvarierande uppmätt luftfuktighet och molnighet från SMHI:s mätstation i Stockholm. Försök gjordes även med okorrigerad vind från Landsort. Ingen av dessa modifieringar medförde någon märkbar förbättring i överensstämmelsen med mätningar..1 Tidsserier för salthalt Figur -1 till Figur - visar tidsserier av observerad och modellerad salthalt på ytan och nära botten för mätstationerna H2 till H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

19 Med tanke på den dåliga tidsupplösningen av tillrinningen av färskvatten visar tidsserierna för salthalten på ytan för en relativt god överensstämmelse mellan mätningar och modellresultat. Modellen fångar väl salthaltens dynamik i ytan. Däremot återger inte modellen händelser med extremt låga salthalter i april och maj på de inre stationerna H, H och H. Även i september överskattar modellen salthalten något på stationerna H till H. I juli å andra sidan underskattar modellen salthalten på de yttre stationerna H2 och H. Observera att den kraftiga minskningen i salthalt som sker i modellen i månadsskiftet juli-augusti faktiskt observerats på alla stationer utom H2. Överensstämmelsen i bottenvattnet är bra på station H2 (Figur -1), där samtliga djupvatteninflöden finns med i modellen (indikeras av snabba ökningar i salthalt i bottenvattnet). De enda signifikanta avvikelserna är att modellen överskattar salthalten något från och med februari till början av april och underskattar salthalten i augustiseptember. På station H (Figur -) fångar modellen både nivåerna och dynamiken i salthaltsvariationerna (större djupvatteninflöden återges korrekt) förutom att det modellerade inflödet i månadsskiftet juli-augusti inte riktigt förmår lyfta salthalten lika högt som i mätningarna (som på station H2). Den modellerade salthalten i augusti och september är genomgående en eller ett par tiondels psu för låg. Dessutom visar modellen på fullständig omblandning av hela vattenmassan i början av oktober, en händelse som inte syns i mätningarna. På övriga stationer visar modellen på nästan konstant salthalt vid botten. Detta beror på att de celler i beräkningsnätet som använts för att jämföra med mätningarna på respektive station ligger mycket djupt i förhållande till omgivande batymetri och därför i praktiken är avskurna. I modellen är det som smala schakt just på stationernas positioner. Vattnet är därför oftast stagnant i de nedre cellerna i dessa schakt, d.v.s. vattenutbyte är mycket begränsat. Betraktar man istället den modellerade salthalten på djup som ungefär stämmer med modelldjupen i närheten av varje station så blir jämförelsen mer rättvisande. De djup som använts är m på station H, 1 m på station H, 2 m på station H och 1 m på station H. På station H (Figur -2) fångar modellen de övergripande variationerna, men överskattar salthalten på våren och underskattar den på hösten. Det senare beror sannolikt på att djupvatteninflödena inte är tillräckligt stora och stämmer med resultaten för station H2 och H (se ovan). På station H (Figur -) är överensstämmelsen med mätningarna något bättre, förutom att modellen missar det stora djupvatteninflödet i slutet av juli. Station H och H visar en bra överensstämmelse mellan observerade och modellerade salthalter, förutom en överskattning på våren på station H (Figur -) och en överskattning på ca,2 psu mellan mars och oktober på station H (Figur -). Det bör däremot påpekas att salthaltens variabilitet är liten på dessa stationer. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

20 Figur -1 Salthalt (psu) vid ytan och nära botten vid station H2 år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Figur -2 Salthalt (psu) vid ytan och nära botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Även salthalten på m visas i figuren. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

21 Figur - Salthalt (psu) vid ytan och nära botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Även salthalten på 1 m visas i figuren. Figur - Salthalt (psu) vid ytan och nära botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

22 Figur - Salthalt (psu) vid ytan och nära botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Även salthalten på 2 m visas i figuren. Figur - Salthalt (psu) vid ytan och nära botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Även salthalten på 1 m visas i figuren. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

23 .2 Tidsserier för temperatur Figur - till Figur - visar tidsserier av observerad och modellerad temperatur på ytan och nära botten för mätstationerna H2 till H. Överensstämmelsen mellan modellerade och observerade yttemperaturer för är mycket god, vilket är ett tecken på att värmeutbytet med atmosfären är relativt väl beskriven i modellen. Modellen har en tendens att ibland underskatta yttemperaturen under våren och hösten på de inre stationerna, vilket kan bero på att de meteorologiska observationerna är från Landsort, en utsjöstation. Modellen kördes först med konstanta värden på luftfuktighet och molnighet, men då data från SMHI:s väderstation i Stockholm införskaffats användes dessa tidsserier istället. Resultaten blev då ungefär desamma, men med en viss underskattning av sommartemperaturerna. Därför har konstanta värden på luftfuktighet och molnighet använts i den slutliga versionen. Överensstämmelsen mellan uppmätta och modellerade bottentemperaturer är också god, åtminstone för stationerna H2 och H. På station H (Figur -) underskattas temperaturen i djupvattnet under augusti- september, sannolikt p.g.a. av att ett djupvatteninflöde med kallt vatten inte är tillräckligt starkt i modellen (jämför bottensalthalten ovan). För övriga stationer uppstår samma problem som för bottensalthalten, d.v.s. de djupaste beräkningscellerna är inte representativa för modellresultaten. Med de alternativa jämförelsedjupen fås följande resultat. Vid stationerna H och H blir överensstämmelsen mycket god, med undantag för homogeniseringen av vattenmassan som uppstår i modellen i mitten av oktober, och som inte återfinns i mätningarna. Station H (Figur -) visar också en god överensstämmelse med mätningar, förutom en period med för låga temperaturer i augusti. Slutligen, på station H (Figur -) underskattar modellen temperaturen i djupvattnet med ungefär 1-2 C från maj till oktober, men variationerna är realistiska. Det bör påpekas att modellen genomgående fångar den långsamma uppvärmning som sker i bottenvattnet på grund av nedblandning av varmare ytvatten. Modellen visar också god överensstämmelse med mätningarna vad gäller tidpunkten då ytoch bottenvatten når samma temperatur. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

24 Figur - Temperatur ( o C) vid ytan och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Figur - Temperatur ( o C) vid ytan och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Även temperaturen på m visas i figuren. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

25 Figur - Temperatur ( o C) vid ytan och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Även temperaturen på 1 m visas i figuren. Figur - Temperatur ( o C) vid ytan och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

26 Figur - Temperatur ( o C) vid ytan och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Även temperaturen på 2 m visas i figuren. Figur - Temperatur ( o C) vid ytan och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Även temperaturen på 1 m visas i figuren. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

27 . Vertikalprofiler I Figur -1 till Figur -1 jämförs vertikalprofilerna av uppmätt och modellerad salthalt respektive temperatur för station H vid ett antal tidpunkter. En analys av vertikalprofilerna bekräftar slutsatserna från analysen av tidsserierna. I början av året, när vattenmassan är i stort sett oskiktad, är överensstämmelsen mellan uppmätta och modellerade värden god (Figur -1). Så småningom uppvisar modellen en något förhöjd salthalt i bottenvattnet (Figur -1). Detta beror inte på att den modellerade bottensalthalten har ökat, utan på att de observerade salthalterna minskat. Den modellerade salthalten på m förändras inte alls förrän i samband med det stora djupvatteninflödet i oktober. Anledningen till den konstanta salthalten i bottenvattnet är sannolikt att denna beräkningscell ligger isolerad i ett s.k. schakt, såsom diskuterats ovan. Cellen är den djupaste i området och ligger i en smal djupränna med trösklar på båda sidor om sig med djup på m eller mindre. De beräkningsceller som bara har kontakt med övriga celler via sin övre yta kan endast utbyta vatten via turbulent diffusion. Endast om ovanliggande vatten är mycket tyngre än det nere i cellen blir diffusionen stor i modellen och utbyte sker, eftersom strömhastigheterna (som i huvudsak driver den turbulenta diffusionen) normalt är mycket små på dessa djup. Först i maj börjar vattenmassan skikta sig (Figur -1). Överensstämmelsen mellan modell och mätningar är god, förutom nära botten. I slutat av juni är framför allt temperaturskiktningen tydlig och relativt väl beskriven av modellen (Figur -1). Modellen klarar inte riktigt att återge hur välblandat ytvattnet ovanför språngskiktet är och i bottenvattnet har inte modellen värmts upp så som mätningarna visar. I slutet av augusti är skiktningen som starkast, både avseende temperaturen och salthalten (Figur -1). Modellen beskriver detta mycket väl, återigen med undantag för bottentemperaturerna. Temperaturskiktningen avtar mot slutet av året, vilket modellen fångar på ett realistiskt sätt, för att i november försvinna helt i samband med vinteromblandningen (Figur -1). Detsamma händer i modellen och överensstämmelsen är mycket god. Observera att vertikalomblandningen är tillräckligt kraftig i modellen för att även ge korrekt bottenvattentemperatur, en ökning på ca C från mätningen i mitten på oktober (ej visad). \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

28 Figur -1 Uppmätt (punkter) och modellerad (heldragen linje) salthalt (vänstra figuren) och temperatur (högra figuren) som funktion av djupet på station H Figur -1 Uppmätt (punkter) och modellerad (heldragen linje) salthalt (vänstra figuren) och temperatur (högra figuren) som funktion av djupet på station H --2. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

29 Figur -1 Uppmätt (punkter) och modellerad (heldragen linje) salthalt (vänstra figuren) och temperatur (högra figuren) som funktion av djupet på station H --1. Figur -1 Uppmätt (punkter) och modellerad (heldragen linje) salthalt (vänstra figuren) och temperatur (högra figuren) som funktion av djupet på station H \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

30 Figur -1 Uppmätt (punkter) och modellerad (heldragen linje) salthalt (vänstra figuren) och temperatur (högra figuren) som funktion av djupet på station H --. Figur -1 Uppmätt (punkter) och modellerad (heldragen linje) salthalt (vänstra figuren) och temperatur (högra figuren) som funktion av djupet på station H --. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

31 . Isopletdiagram för salthalt I Figur -1 till Figur -2 presenteras den uppmätta och modellerade salthaltskiktningen i så kallade isopletdiagram. Detta visar hur den vertikala skiktningen utvecklas i tiden i en given punkt. Modellresultaten har filtrerats med ett löpande medelvärde över en vecka, för att bättre kunna jämföras med observationerna som har interpolerats till en profil varje vecka. Observera skillnaden mellan det uppmätta djupet vid varje station och djupet i modellen. Isopletdiagrammen visar samma bild som tidsserierna: överensstämmelsen är i huvudsak god men modellen underskattar djupvatteninflödena (särskilt under vår och höst) och skiktningen är i allmänhet något svagare än observerat. I ytan överskattar modellen salthalten något vid de inre stationerna. Vid stationerna H och H är det uppenbart att beräkningscellerna vid botten är i stort sett isolerade från övriga vattenmassan. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

32 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Salinity [psu] Above Below. Jun Jul Station H Salinity [psu] Above Below. Jun Jul Figur -1 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H2. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

33 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Salinity [psu] Above Below. Jun Jul Station H Salinity [psu] Above Below. Jun Jul Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

34 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Jun.2 Jul Salinity [psu] Above Below.. Station H Jun Jul Salinity [psu] Above Below. Figur -21 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

35 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Jun..2 Jul.2..2 Salinity [psu] Above Below. Station H Jun.... Jul. Salinity [psu] Above Below. Figur -22 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

36 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Salinity [psu] Above Below. Jun Jul Station H Salinity [psu] Above Below. Jun Jul Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

37 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Salinity [psu] Above Below. Jun Jul Station H Salinity [psu] Above Below. Jun Jul Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

38 . Isopletdiagram för temperatur I Figur -2 till Figur - presenteras den uppmätta och modellerade temperaturskiktningen i så kallade isopletdiagram. Detta visar hur den vertikala skiktningen utvecklas i tiden i en given punkt. Modellresultaten har filtrerats med ett löpande medelvärde över en vecka, för att bättre kunna jämföras med observationerna som har interpolerats till en profil varje vecka. Observera skillnaden mellan det uppmätta djupet vid varje station och djupet i modellen. Isopletdiagrammen visar återigen samma bild som tidsserierna: överensstämmelsen är i huvudsak god men skiktningen är i allmänhet något mer diffus än observerat. Det varma ytvattnet tycks i början av oktober tränga ner längre i modellen än i observationerna. I ytan stämmer temperaturen väl med observationerna vid alla stationerna. Vid stationerna H och H är det uppenbart att beräkningscellerna vid botten är i stort sett isolerade från övriga vattenmassan. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

39 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Temperature [C] Above Below Jun Jul Station H Temperature [C] Above Below Jun Jul Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H2. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

40 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Jun Jul Temperature [C] Above Below Station H Jun Jul Temperature [C] Above Below Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

41 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Jun Jul Temperature [C] Above Below Station H Jun Jul 1 1 Temperature [C] Above Below Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

42 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Jun Jul Temperature [C] Above Below Station H Jun Jul 1 1 Temperature [C] Above Below Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

43 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Temperature [C] Above Below Jun Jul Station H Temperature [C] Above Below Jun Jul Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

44 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Station H Temperature [C] Above Below Jun Jul Station H Temperature [C] Above Below Jun Jul Figur - Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

45 Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden. Omsättningstid Resultaten från beräkningar av vattnets ålder under har analyserats genom att den vertikala medelprofilen har beräknats för fyra bassänger: 1) Svärdfjärden, 2) Yttre Himmerfjärden, ) Inre Himmerfjärden och ) Näslandsfjärden. Medelvärdena samt ytterligare statistiska parametrar har beräknats för djupintervaller om m, d.v.s. - m, - m, och så vidare. Vertikalprofilerna presenteras i Figur -1 till Figur -. De vertikala profilerna av vattnets medelålder visar att omsättningstiden ökar från - dagar i den yttre delen av fjärden till -2 i Näslandsfjärden. Detta är något högre värden än de som tidigare rapporterats för perioden 1-1 (Engqvist & Omstedt, ). Profilerna visar också mindre vertikal variation. Värt att notera är att vattnet med den lägsta medelåldern återfinns på botten. Det är en indikation på att tillrinning från land spelar en mindre roll i det totala vattenombytet i Himmerfjärden. Istället är det inflöden från Östersjön som dominerar utbytet. Inflödet tvingar gammalt vatten till ytan vilket ökar medelåldern av ytvattnet Mean Mean+std Mean-std Min Max 2 2 Average age (days) Figur -1 Vertikalprofil av vattnets ålder i bassäng 1: medel, medel plus och minus en standarddeviation, minimum och maximum. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

46 Depth (m) Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Mean Mean+std Mean-std Min Max 2 2 Average age (days) Figur -2 Vertikalprofil av vattnets ålder i bassäng 2: medel, medel plus och minus en standarddeviation, minimum och maximum. Mean Mean+std Mean-std Min Max Average age (days) Figur - Vertikalprofil av vattnets ålder i bassäng : medel, medel plus och minus en standarddeviation, minimum och maximum. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

47 Depth (m) Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Mean Mean+std Mean-std Min Max 2 2 Average age (days) Figur - Vertikalprofil av vattnets ålder i bassäng : medel, medel plus och minus en standarddeviation, minimum och maximum. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

48 Resultat av valideringen för år I det här kapitlet presenteras resultaten av valideringen av den hydrodynamiska modellen för år. Modellen är identisk med den som kalibrerats för men drivs med data från. Resultaten har jämförts med mätningar från..1 Tidsserier för salthalt Figur -1 till Figur - visar tidsserier av observerad och modellerad salthalt på ytan och nära botten för mätstationerna H2 till H. Modellresultaten för stämmer faktiskt något bättre överens med observationerna än för. Återigen har alternativa jämförelsedjup fått användas för bottenvattnet på stationerna H, H och H. Observera däremot att överensstämmelsen på mellannivåer också är god på samtliga stationer. De största avvikelserna återfinns vid ytan på stationen H (Figur -), där modellen överskattar salthalten vid flera tillfällen. Precis som för år underskattar modellen salthaltsökningen något i bottenvattnet vid djupvatteninflöde, t.ex. i juli, augusti och september. År var däremot ett något mindre dynamiskt år med svagare och färre djupvatteninflöden. Generellt sett är överensstämmelsen mellan mätningar och modellen tillfredsställande och modellen får anses vara validerad. Figur -1 Salthalt (psu) vid ytan, på 1 m och på botten vid station H2 år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

49 Figur -2 Salthalt (psu) vid ytan, på 2 m och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Figur - Salthalt (psu) vid ytan, på 1 m och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

50 Figur - Salthalt (psu) vid ytan, på 1 m och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Figur - Salthalt (psu) vid ytan, på 1 m och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

51 Figur - Salthalt (psu) vid ytan, på 1 m och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar..2 Tidsserier för temperatur Figur - till Figur - visar tidsserier av observerad och modellerad temperatur på ytan och nära botten för mätstationerna H2 till H. Överensstämmelsen mellan modellerade och uppmätta yttemperaturer är lika bra för som för. Samma tendens att underskatta temperaturen på våren och i synnerhet under senhösten syns också. Som beskrivits ovan gällande salthalten, verkar år vara mindre dynamiskt i djupvattnet. Överensstämmelsen med mätningarna är något bättre jämfört med, även om modellen återigen underskattar bottentemperaturen, särskilt på de inre stationerna samt H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

52 Figur - Temperatur ( o C) vid ytan, på 1 m och på botten vid station H2 år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Figur - Temperatur ( o C) vid ytan, på 2 m och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

53 Figur - Temperatur ( o C) vid ytan, på 1 m och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Figur - Temperatur ( o C) vid ytan, på 1 m och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

54 Figur - Temperatur ( o C) vid ytan, på 1 m och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. Figur - Temperatur ( o C) vid ytan, på 1 m och på botten vid station H år. Heldragna linjer är modellresultat och symbolerna mätningar. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

55 . Isopletdiagram för salthalt I Figur -1 till Figur -1 presenteras den uppmätta och modellerade salthaltskiktningen i så kallade isopletdiagram. Detta visar hur den vertikala skiktningen utvecklas i tiden i en given punkt. Modellresultaten har filtrerats med ett löpande medelvärde över en vecka, för att bättre kunna jämföras med observationerna som har interpolerats till en profil varje vecka. Observera skillnaden mellan det uppmätta djupet vid varje station och djupet i modellen. Isopletdiagrammen stödjer återigen analysen av tidsserierna. Överensstämmelsen är generellt god men i djupvattnet, särskilt på stationerna H och H, är förhållandena i modellen i stort sett stagnanta till skillnad från observationerna där variationerna är större. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

56 Depth Depth Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Isopleth Salinity H2 - Observed Jun Jul Date Salinity Above Below. Isopleth Salinity H2 - Calculated Jun Jul Date Salinity Above Below. Figur -1 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H2. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

57 Depth Depth Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Isopleth Salinity H - Observed Jun Jul Date..... Salinity Above Below. Isopleth Salinity H - Calculated Jun Jul Date.... Salinity Above Below. Figur -1 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

58 Depth Depth Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Isopleth Salinity H - Observed Jun Jul Date.2..2 Salinity Above Below. Isopleth Salinity H - Calculated Jun Jul Date Salinity Above Below. Figur -1 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

59 Depth Depth Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Isopleth Salinity H - Observed Jun Jul Date Salinity Above Below Isopleth Salinity H - Calculated Jun Jul Date Salinity Above Below. Figur -1 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

60 Depth Depth Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden. Isopleth Salinity H - Observed Jun Jul Date. Salinity Above Below. Isopleth Salinity H - Calculated Jun Jul Date.. Salinity Above Below. Figur -1 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

61 Depth Depth Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Isopleth Salinity H - Observed Jun Jul Date. Salinity Above Below. Isopleth Salinity H - Calculated Jun Jul Date... Salinity Above Below. Figur -1 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) salthalt vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

62 . Isopletdiagram för temperatur I Figur -2 till Figur - presenteras den uppmätta och modellerade temperaturskiktningen i så kallade isopletdiagram. Detta visar hur den vertikala skiktningen utvecklas i tiden i en given punkt. Modellresultaten har filtrerats med ett löpande medelvärde över en vecka, för att bättre kunna jämföras med observationerna som har interpolerats till en profil varje vecka. Observera skillnaden mellan det uppmätta djupet vid varje station och djupet i modellen. Isopletdiagrammen stödjer återigen analysen av tidsserierna. Överensstämmelsen är generellt god men i djupvattnet, särskilt på stationerna H och H, är förhållandena i modellen i stort sett stagnanta till skillnad från observationerna där variationerna är större. Sommartermoklinen tycks också ligga något grundare i modellen än observerat. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

63 Depth Depth Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Isopleth Temperature H2 - Observed Jun Jul Date 1 Temperature Above Below Isopleth Temperature H2 - Calculated Jun Jul Date Temperature Above Below Figur -1 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H2. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

64 Depth Depth 1 Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Isopleth Temperature H - Observed Jun Jul Date Temperature Above Below Isopleth Temperature H - Calculated Jun Jul Date Temperature Above Below Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

65 Depth Depth 1 Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden -2 Isopleth Temperature H - Observed Jun Jul Date Temperature Above Below Isopleth Temperature H - Calculated Jun Jul Date Temperature Above Below Figur -21 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum:

66 Depth Depth 1 1 Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Isopleth Temperature H - Observed Jun Jul Date Temperature Above Below Isopleth Temperature H - Calculated Jun Jul Date Temperature Above Below Figur -22 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

67 Depth Depth 1 Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Isopleth Temperature H - Observed Jun Jul Date Temperature Above Below Isopleth Temperature H - Calculated Jun Jul Date Temperature Above Below Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21

68 Depth Depth 1 Hydrodynamisk modellering i Himmerfjärden Isopleth Temperature H - Observed Jun Jul Date Temperature Above Below Isopleth Temperature H - Calculated Jun Jul Date Temperature Above Below Figur -2 Uppmätt (övre) och modellerad (nedre) temperatur vid station H. \\LUND-FS1.dhi.se\Projekt\RDI\2_Himmerfjärden_biologisk_modellering\_Dokumentation\HDrapport\dhi_hd_himmerfj_svu.docx Uppdragnsnr: Utskriftdatum: 2--21