Modelling of Physical Processes and Assessment of Climate Change Impacts in Great Bear Lake

Abstract

Polar lakes are highly sensitive to changes in the climate. As a contribution to the International Polar Year (IPY), the impact of climate warming on the thermal characteristics of Great Bear Lake is studied. During the summer of 2008, time series observations of meteorological, hydrological and physical limnological parameters in the lake were obtained to characterize the thermal regime. These observations and the forecasted forcing from a regional version of the Canadian operational Global Environmental Multiscale (GEM) model are used to simulate the ice-free hydrodynamics in Great Bear Lake using the high-resolution, three-dimensional hydrodynamic Princeton Ocean Model (POM). The model results of surface and sub-surface temperatures are first compared with satellite and in-lake measurements. The model simulates weak stratification and predicts mean cyclonic circulation reasonably well. The impact of climate warming caused by greenhouse gases is studied using Canadian Regional Climate Model (CRCM) scenarios for the base climate (1970–2000) and future warmer climate (2041–70). This scenario predicts an increase in surface temperature of over 2°C in the northeast corner, whereas in the rest of the lake the increases vary from 0.5° to 1°C. The results show that brief thermal stratification is possible in the deeper waters. The increase in water temperature caused by climate warming in the lake appears largely because of the positive increase in net longwave radiation and sensible heat flux, which result from changes in the temperature gradient between the air and the lake and slightly reduced wind speeds in the climate warming projections. RÉSUMÉ [Traduit par la rédaction] Les lacs des régions polaires sont extrêmement sensibles aux changements dans le climat. Notre contribution dans le cadre de l'Année polaire internationale (IPY) consiste à étudier les répercussions du réchauffement climatique sur les caractéristiques thermiques du Grand lac de l'Ours. Pendant l’été 2008, nous avons effectué des observations de séries chronologiques par rapport aux paramètres météorologiques, hydrologiques et limnologiques physiques dans le lac afin de caractériser le régime thermique. Ces observations conjuguées au forçage radiatif prévu établi à partir de la version régionale du modèle global environnemental multiéchelle canadien (GEM), utilisé pour produire les prévisions météorologiques opérationnelles, nous permettent de simuler l'hydrodynamique sans glace dans le Grand lac de l'Ours au moyen d'un modèle hydrodynamique tridimensionnel à haute définition, le modèle océanique de Princeton (POM). Nous comparons d'abord les températures subsurfaces et de surface obtenues au moyen du modèle, aux mesures satellitaires et du lac. Le modèle présente la simulation d'une stratification faible et il prédit raisonnablement bien la circulation cyclonique moyenne. Nous étudions les répercussions du réchauffement climatique causé par les gaz à effet de serre en nous servant des scénarios du MRCC pour le climat de référence (1970–2000) et le climat plus doux à l'avenir (2041–2070). Ce scénario prévoit une hausse de la température de surface, supérieure à 2°C dans la partie nord-est. En revanche, l'augmentation de la température dans le reste du lac varie de 0,5° à 1°C. Les résultats démontrent qu'une brève stratification thermique est possible en eau profonde. L'augmentation de la température de l'eau attribuable au réchauffement climatique dans le lac semble essentiellement due à l'augmentation du rayonnement de grandes longueurs d'onde et du flux de chaleur sensible nets, qui s'explique par les changements survenus dans le gradient de température entre l'air et le lac et par la légère diminution de la vélocité des vents dans les prévisions relatives au réchauffement climatique.