Rapport. Strømmodellering med SINMOD i Førdefjorden. Forfatter(e) Morten Omholt Alver Finn Are Michelsen Ingrid Helene Ellingsen

Transkript

1 - Restricted Rapport Strømmodellering med SINMOD i Førdefjorden Forfatter(e) Morten Omholt Alver Finn Are Michelsen Ingrid Helene Ellingsen SINTEF Fiskeri og havbruk AS Marin ressursteknologi

2

3 Historikk DATO SBESKRIVELSE av 62

4 Innholdsfortegnelse Introduksjon Metoder, modelloppsett og simuleringer SINMOD Storskala modelloppsett m modell for Sør-Norge og Skagerak og 60 m modell for Førdefjorden og omgivelsene m modell for deponiområdet og omgivelsene Modelloppsett for 25 og 50 års endret bunntopografi Inngangsdata Atmosfærefelt Ferskvannstilstrømning Tidevann Simuleringer og dataleveranse Strømningsmønster og hydrografi i Førdefjorden Hydrografi og utveksling mellom fjord og kyst Sesongvariasjon i strømforhold Indre tidevann og påvirkning på strømforhold Deponiets effekt på strømmønsteret Strømforhold Oppsummering, stasjon for stasjon Stasjon Stasjon Stasjon Stasjon Stasjon Stasjon Stasjon Konklusjon Referanser A Gjennomsnittlige strømhastigheter ved stasjonene BILAG/VEDLEGG 3 av 62

5 4 av 62

6 Introduksjon Formålet med dette arbeidet er å etablere strømmodellen SINMOD (Slagstad og McClimans 2005) for å simulere strømforholdene i ytre del av Førdefjorden, inkludert planlagt deponiområde for Engebøprosjektet. Strømmodellen representerer variasjoner i strømbildet over ett år fra og med juli 203 til og med juni 204, basert på informasjon om alle de viktigste egenskapene og drivkreftene som påvirker strømmønsteret i fjorden. Dette gir grunnlag for å vurdere hvilke strømforhold som kan forventes gjennom året i forskjellige områder og dybder, noe som er blitt etterspurt som en del av beslutningsgrunnlaget i spørsmålet om sjødeponi i Førdefjorden. Strømmodellen gir for øvrig datagrunnlag for simuleringene av partikkelspredning og deponering som gjøres med modelleringsverktøyet DREAM (Reed og Hetland 2002). 2 Metoder, modelloppsett og simuleringer 2. SINMOD SINMOD er en koblet hydrodynamisk og biologisk havmodell. Den hydrodynamiske modellen er basert på de primitive Navier-Stokes-ligningene som løses ved endelige differansers metode. Modellen har blitt utviklet ved SINTEF siden 987 og er etablert for en rekke områder langs norskekysten og Barentshavet. Detaljerte beskrivelser av den hydrodynamiske komponenten i SINMOD er gitt i Støle-Hansen og Slagstad (99) og Slagstad og McClimans (2005). Modellen benytter seg av et regulært z-grid, det vil si at modellområdet horisontalt deles opp i kvadratiske celler med lik størrelse, og at det vertikalt deles i lag som har samme tykkelse over hele modellområdet. Tykkelsen varierer imidlertid mellom lagene, slik at det brukes tynnere lag i de dybdene vi har behov for høy oppløsning. SINMOD er et nøstet modellsystem. Det vil si at i et modelloppsett med en bestemt horisontal oppløsning/rutestørrelse (vanligvis 4000, 800, 60, 53.3 eller 32 m) beregnes grensebetingelsene (verdiene på kanten av modellområdet) i en grovere modell og tilpasses oppløsningen i den finere modellen ved interpolasjon. For et oppsett i 53.3 m oppløsning brukes grensebetingelser fra en 60 m modell og for en 4 km modell brukes grensebetingelser fra modellen i 20 km oppløsning. I 20 km-modellen spesifiseres grensebetingelsene. Simuleringer i 53.3 m oppløsning krever dermed simuleringer i fem nivåer fra 20 km til 53.3 m (vist i Figur til Figur 4). I dette prosjektet ble det satt opp nye modeller i 60 og 53.3 meters horisontale oppløsninger, nøstet fra modeller etablert i tidligere arbeider. Merk: SINMOD bruker en polarstereografisk projeksjon til å projisere modellområdene inn på modellens grid. Dette innebærer at retninger i modellen er rotert i forhold til himmelretningene i en vinkel som avhenger av lengdegraden. For Førdefjorden er rotasjonen ca grader. Dette er synlig i figurene som presenterer de forskjellige modellområdene, men i alle datafremstillingene i rapporten utover dette er det kompensert for denne rotasjonen. 5 av 62

7 2.2 Storskala modelloppsett Figur : Storskala modellområder i 20 km og 4 km oppløsning. Fargene viser bunntopografien i 20 km-oppsettet. Rektangelet viser yttergrensene for 4 km-modellen m modell for Sør-Norge og Skagerak og 60 m modell for Førdefjorden og omgivelsene Modelloppsettet i 800 meters horisontal oppløsning (Figur 2) dekker havområdet fra Grenaa (Danmark) i sør til Molde i nord (omtrent fra 56 til 63 N) og dekker deler av Nordsjøen, hele Skagerrak, deler av Kattegat og norskekysten. Det er brukt 30 vertikale lag i modellen, som alle har en fast tykkelse, bortsett fra det øverste laget som er opp til 3 m tykt og laget mot bunnen. Lagene mot toppen er på noen få meters tykkelse, mens de lenger ned er opptil 500 m tykke. Det største dypet i området er på ca. 333 m, i Sognefjorden. Modellen i 800 m oppløsning genererer grensebetingelser til en modell i 60 m oppløsning for Førdefjorden og områdene utenfor (Figur 3). 6 av 62

8 Figur 2: Modellområde for kysten av Sør-Norge og Skagerrak i 800 meters horisontal oppløsning. Legg merke til orienteringen av kartet. Fargene viser simulert salinitet (ppt) i overflatelaget for 20. juni 204. Den mørkeste blåfargen angir salinitet på 32 eller lavere, og den mørkeste rødfargen angir salinitet på 35.2 eller høyere. De tynne, sort linjene er 200 og 500 meters dybdekonturer. Fra spissen av Nord-Jylland og nordover langs svenskekysten ser vi en klar grense mellom brakkvannet fra Østersjøen og det saltere atlantiske vannet, som er tyngre og blir presset ned under det ferskere overflatevannet. Vannet fra Østersjøen strømmer nordover og gir opphav til den norske kyststrømmen. Kyststrømmen får tilførsel av ferskvann fra land langs hele norskekysten, og vi ser et tydelig skille mellom kystvannet og det saltere, atlantiske vannet utenfor. 7 av 62

9 Figur 3: Modellområde for Førdefjorden og omgivelsene i 60 meters horisontal oppløsning. Legg merke til orienteringen av kartet. Fargene viser simulert salinitet (PSU) i overflatelaget for 29. november 203. Det svarte rektangelet viser yttergrensene til modellen i 53.3 m oppløsning som er satt opp for deler av Førdefjorden m modell for deponiområdet og omgivelsene Ytre del av Førdefjorden er modellert i 53.3 m oppløsning (Figur 4). Modelloppsettet har horisontale dimensjoner 38x480, og 68 vertikale lag. Den vertikale oppløsningen er på -5 m i de øverste 50 m, 0-25 m i intervallet m, 5-0 m i intervallet m, og m for større dybder enn 350 m. Modellen mottar grenseverdier fra 60-metersmodellen både på utsiden av fjorden og fra den indre delen av fjorden innenfor Ålasundet. 8 av 62

10 Inne i den ytre delen av Førdefjorden er høyoppløste data fra Sjøkartverket med 2 meters oppløsning brukt for å gi detaljert batymetri. Batymetrien i modellområdet utover dette er basert på databasen DBM. Figur 4: Modellområde for deler av Førdefjorden i 53.3 m oppløsning. Figuren viser batymetrien i modellområdet. Posisjonene til stasjonene for strømmåling er markert. 9 av 62

11 Figur 5: Bunntopografi for deponiområdet og områdene rundt. Dette utsnittet er vist i tradisjonell kartorientering. Dybdeverdier er angitt i m. 2.5 Modelloppsett for 25 og 50 års endret bunntopografi Strømforholdene som beregnes og valideres i dag med SINMOD er nødvendigvis basert på dagens bunntopografi. Etter som deponiet bygger seg opp og endrer bunntopografien i denne delen av fjorden vil det kunne ha effekter på strømmønsteret. For å kunne estimere denne effekten har to fremtidsscenarier blitt simulert i modellen, ett som representerer 25 års deponering og ett som representerer 50 år. Geometrien på deponiet er blitt estimert av Asplan Viak. Bunntopografien for området forøvrig er beholdt lik i de opprinnelige simuleringene, men i alle punkter innenfor deponiet er bunnen hevet til det estimerte nivået. En simulering for mars 204 ble gjort for hvert av fremtidsscenariene for å gi grunnlag for beregning av endrede spredningsmønster med DREAM, og for sammenligning av strømhastigheter med resultatene fra dagens bunntopografi. 0 av 62

12 Figur 6: Bunntopografi i deponiområdet, estimert etter 25 (over) og 50 års (under) deponering. Isolinjer er vist for 200, 225, 250, 275 og 300 m. av 62

13 2.6 Inngangsdata Driverne for modellsystemet er atmosfærefelt (vind, temperatur, skydekke, luftfuktighet og trykk), ferskvannstilstrømning og tidevann. I de følgende avsnittene beskrives det hvordan disse drivkreftene er tatt hensyn til i modellen Atmosfærefelt Atmosfæredata er anskaffet fra European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) sitt datasett ERA-Interim (Dee et al. 20), og brukes til å beregne vindkrefter på havoverflaten samt varmeutveksling (oppvarming og kjøling) mellom hav og atmosfære. Variablene som er brukt fra ERA- Interim er 0 m U/V wind components, 2 m temperature / dewpoint temperature, mean sea level pressure og total cloud cover, med tidsintervall på 6 timer og geografisk oppløsning på 0.5 grader. Feltene gjelder for den aktuelle tidsperioden som er simulert, og verdiene er interpolert ned til hvert av de fem SINMOD-oppsettene som er brukt Ferskvannstilstrømning Ferskvannstilstrømning representeres som elveutløp plassert i en av ytterkantene av enkelte celler i modellen. Hvert utløp representeres ved en volumstrøm med vann per tidsenhet som varierer gjennom året, karakterisert ved en temperatur og en salinitet. Da det, avhengig av modellens oppløsning, ikke alltid er mulig å representere alle separate innstrømningspunkter langs kysten, må man av og til slå sammen disse til bestemte punkter som representerer gitte nedslagsfelt for vann. I storskalamodellen er ikke Østersjøen inkludert, men ferskvannstilførselen derfra er inkludert. Ferskvannsavrenningen gjennom året baseres på klimatologiske data fra NVE for alle modellområdene. Total elveavrenning brukt for Førdefjorden er vist i Figur 7. Figur 7: Total elveavrenning til Førdefjorden gjennom året, brukt som grunnlag for ferskvannstiltrømningen i SINMOD. 2 av 62

14 2.6.3 Tidevann Tidevann defineres ved 8 tidevannskomponenter (M2, S2, K, N2, K2, O, P og Q) langs de åpne rendene til storskalamodellen, og beregnes basert på data fra TPXO 6.2 ( Gjennom elevasjonen på overflaten propagerer tidevannssignalet så gjennom nøstingen inn til høyere oppløste områder. 2.7 Simuleringer og dataleveranse Modellsystemet har blitt simulert for ett år, fra og med juli 203 til og med juni 204. Alle modelloppsettene (20 km, 4 km, 800 m, 60 m og 53.3 m) er kjørt for hele denne perioden. I forkant av dette er en oppspinningsfase gjennomført, hvor modellene simuleres i en periode (ca. 6 måneder i den høyoppløste modellen, 8 måneder i 60-meters modellen, og flere år i storskalamodellene) for å etablere gode initialbetingelser for hovedperioden. I 53.3-metersmodellen beregnes hele strømfeltet med et tidsskritt på 0 sekunder. Data fra SINMOD har blitt levert i NetCDF-format for input til DREAM-modellen. Datafilene omfatter hele området modellert i 53.3 m oppløsning, med datapunkter hvert 20. minutt for strøm og vind over ett år. Modellgridet spenner opp et tredimensjonalt rutenett med ca. millioner celler, derav ca. 0% er "våte" punkter de resterende 90% er punkter som ligger på land eller under havbunnen. For hvert tidspunkt angis derfor verdier for strøm (nord- og øst-komponenter) i ca.. millioner punkter. 3 av 62

15 3 Strømningsmønster og hydrografi i Førdefjorden I dette kapittelet vil vi redegjøre for hovedtrekkene i fjordsirkulasjonen slik den beskrives av modellen for Førdefjorden. Modelloppsettet har i dette prosjektet gjennomgått en grundig validering ved hjelp av måleprogrammet for strøm og hydrografi, som viser at modellen representerer de sentrale strøm- og utskiftningsprosessene i fjorden. Sammenligninger med måledata inngår i diskusjonene i dette kapittelet, spesielt i gjennomgangen stasjon for stasjon. 3. Hydrografi og utveksling mellom fjord og kyst Førdefjorden har en dyp terskel og god utveksling med kystvannet utenfor (se for eksempel Sundfjord og Bjerkeng, 2008). Terskelen på ca. 200 m ligger under kyststrømmen og vannutskiftingen i fjorden har dermed sammenheng med tetthetsvariasjonene til atlantisk vann utenfor fjorden. Videre har virvler i kyststrømmen stor betydning for dynamikken i området. De påvirker tettheten av vannet utenfor Førdefjorden. McClimans et al. (2009) viser betydningen av denne dynamikken for Fensfjorden sør for Førdefjorden og de viser videre at slike virvler har sammenheng med variasjon i kyststrømmen ut fra Skagerak. Virvlene har en størrelse på km og er representert i modelloppsettet som dekker Sør-Norge (Figur 2). Modellen vil således kunne gjengi variabiliteten forårsaket av disse virvlene, men det kan være faseforskjeller grunnet vekst av forstyrelser som ikke er med i modellen. Figur 8 viser hvordan den simulerte tetthetssjiktningen i fjorden varierer fra februar til mai 204 fra stasjon og til stasjon 3. I de øverste 75 m oppstår det episoder med jevne mellomrom der de øverste lagene øker i tykkelse. Analyser av 60 m modellen viser at sykloniske virvler i kyststrømmen utenfor blokkerer delvis utstrømming av brakkvann fra fjorden og det oppstår en utstrømming av vannmassene som ligger under. Forsterket strøm i dette laget er vist i figur 9.I fra midten av april foregår en utskiftning av vannmassene og vi kan se et klart signal i økende tetthet som forplanter seg innover fjorden. Signalet sees etter hvert også ved stasjon 6 som tyder på at det indre bassenget også gjennomgår en utskiftning i denne perioden. Etter hvert som tyngre vann erstatter dypvannet i fjorden vil det opprinnelige dypvannet bli blandet og løftet oppover, noe som resulterer i tyngre vann i hele vannsøylen under 50 m. Tilsvarende prosess har blitt beskrevet ut i fra månedlige hydrografimålinger utført i 2008 (Sundfjord og Bjerkeng, 2008). Figur 8 og 9 viser flere detaljer om vannmassenes hydrografi og sesongendringer og sammenligner modellresultat og måledata. Modellen har i august et bunnvann som er ferskere og følgelig lettere enn det som vises fra målinger (Figur 0, Stasjon 3). Atlantisk vann i 800 og 60 m området har en salinitet over 35., men på grunn av kompleks topografi i i området ser det ut til at modellene overestimerer blandingen mellom kystvann og Atlantisk vann. Modellen gjengir stratifiseringen på en god måte med hensyn på brakkvannstykkelse og vertikal sjiktning i perioden for alle stasjonene. Det største avviket mellom måledata og modelldata finner vi for overflatevann i februar. Observasjonene viser at brakkvannslaget etter hvert brytes opp ettersom det er lite ferskvannstilførsel i denne perioden. Modellen har noe ferskvann som kommer ut og som gir lavere overflateverdier for saltholdighet. I de dypere lagene er det stort sett atlantisk vann hvis tetthet er mer avhengig av temperatur. I perioden frem til oktober tyder både målinger og modell på at det har kommet inn kystvann i mellomlaget som ligger under brakkvannslaget og over terskeldyp. Resultater fra modellen viser en høyere temperatur og en lavere saltholdighet. Frem til desember og videre til februar minsker det øvre brakkvannslaget ettersom tilførselen av ferskvann i denne perioden er liten, samtidig kjøles overflatelaget ned i vintermånedene. Kaldere vann blandes etter hvert nedover i vannsøylen og i denne perioden viser målingene ved flere stasjoner instabiliteter i mellomlaget. Fra oktober og frem til desember viser både observasjoner og målte data en økning i temperatur. Simuleringene viser derimot en økning i saltholdighet, mens en omvendt trend kommer frem fra observasjonene. Dette medfører at gapet mellom simulert og observert saltholdighet avtar, en trend som fortsetter frem til mai. I februar er mellomlaget stratifisert ned til terskeldyp. Stratifiseringen er 4 av 62

16 derimot svakere i modellen enn det målingene viser. Dette har betydning for utviklingen videre i mai og juni. Vannet er tyngre enn bunnvannet i simuleringene og det foregår en utskiftning som beskrevet over. Dette medfører at modellen viser temperaturer ned mot 6 grader i dypere vann mens observasjonene tyder på dette vannet å lagres inn over 70 m. Endringene i observert hydrografi av bunnvannet i perioden er litt vanskelig å tolke ettersom det er få datapunkt. Stabiliteten til vannmassene under terskeldyp er lav i denne perioden, og vi får potensielt dyp blanding. Nedblanding av ferskere vann høyere opp i vannsøylen kan derfor forklare at observert saltholdighet har blitt mindre fra februar til mai. Temperaturprofilen tyder derimot på at det er struktur i vannmassene, og det er også mulig at det har vært utskiftning i perioden. For eksempel foregår det også en tilsynelatende utskiftning av bunnvannet. Det kan ha vært endringer som ikke er fanget opp mellom måletidspunktene for hydrografi. De dataene vi har tyder på at vi har frekvente utskiftninger av vann i mellomlaget, noe som også kommer frem i modellen. En utfordring i modellen er avvik i saltholdigheten til Atlantisk vann, og vi får i perioder bunnvann med noe underestimert tetthet. Utover det gir modellen generelt en god gjengivelse av sesongendringer i hydrografi. Utskiftninger i bunnvannet inntreffer i simuleringen, noe som har betydning for strømmer på dypere vann, tilsvarende utskiftninger har skjedd tidligere år (Sundfjord og Bjerkeng, 2008). Ut ifra Figur 9 ser det videre ut til at den lave stabiliteten også medfører en ventilering av dypvannet som følge av vertikal blanding. 5 av 62

17 Figur 8: Modellert tetthetssjiktning fra. februar til. juli 204 ved stasjon av 62

18 Figur 9: Hydrografi ved stasjon. Sorte kurver viser målinger, røde kurver viser modelldata fra samme dag. Tettheten i høyre kolonne er beregnet fra saliniteten og temperaturen. Rekkefølgen for tidspunktene følger kronologien i måleprogrammet (første måling august 203, siste måling juli 204). 7 av 62

19 Figur 0: Hydrografi ved stasjon 3. Sorte kurver viser målinger, røde kurver viser modelldata fra samme dag. Tettheten i høyre kolonne er beregnet fra saliniteten og temperaturen. 8 av 62

20 3.2 Sesongvariasjon i strømforhold Figur 0-8 viser hvordan de simulerte strømforholdene (månedsmiddel) i fjorden varierer i dyp og over året. Ferskvannstilførselen danner et brakkvannslag som driver ut fjorden. Utstrømming av dette laget kan vi tydelig se igjen i strømningsbildet ved 5 m dyp i fra februar 204 til og med juni 204 (Figur 0-2). Hydrografi dataene fra februar tyder på at det er lite ferskvannstilførsel på denne tiden av året (gjennomgående høye saltholdighetsverdier for alle stasjoner) som igjen indikerer at det er unøyaktigheter i inngangsdataene til modellen. Ferskvannstilførselen i modellen er basert på klimatologiske data, og fanger derfor ikke opp avvik fra normalen for dette året. Modellen viser som forventet at utstrømmingen blir sterkere utover mars og april, og litt svakere i mai og juni. Etterhvert som ferskvannstilførselen avtar blir brakkvannslaget tynnere. Under brakkvannstrømmen finner vi kompensasjonsstrømmen, som vises ved 5 m dyp at det strømmer innover i fjorden. Den svakeste strømmen på dette dypet er i januar 204, det kan tyde på at 5m er mellom brakkvannstrømmen ut og kompensasjonsstrømmen inn. Ved 00 m og 290 m dyp er det større variasjoner i strømbildet (Figur 3-8). Dette er naturlig ettersom strømmene i denne delen av vannsøylen drives i stor grad av tetthetsforskjeller mellom fjord og kystvann utenfor (tidevann midlet ut). Under ca. 00 m er det atlantisk vann med sesongs- og kortere-tids variabilitet. Ved 00 m dyp ser vi perioder med svak strøm en klassisk bassengsirkulasjon med innstrømming på sørsiden og utstrømming på nordsiden. I tillegg er det lukket virvel i det innerste bassenget. Innstrømming av kystvann til fjorden inntreffer i modellen ved 00 m for august til november 203. I store deler av året simuleres det en strøm i motsatt retning og som varierer i styrke. Denne situasjonen må vi se i sammenheng med strøm ved 290 m dyp og utskifting av bunnvann som er beskrevet i 3.. Etter som tyngre vann strømmer innover i fjorden løftes det eksisterende bunnvann opp og vi får en trykkgradient som setter opp transport av vann ut mot kysten. Tilsvarende strømmer det innover ved 290 m dyp. 9 av 62

21 Figur : Månedsmidler januar-april ved 5 m dyp. Fargeskalaen indikerer hastigheten på gjennomsnittsstrømmene, mens pilene indikerer hastighet og retning. Merk at lengden på pilene er skalert uavhengig for hver delfigur. 20 av 62

22 Figur 2: Månedsmidler mai-august ved 5 m dyp. Fargeskalaen indikerer hastigheten på gjennomsnittsstrømmene, mens pilene indikerer hastighet og retning. Merk at lengden på pilene er skalert uavhengig for hver delfigur. 2 av 62

23 Figur 3: Månedsmidler september-desember ved 5 m dyp. Fargeskalaen indikerer hastigheten på gjennomsnittsstrømmene, mens pilene indikerer hastighet og retning. Merk at lengden på pilene er skalert uavhengig for hver delfigur. 22 av 62

24 Figur 4: Månedsmidler januar-april ved 00 m dyp. Fargeskalaen indikerer hastigheten på gjennomsnittsstrømmene, mens pilene indikerer hastighet og retning. Merk at lengden på pilene er skalert uavhengig for hver delfigur. 23 av 62

27 Figur 7: Månedsmidler januar-april ved 290 m dyp. Fargeskalaen indikerer hastigheten på gjennomsnittsstrømmene, mens pilene indikerer hastighet og retning. Merk at lengden på pilene er skalert uavhengig for hver delfigur. 26 av 62

30 Figur 20: Modellert tetthets- og strømprofil gjennom februar 204 for stasjon av 62

31 Figur 2: Modellert tetthets- og strømprofil gjennom februar 204 for stasjon Indre tidevann og påvirkning på strømforhold Indre bølger oppstår på grenseflaten mellom tyngre og lettere vann og er et vanlig fenomen i stratifiserte fjorder. Slike bølger dannes gjerne over terskler, som ved Ålasundet. Disse bølgene oppstår med forskjellig lengde og frekvens. Bølger som har samme frekvens som tidevannet kalles indre tidevannsbølger. Dette er lange bølger som forplanter seg inne i fjordsystemet. Ved lav stabilitet av vannsøylen vil slike bølger gi et viktig bidrag til vertikal miksing. Det barotrope tidevannet som vi kjenner til som flo og fjære fortoner seg tilnærmet som en stående bølge i fjorden. Det barotrope tidevannet kan være betydelig i innsnevringer i topografien, som ved stasjon 6. Ut i det dypere bassenget er derimot de barotrope tidevannsstrømmene svake og vannbevegelse satt opp av indre tidevannsbølger kan være betydelige (se for eksempel Ellingsen et al. 2008). Tidligere modelloppsett (Staalstrøm og Daae, 2009) har indikert at man finner indre bølger i Førdefjorden. 30 av 62

32 Dette finner vi også i SINMOD. Figur 20 og Figur 2 viser hvordan tettheten og strømfarten endrer seg med tiden. Tidevannsstrømmer observeres i modellen ved alle dyp, ved alle stasjoner, og indre tidevann har stor betydning for stasjon -5. Eksempelvis ser vi ved 20 m dyp at indre tidevannsstrømmer dominerer i perioder, mens det er lite synlig i andre perioder, og ved stasjon 2 og 3 ser vi indre tidevannssstrømmer helt ned mot bunn (ikke vist). Utstrømming av brakkvann ved stasjon 4 blir sterkt regulert av indre tidevann. Stasjon 6 som ligger ved den indre terskelen har også en betydelig komponent av det barotrope tidevannet og strømmene under overflatelaget varierer heller ikke mye fra måned til måned. Den indre tidevannsbølgens lengde, amplitude og fase vil avhenge av sjiktningen i fjorden og variere med den. Som beskrevet over vil ikke modellen kunne gjengi alle detaljer i hydrografien til rett tid. Dette vil i tur kunne medføre at det er avvik også når vi direkte sammenligner simulerte og observerte strømmer. Eksempler på dette er gitt i Figur 27 og 32. Det er derimot ikke kritisk i dette prosjektet og derfor vil vi nedenfor fokusere på at modellen gir et riktig bilde over tid når vi sammenligner strømmene for de ulike stasjonene. 3.4 Deponiets effekt på strømmønsteret Som beskrevet tidligere er modellen blitt simulert for mars 204 med estimert oppbygging av deponiet etter 25 og 50 år. De største endringene finner man i det største hovedbassenget rett sør for deponiet. Ettersom det blir grunnere ved deponiet blir strømmene naturlig sterkere lokalt. Økningen er i hovedsak tydelig innenfor ca. 00 m avstand fra deponiets utstrekning for et gitt dyp (Figur 22). Ved 230 m ser vi i størrelsesorden 2 ganger sterkere strøm etter 25 år, tilsvarende 3.5 ganger sterkere etter 50 år. Tross økningene ligger de gjennomsnittlige strømhastighetene fortsatt under 5 cm/s i det området. De lokale økningene i strøm preger imidlertid ikke det større bildet i denne delen av fjorden, og lenger unna på sørsiden av deponiet blir strømmene noen steder lavere i begge scenariene. Vannet som strømmer innover fjorden sørvest for deponiet vender sørover noe "tidligere" (lenger vest) som følge av endret topografi. 3 av 62

33 Figur 22: Øverst: Månedsmiddel for mars 204 ved 230 m. Midterste og nederste panel viser simulering for samme periode, men med estimert bunntopografi etter henholdsvis 25 og 50 års deponering. 32 av 62

34 3.5 Strømforhold Det er blitt gjennomført et omfattende måleprogram for samme tidsperiode som modellen er blitt simulert. Simuleringene går fra og med juli 203 til og med juni 204, mens måleperioden er forskjøvet en måned i forhold til dette. Vi kan derfor sammenligne av de simulerte månedene direkte med målinger, mens juli 203 i simulering noe tentativt kan sammenlignes med målinger fra juli 204. I måleprogrammet er strøm blitt målt med ADCP-målere på 6 stasjoner (7 i siste kvartal), og det er blitt målt temperatur- og salinitetsprofiler ved stasjoner på 6 tidspunkter i løpet av året. Dette utgjør dermed et svært omfattende datagrunnlag med en rekke dyp ved alle stasjonene over en lang tidsperiode. I det følgende vil noen hovedtrekk fra sammenligningene bli presentert, og noen eksempler vil bli brukt for å illustrere valideringen. Det er ikke trivielt å konkludere om modellens kvalitet ut fra slike sammenligninger. Det ligger i modellers natur at de forenkler virkeligheten, og det vil alltid til en viss grad være unøyaktigheter i inngangsverdiene som brukes. Målinger gir heller ikke en perfekt beskrivelse av virkeligheten, da både måleusikkerhet og en rekke forstyrrelser kan påvirke resultatene, slik at måleserienes kvalitet må vurderes grundig før de kan brukes til validering. Strømmålinger kan også være påvirket av lokal topografi i så liten skala at den ikke representeres i modellens batymetri (for Førdefjorden er det eksempelvis mange steder et skarpt skille mellom fjordbunnen og fjordveggen, og denne overgangen er noe glattet i modellens batymetri). Dette kan gi lokale forskjeller både i retningsfordeling og fart. Det kan derfor ikke forventes fullt samsvar mellom modell og målinger, og sammenligningene må vurderes på bakgrunn av dette. 3.6 Oppsummering, stasjon for stasjon 3.6. Stasjon Stasjon er plassert ved terskelen til ytre Førdefjord på ca. 208 m dyp, og representerer en viktig ytre grense for fjorden. Strømmen ved denne stasjonen er dominert av langsgående retninger, inn og ut av fjorden. Dette gjengis tydelig i modellen (se eksempel i Figur 23). Målte gjennomsnittshastigheter måned for måned ligger typisk i intervallet 4-0 cm/s (Figur 43). I perioden januar-juni når atlantisk vann øker i tetthet er det en tendens til høyere snitthastigheter nær bunnen, mens i det andre halvåret kommer ikke en slik tendens tydelig frem. Modellen gjengir de samme tendensene, men i enkelte perioder beregnes noe lavere snitthastigheter i m enn det som er målt. Modellen viser høye snitthastigheter opp 5-20 m/s i de fleste månedene i intervallet 0-20 m dyp, et intervall hvor det ikke er tilgjengelige måledata for sammenligning. Ved hjelp av tidsserier kan vi se i hvilken grad modellen reproduserer variasjoner i strømhastighet over tid. For tidsserier plottet med 24 timers løpende gjennomsnitt, slik at tidevannsvariasjoner filtreres ut, ser vi tydelig ved denne stasjonen at modellen reproduserer mange av de samme variasjonene som er observert 33 av 62

35 imålingene (se eksempel for oktober 203 i Figur 24) selv om fasene er noe annerledes. 34 av 62

36 Figur 23: Sammenligning for oktober 203 ved 87.5 m, stasjon. Fordelinger av strømfart (til venstre) og retninger (til høyre), sammenlignet mellom målinger (øverst) og modell (nederst). 35 av 62

37 Figur 24: Tidsserie for strømfart, oktober 203 ved 87.5 meters dyp, stasjon, med 24 timers løpende gjennomsnitt Stasjon 2 Stasjon 2 ligger midt i fjordrenna nord for Hegreneset, på ca. 36 m dyp. Stasjonen representerer bunnen av fjordbassenget et stykke vest for deponiområdet. Målinger av hydrografi, sammenlignet med modellens verdier er vist i Figur 25. Strømmålinger er tilgjengelig i hovedsak i intervallene m og m, litt varierende mellom måleperiodene. Posisjonen ble noe justert etter første kvartal, og det er ikke tatt ut modelldata på eksakt riktig sted i det første kvartalet. Vi sammenligner derfor strøm bare i kvartal 2-4. Målte snitthastigheter i intervallet m er i hovedsak i området 4-0 cm/s, økende oppover mot overflaten unntatt i august-oktober (Figur 44). I intervallet m er snitthastighetene grovt sett i samme område, men i hele perioden høyere fra 250 m ned mot bunnen enn over 250 m. Modellen har en lignende karakteristikk med de laveste hastighetene i intervallet m. Modellerte snitthastigheter er noe lavere enn de målte i januar-mars og august-desember. I april-juli er det sammenfallende snitthastigheter eller noe høyere i modellen. Figur 26 og Figur 27 viser eksempler fra januar 204. Målte strømretninger går i all hovedsak østlig og vestlig, på langs av fjorden, noe som også gjengis i modellen. 36 av 62

39 Figur 26: Sammenligning for januar 204 ved m, stasjon 2. Fordelinger av strømfart (til venstre) og retninger (til høyre), sammenlignet mellom målinger (øverst) og modell (nederst). 38 av 62

40 Figur 27: Tidsserie for strømfart, januar 204 ved meters dyp, stasjon 2, med 24 timers løpende gjennomsnitt Stasjon 3 Stasjon 3 ble i første og andre kvartal plassert sør for Ytrevevring, i den nordlige enden av fjordbunnen. Stasjonen ligger rett vest for det planlagte utslippspunktet for deponiet. På grunn av plasseringen nær den bratte fjordsiden viste denne stasjonen seg å være lite egnet til sammenligning med modellen, som har en noe glattet bunntopografi og derfor kan antas å være mindre nøyaktig i denne posisjonen. I tredje og fjerde kvartal ble stasjonen satt noe lenger sørvest, og lenger ut fra fjordsiden (posisjonen som er markert på kartet innledningsvis i rapporten). Vi vil her bare diskutere resultater fra den nye posisjonen. Stasjonen ligger på ca. 324 m dyp, og målinger er i hovedsak tilgjengelig for intervallet m. De dominerende strømretningene ut fra målingene er østlig og vestlig, med overvekt i vestlig retning. Det er også et betydelig innslag av andre retninger. Modellen har to fremherskende retninger, og noe mindre spredning enn i målingene (Figur 28). De dominerende retningene er vest-sørvest og øst-nordøst, med andre ord en viss vridning sammenlignet med de dominerende retningene fra målingene. Dette kan skyldes detaljer i den lokale topografien som modellen ikke gjengir nøyaktig nok, eller et avvik i plasseringen av den virkelige målestasjonen sammenlignet med punktet hvor modelldata er tatt ut. Disse feilkildene tatt i betraktning anser vi retningsgjengivelsen i modellen for å være god. Målte snitthastigheter er i området 4-5 cm/s (Figur 45). Modellen angir lavere snitthastigheter i området.5-2 cm/s. Ved sammenligning av glidende døgnmiddel (for mars 203, Figur 29) ser vi at forskjellen er betraktelig mindre, og at modellen reproduserer variasjoner i strømhastigheter gjennom måneden. Årsakene til underestimert strømhastighet er trolig en kombinasjon av de faktorene som tidligere er diskutert med utgangspunkt i hydrografien, og detaljer i den lokale batymetrien som ikke representeres i modellen. Det er viktig å presisere at dette er lave strømmer, slik at avviket i absoluttverdi er lite i størrelsesorden 2-3 cm/s. 39 av 62

41 Figur 28: Sammenligning for mars 204 ved 37.5 m, stasjon 3. Fordelinger av strømfart (til venstre) og retninger (til høyre), sammenlignet mellom målinger (øverst) og modell (nederst). 40 av 62

42 Figur 29: Tidsserie for strømfart, mars 204 ved 37.5 meters dyp, stasjon 3, med 24 timers løpende gjennomsnitt Stasjon 4 Stasjon 4 ligger i nordøstre ende av deponiområdet på ca. 290 m dyp. Målinger av hydrografi, sammenlignet med modellens verdier er vist i Figur 30. Målinger av strøm er tilgjengelig i hovedsak i intervallene m og m. De dominerende strømretningene ut fra målingene i øvre vannlag er nordvest, og til en viss grad sørøst, men det er også en betydelig variasjon i retninger. Modellen gjengir denne retningsfordelingen godt, med en dreining i størrelsesorden 5-0 grader mot klokka (Figur 3). I enkelte tilfeller er fordelingen mellom de to dominerende retningene noe jevnere i modellen enn i målingene. I nedre vannlag angir målingene ganske ensrettet strøm, med retninger som varierer gjennom året, eksempelvis nord-øst i mai, nord i juni, nord-øst i august-oktober og sør i november-desember. Modellen gir jevnt over stor spredning i retningsfordelingen, uten klart dominerende retninger. De målte snitthastighetene ved stasjon 4 ligger i all hovedsak i intervallet -5 cm/s (Figur 46), med en tendens til høyere hastigheter nær bunnen. Modellen predikterer noe lavere hastigheter, særlig i augustoktober, men absoluttverdiene av avvikene er små (2-3 cm/s). Variasjoner i strømfart over tid reproduseres delvis i modellen, selv om ikke alle endringene fra dag til dag gjengis (Figur 32). 4 av 62

44 Figur 3: Sammenligning for mars 204 ved 65 m, stasjon 4. Fordelinger av strømfart (til venstre) og retninger (til høyre), sammenlignet mellom målinger (øverst) og modell (nederst). 43 av 62

45 Figur 32: Tidsserie for strømfart, mars 204 ved 65 meters dyp, stasjon 4, med 24 timers løpende gjennomsnitt Stasjon 5 Stasjon 5 ligger sør for deponiområdet på ca. 275 m. Målinger av hydrografi, sammenlignet med modellens verdier er vist i Figur 33. De målte strømretningene er preget av stor variasjon i øvre vannlag (< 75 m), med noe variasjon mellom månedene. Det samme ser vi også for modellen (se eksempel i Figur 34). I nedre vannlag er det større tendens til dominerende strømretninger for en del måneder og dyp, men retningene varierer mellom periodene (se eksempel i Figur 35). Sammenfallet mellom modellen og målingene er godt i enkelte perioder, og med klare forskjeller i andre perioder, noe som sannsynligvis kan tilskrives episodiske variasjoner som fanges opp i varierende grad i modellen. De målte snitthastighetene ved stasjon 5 er i all hovedsak 2-6 cm/s gjennom vannsøylen gjennom hele året, unntatt noen perioder i øvre vannlag (Figur 47). Det er gjennom hele året tegn til økende strøm ned mot bunnen og opp mot overflaten, selv om de øverste meter ikke har god måledekning. Modellen gir et tilsvarende bilde, men underestimerer strømhastighetene med snitthastigheter på -3 cm/s under 75 m (se eksempel på tidsserie i Figur 36), og høyere hastigheter nærmere overflaten. Der målinger er tilgjengelig i intervallet 0-75 m er det godt samsvar. 44 av 62

47 Figur 34: Sammenligning for mars 204 ved 55 m, stasjon 5. Fordelinger av strømfart (til venstre) og retninger (til høyre), sammenlignet mellom målinger (øverst) og modell (nederst). 46 av 62

48 Figur 35: Sammenligning for mars 204 ved m, stasjon 5. Fordelinger av strømfart (til venstre) og retninger (til høyre), sammenlignet mellom målinger (øverst) og modell (nederst). 47 av 62

49 Figur 36: Tidsserie for strømfart, mars 204 ved meters dyp, stasjon 5, med 24 timers løpende gjennomsnitt Stasjon 6 Stasjon 6 ligger på ca. 65 meters dyp ved terskelen i Ålasundet sør for deponiområdet. Målinger av hydrografi, sammenlignet med modellens verdier er vist i Figur 37. Strømretningene ved denne stasjonen er sterkt dominert av retningene på langs av fjorden, nor-nordvest og sør-sørøst. Dette kommer tydelig fram både av målingene og fra modellen (Figur 38). Stasjon 6 har relativt høye strømhastigheter (Figur 48). Målingene viser snitthastigheter i området 4-20 cm/s, økende nedover mot bunnen i de fleste månedene. Karakteristikken i modellen er noe annerledes, med sterkere strømhastigheter i midtre vannlag. Siden vannfluksen gjennom sundet er definert av tidevannet, og sundet er relativt smalt, kan avviket skyldes avvik i tverrsnittet i modellen, samt usikkerhet i den eksakte posisjonen til stasjonen i virkeligheten sammenlignet med modellen. Se eksempel på tidsserie i Figur av 62

51 Figur 38: Sammenligning for september 204 ved 37.5 m, stasjon 6. Fordelinger av strømfart (til venstre) og retninger (til høyre), sammenlignet mellom målinger (øverst) og modell (nederst). 50 av 62

52 Figur 39: Tidsserie for strømfart, september 203 ved 37.5 meters dyp, stasjon 6, med 24 timers løpende gjennomsnitt Stasjon 7 Stasjon 7 ligger ved fjordbunnen sentralt i det planlagte deponiområdet, på ca. 305 meters dyp. Denne stasjonen har bare målinger fra 4. kvartal, dvs. mai-juli 204. Plasseringen av stasjonen ble valgt for å ha et målepunkt i deponiområdet som ikke har betydelig påvirkning fra sidekantene. Strømmen i målingene er preget av stor spredning i retning, med en viss overvekt av vestlig og østlig strøm, og lave strømhastigheter for det meste under 5 cm/s (Figur 49). I modellen ser vi tydelige tegn til dypvannsutskiftning i denne perioden ved denne stasjonen, med i all hovedsak østlig strøm, og med noe høyere hastigheter enn i målingene (Figur 40 og Figur 4). Forskjellene henger sammen med den sterkere dypvannutskiftningen som finner sted i modellen i denne perioden sammenlignet med det som kan observeres i datasettet, av de årsakene som har blitt diskutert i kapittel 3. En døgnmidlet tidsserie for strømhastigheten ved stasjon 7 (Figur 42) viser klare sesongvariasjoner, med betydelig høyere strøm i april-juli styrt av dypvannsutskiftning. 5 av 62

53 Figur 40: Sammenligning for juni 204 ved m, stasjon 7. Fordelinger av strømfart (til venstre) og retninger (til høyre), sammenlignet mellom målinger (øverst) og modell (nederst). 52 av 62

54 Figur 4: Tidsserie for strømfart, juni 204 ved meters dyp, stasjon 7, med 24 timers løpende gjennomsnitt. Figur 42: Tidsserie for hele simuleringsperioden av strømfart (m/s) for bunnlaget ved stasjon 7. Figuren viser døgnmiddel av strømfart. 53 av 62

55 3.7 Konklusjon I lys av begrensningene som er diskutert innledningsvis i dette kapittelet, og av de utfordringene som ligger i å reprodusere spesifikke variasjoner i hydrografien som legger føringer på strømmønsteret i fjorden, vil vi konkludere med at modellen gir en god beskrivelse av strøm i Førdefjorden. Modellresultatene er konsistente med rådende kunnskap om fjordsirkulasjon, og med tidligere modellresultater og observasjoner i fjorden. Det er betydelig grad av sammenfall mellom modellerte og målte resultater, og i de tilfellene der vi ser klare avvik handler dette om svakheter i å reprodusere dynamikken i punkter med utfordrende lokal topografi, eller dynamikken i spesifikke tidsperioder. Det ses ved flere stasjoner en tendens til at strømfarten er underestimert i modellen, men det er viktig å presisere at dette er ved lave hastigheter, og avvikene er i all hovedsak innenfor en størrelsesorden på 2-3 cm/s. En kan vanskelig modellere et så komplekst system uten en viss grad av slike feilkilder, men de er av begrenset betydning for det helhetlige spredningsbildet i og rundt deponiet, og det er de de generelle årstidsvariasjonene i fjordsirkulasjonen heller enn de spesifikke variasjonene i måleperioden som er viktig for vurderingen av deponiets dynamikk over lang tid. 54 av 62

56 4 Referanser Dee, P et al. 20. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system. Q. J. R. Meteorol. Soc.37: McClimans, T.A., Eidnes, G. og Moshagen, H. (2009) Extreme bottom currents along a deep fjord pipeline route. Proceedings of the Nineteenth (2009) International Offshore and Polar Engineering Conference Osaka, Japan, June 2-26, 2009, III: ISBN: Mark Reed and Ben Hetland. DREAM: A Dose-Related Exposure Assessment Model Technical Description of Physical-Chemical Fates Components. In Proceedings of SPE International Conference on Health, Safety and Environment in Oil and Gas Exploration and Production. Society of Petroleum Engineers, Slagstad, D. and McClimans, T.A., Modeling the ecosystem dynamics of the Barents sea including the marginal ice zone: I. Physical and chemical oceanography. J. Mar. Sys. 58: -8. K. Støle-Hansen and D. Slagstad, 99. Simulations of currents, ice melting and vertical mixing in the Barents Sea using a 3D baroclinic model, Polar Res. 0: A. Staalstrøm og K. L. Daae, Strømforhold i Førdefjorden utenfor Engebøfjellet: Tredimensjonal modellering av strømforholdene i vannsøylen ved endring av bunntopografi. Rapport, Norsk institutt for vannforskning (NIVA). A. Sundfjord og B. Bjerkeng, Strøm, turbiditet og hydrografi i fjordbassenget utenfor Engebø, Førdefjorden. Rapport, Norsk institutt for vannforskning (NIVA). 55 av 62

57 A Gjennomsnittlige strømhastigheter ved stasjonene Figur 43: Gjennomsnittlig strømhastighet og variabilitet (standardavvik) gjennom vannsøylen per måned for stasjon. Sorte kurver viser statistikk for strømmålingene, og røde kurver viser statistikk fra modellen. 56 av 62

58 Figur 44: Gjennomsnittlig strømhastighet og variabilitet (standardavvik) gjennom vannsøylen per måned for stasjon 2. Sorte kurver viser statistikk for strømmålingene, og røde kurver viser statistikk fra modellen. 57 av 62

59 Figur 45: Gjennomsnittlig strømhastighet og variabilitet (standardavvik) gjennom vannsøylen per måned for stasjon 3. Sorte kurver viser statistikk for strømmålingene, og røde kurver viser statistikk fra modellen. Bare tredje og fjerde kvartal, etter at stasjonen ble flyttet, er vist, og måledata er ikke tilgjengelig for juli. 58 av 62

63 Figur 49: Gjennomsnittlig strømhastighet og variabilitet (standardavvik) gjennom vannsøylen per måned for stasjon 7. Sorte kurver viser statistikk for strømmålingene, og røde kurver viser statistikk fra modellen. Målinger ble bare gjort i 4. kvartal ved denne stasjonen. Merk at måledata i høyre panel er fra juli 204, mens modelldata representerer juli av 62

64 Teknologi for et bedre samfunn