Strømning i dypet av Repparfjorden Notat Havforskningsinstituttet, desember 2014. Lars Asplin, Jofrid Skardhamar, Anne Sandvik og Jon Albretsen Bakgrunn Havforskningsinstituttet gjennomfører en årlig overvåkning av lakselusspredning i Altafjordområdet. I den sammenhengen har vi etablert en strømmodell som også inkluderer Repparfjorden. Siden Repparfjorden er anbefalt som dumpingsområde for gruveavfall, finner vi det riktig å formidle våre resultater med relevans for denne problematikken. Spesielt siden våre resultater avviker fra gruveselskapets egen undersøkelse ved å ha større sirkulasjon. Metodikk Vi har beregnet strøm for perioden mars-august 2013 og har anvendt et koblet modellsystem der en strømmodell med relativt høy romlig oppløsning (160m ganger 160m) danner det mest detaljerte nivået. Randverdier til denne hentes fra strømmodellen NorKyst800 og atmosfæriske drivkrefter er beregnet med vindmodellen WRF (3 km romlig oppløsning). Tilsvarende modelloppsett er i bruk av Havforskningsinstituttet langs hele Norskekysten, og kvaliteten på resultatene er tilfredsstillende der vi har hatt mulighet til å validere dem. Nærmere beskrivelser av modellsystemet og validering er gitt i Albretsen m.fl. (2011), Asplin m.fl. (2104), Johnsen m.fl. (2014) og Taranger m. fl. (2014). Vår erfaring med beregning av strøm med numeriske modeller er at drivkrefter og grenseverdier er av stor betydning for et realistisk resultat. For dypvannsstrøm i fjorder som Repparfjorden vil variasjoner av vannmassene tyngde på kysten utenfor fjorden være avgjørende, og denne må representeres med en oppløsning i tid med verdier helst hver time. Resultater Strømmen i de øvre 10-20 m i en fjord er direkte påvirket av drivkrefter fra bl.a. vind, ferskvann og tidevann, og det er vanligvis her de høyeste hastighetene forekommer. Strømmen i 50 m dyp vil være redusert en hel del i forhold til de øvre vannlagene siden det er færre og svakere drivkrefter som danner strøm på dette dypet. Her er det kun tidevannet og horisontale trykkforskjeller på grunn av ulik tyngde av laterale vannmasser som virker inn. I dette notatet presenterer vi utelukkende strøm i 50 m dyp, noe som vil være relativt nær bunnen inne i Repparfjorden. Middelstrømfart for 50 m dyp i hele modellområdet viser at det er lavere hastigheter innerst i fjordene enn i smalere sund og områdene nærmere kysten (Figur 1). Den høyeste midlere strømfarten i dette dypet vil overgå 0,2 m/s. I Repparfjorden er middelstrømmen lavere med omkring 0,04-0,05 m/s (Figur 2). For hele den 165 dagers lange simuleringsperioden er det en midlere innstrømning langs land på sydsiden av fjorden (venstre på figuren) og strøm ut på nordsiden (høyre). I innsnevringen ved Markopneset øker middelhastigheten noe, til verdier omkring 0,06-0,07 m/s. Strømfarten i 50 m dyp fra posisjonen P1 (angitt i Figur 2) for perioden mars-august 2013 viser et 1
varierende bilde med nokså regelmessig verdier over 0,15 m/s (Figur 3) og flere høye verdier mot slutten av simuleringen, dvs. om sommeren. Transport av vannmasser og vannutskiftning er viktig for fjorder, og Repparfjorden framstår som en typisk Nord-Norsk terskelløs fjord med hyppig vannutveksling. Vanntransporten skjer ikke med middelstrømmen, men med den reelle strømmen fra time til time. Vanntransporten kan også være vanskelig å estimere ut fra oppstillinger av strømfart slik det er gjort i Figur 3. For å forstå spredningspotensialet i en fjord er det derfor viktig å analysere tidsutviklingen av strømmen, og vi vil finne at vannutveksling foregår episodisk. Tidevannet er episodisk, men har ensrettet strøm kun i 5-6 timer av gangen. Repparfjorden er drøyt 10 km lang og med en strømhastighet på 0,2 m/s vil tranporten av vann med tidevannet bare flytte vannmassene ca. halve fjordlengden innenfor hver periode. En strømepisode med 2 dagers varighet og midlere strømhastighet på 0,06 m/s vil derimot transportere en vannmasse ut av Repparfjorden. Tidsserier av strøm langs fjordaksen i 50 m dyp for posisjonene P1 og P2 (angitt i Figur 2) viser at strømmen inneholder et relativt kraftig tidevannssignal (blå linje) samtidig som det er en definert reststrøm (rød linje, Figur 4 og 5). Reststrømmen varierer med perioder av noen dagers varighet. Strømhastigheten av reststrømmen i de kraftigste episodene er nesten like høye som for tidevannsstrømmen. I løpet av perioden mars-august 2013 er det mulig å identifisere flere 10-talls episoder med innstrømning og utstrømning. For å se mer inngående på noen av disse episodene med innstrømning og utstrømning, har vi valgt tidsperiodene markert med sorte piler i Figur 4. Den første perioden representerer en utstrømning og foregår den 21 og 22. mars (Figur 6). Langs nord-østsiden av hele Repparfjordens lengde strømmer det i middel ut vann i denne perioden med hastighet mellom 0,05 og 0,1 m/s. Neste episode har lengre varighet og foregår mellom 10. og 16. mai. Dette er en innstrømningsepisode langs sør-vestre side av fjorden som også dekker hele Repparfjorden samt Sammelsundet utenfor og med strømhastigheter mellom 0,05 og 0,10 m/s (Figur 7). Legg merke til at strømmen er smal, kanskje bare ca. 500 m bred. For å illustrere hvordan tidevannet virker har vi plottet øyeblikksverdier av strømmen i 50 m dyp hver andre time mellom 10. mai klokka 10 og klokka 20 (Figur 8). I begynnelsen av perioden er det innoverrettet tidevannsstrøm, noe som bidrar til å øke hastigheten på reststrømmen. Etterhvert som tidevannet snur blir strømmønsteret mer utydelig og stopper helt opp der strømmen fra tidevannet den ene veien utlignes av reststrømmen den andre veien. Tidevannet bidrar med sin relativt korte periode (M2 = 12,42 timer) med lite nettotransport av vannet, men som det går fram av figuren vil det skje endel horisontal blanding. Sommeren er den perioden vannmassene er mest lagdelt pga. tilført ferskvann og varme, og dette gir opphav til sterkere interne trykkrefter. Den 7-8. juni var det en utstrømningsepisode med både relativt kraftig og vid strøm langs den nord-østre siden av fjorden (Figur 9). Noen dager senere, mellom 15. og 17. juli, finner vi en innstrømningsepisode som har skapt en betydelig strøm i nærheten av Markopneset (Figur 10). I perioden 21.-31. juli foregår det en betydelig 2
utstrømning fra Repparfjorden der det i hele 10 dager er en gjennomsnittlig transport av vannmasser helt fra fjordbunnen og ut hele Sammelsundet (Figur 11). Årsaken til disse strømepisodene er forskjeller i laterale vannmassers tyngde, noe som skaper horisontale trykkforskjeller i dypet. Strømmen vil oppstå som en del av en langperiodisk indre bølge i en naturlig tilpasning til et trykkfelt i endring. Et enkelt mål på trykkforskjeller i 50 m dyp er gitt ved verdien av saltholdigheten mellom posisjoner. Selv om tyngden av vannmassene opp til overflaten ikke nødvendigvis er fullstendig representert ved denne verdien, gir verdien av saltholdighet på dette dypet likevel en indikasjon på sannsynlig trykkraft. Fra verdien av den modellerte saltholdigheten i 50 m dyp for posisjonene P1 og P2 (angitt i Figur 2) fra simuleringsresultatene finner vi svingninger som stemmer overens med de episodene med innstrømning og utstrømning vi har vist forekommer i Repparfjorden (Figur 12). Forenklet vil det være at dersom saltholdigheten i P1 inne i Repparfjorden er høyere enn saltholdigheten P2 utenfor, indikerer det at det er en trykkraft ut fjorden som vil skape en utadgående strøm i 50 m. Motsatt vil være tilfellet om saltholdigheten ved P2 er større enn P1. Figur 1. Midlere strømfart (m/s) i 50 m dyp i perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. 3
Figur 2. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. Figur 3. Timesverdier av strømfart i 50 m dyp ved posisjonen P1 (Figur 2) for perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Figur 4. Timesverdier av strømkomponenten langs fjordaksen i 50 m dyp ved posisjonen P1 (Figur 2) samt 24t lavpassfiltrerte verdier (reststrøm uten tidevann) for perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Negative 4
verdier er strøm inn fjorden. De sorte pilene angir episoder som beskrives senere i notatet. Figur 5. Timesverdier av strømkomponenten langs fjordaksen i 50 m dyp ved posisjonen P2 (Figur 2) samt 24t lavpassfiltrerte verdier (reststrøm uten tidevann) for perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Negative verdier er strøm inn fjorden. 5
Figur 6. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden 21-23. mars 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. Figur 7. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden 10-16. mai 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. 6
Figur 8. Utsnitt fra Repparfjorden av strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp hver andre time mellom klokka 10 og klokka 20 den 10. mai 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. 7
Figur 9. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden 7-8. juli 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. Figur 10. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden 15-17. juli 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. 8
Figur 11. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden 21-31. juli 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. Figur 12. Timesverdier av saltholdighet i 50 m dyp ved posisjonene P1 og P2 (Figur 2) for perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. 9
Konklusjon Vi finner at Repparfjorden har regelmessig vannutveksling med kysten, noe som er typisk for terskelløse fjorder i Nord-Norge. Vanntransporten forekommer i episoder fra noen timer til noen dagers varighet, og er forårsaket av horisontale trykkforskjeller mellom fjordvannet og kystvannet skapt av ulik vertikal lagdeling og tyngden av vannkolonnen. Strømhastighetene i episodene kan komme opp i over 0,1 m/s. Tidevannsstrømmen i Repparfjorden er også relativt sterk med en maksimal strømfart nær 0,3 m/s. Tidevannet er likevel ingen effektiv transportmekanisme på grunn av den korte perioden med ensrettet strøm. Derimot er tidevannsstrømmen effektiv til å blande og røre rundt i vannmassene. Resultatene bekrefter at det er viktig å inkludere alle relevante drivkrefter for å gjenskape realistisk strøm i fjordene. Spesielt i dypere vannlag vil en ikke kunne beskrive episodene med innstrømning og utstrømning uten en god randverdi mot kysten (eventuelt at modellområdet er veldig stort). Analysen og presentasjonen av resultatene er også viktig for å belyse vesentlige sider av sirkulasjonen. Ved for eksempel bare å presenterer oppstillinger av strømfart er det vanskelig å identifisere de ulike innstrømning- og utstrømningsepisodene. Også middelfelt over lengte perioder, f.eks. en måned, kan være med på å maskere viktige episoder av noen dagers varighet. Referanser og generell litteratur Albretsen J, Sperrevik AK, Staalstrøm A, Sandvik AD, Vikebø F, Asplin L. 2011. NorKyst-800 report no. 1: User manual and technical descriptions. Fisken og Havet, Institute of Marine Reserch 2/2011. 51 pages. Asplin L, Salvanes AGV, Kristoffersen JB. 1999. Non-local wind- driven fjordcoast advection and its potential effect on plankton and fish recruitment. Fisheries Oceanography, 8:255-63. Asplin, L., Johnsen, I.A., Sandvik, A.D., Albretsen, J., Sundfjord, V., Aure, J. & K.K. Boxaspen. 2014. Dispersion of salmon lice in the Hardangerfjord. Marine Biology Research, 10:3, 216-225, DOI:10.1080/17451000.2013.810755. Ciannelli L, Knutsen H, Olsen EM, Espeland SH, Asplin L, Jelmert A. 2010. Maintenance of small-scale genetic stucture in a marine population in relation to water circulation and egg characteristics. Ecology, 91:2918-30. Farmer D.M., Freeland H.J. 1983. The Physical Oceanography of Fjords, Progress in Oceanography, Vol. 12, pp. 147-220. Johnsen, I.A., Fiksen, Ø., Sandvik, A.D., Asplin, L., 2014. Vertical salmon lice behaviour as a response to environmental conditions and its influence on regional dispersion in a fjord system, Aquaculture Environment Interactions, 5, 127-141. DOI: 10.3354/aei00098. 10
Klinck JK, O Brien JJ, Svendsen H., 1981. A simple model of fjord and coastal circulation interaction. Journal of Physical Oceanography, 11:1612-26. Stigebrandt A. 2012. Hydrodynamics and circulation of fjords. In: Bengtsson L, Herschy RW, Fairbridge RW, editors. Encyclopedia of Lakes and Reservoirs. Berlin: Springer, p 327-44. F. R. Cottier F.R., Nilsen F., Skogseth R., Tverberg V., Skardhamar J., Svendsen H. 2010. Arctic fjords: a review of the oceanographic environment and dominant physical processes. From: Howe, J. A., Austin, W. E. N., Forwick, M. & Paetzel, M. (eds) Fjord Systems and Archives. Geological Society, London, Special Publications, v. 344, p. 35 50. DOI: 10.1144/SP344.4 Inall M.E., Gillibrand P.A. 2010. The physics of mid-latitude fjords: a review. From: Howe, J. A., Austin, W. E. N., Forwick, M. & Paetzel, M. (eds) Fjord Systems and Archives. Geological Society, London, Special Publications 2010; v. 344; p. 17-33. doi:10.1144/sp344.3 Taranger m. fl., 2014. Risikovurdering norsk fiskeoppdrett. Fisken & Havet, særnummer 2-2014, 155 sider. 11