Beräkning av vattentemperatur och is i S-HYPE

• HYPE:s beräkningar av vattentemperatur bygger på simulering av energibalansen för ytvatten som bäckar, åar och sjöar. Utifrån energimängden i vattnet kan temperaturen bestämmas.
• Temperaturen påverkas av en rad processer i mark, vattendrag och sjöar. Dessa inkluderar:

• väderfaktorer som lufttemperatur, nederbörd och strålning
• hydrologiska förhållanden som avrinning och vattenflöden
• mark- och grundvattenprocesser
• punktkällor
• ispåverkan

HYPE räknar på flöden av vatten och energi till och från de olika ytvattenelementen som finns i modellen. Figur 1 visar energikällor och sänkor till en ytvattenkropp. I en modelluppsättning av HYPE (t.ex. S-HYPE) delas de modellerade avrinningsområdena in i delavrinningsområden. I varje delavrinningsområde simuleras en förenklad representation av områdets vattendrag och sjöar. Varje område har ett huvudvattendrag. Till det strömmar vatten från uppströms liggande områden samt från små vattendrag inom området. Dessa simuleras i modellen av ett enda lokalt vattendrag som ska representera alla småbäckar inom området. Sjöar kan också finnas; både s.k. utloppssjöar (sjöar på huvudvattendraget vid ett områdes utlopp) samt sjöar som finns inom området, men inte ligger på huvudvattendraget.

• Alla typer av ytvatten i modellen kan tillföras energi med nederbörd. Nederbörden antas ta lufttemperaturens temperatur. Vid frusen nederbörd tas energi från vattnet för att smälta snön.
• Till det lokala vattendraget tillkommer avrinning från mark. Markavrinning simuleras i HYPE från olika markklasser som generellt består av kombinationer av markanvändning och jordart. Varje sådan markklass simuleras som en markprofil med upp till tre markskikt, med beräkning av avrinning från de olika skikten. Vattentemperaturen i vattnet som lämnar de olika skikten antar den beräknade marktemperaturen i respektive skikt. Marktemperaturen beräknas som en slags viktning av lufttemperatur, föregående dygns marktemperatur och en ”djuptemperatur”. Viktningen påverkas även av snödjup samt hur pass nära markytan skiktet ligger.
• Till huvudvattendrag, lokala sjöar och utloppssjöar tillkommer energi med tillrinnande vatten. Vatten med olika ursprung kan ha olika temperatur och blandas med vattnet i ytvattenkroppen. Utflödet antar som regel temperaturen i det aktuella vattnet, men för sjöar kan det vara en mix av ytligt och mer djupliggande vatten (se nedan).
• Utbytet mellan vatten och atmosfär påverkar vattentemperaturen. Värmebalansen bygger då på strålning och skillnaden mellan luft- och vattentemperatur och beskrivs i modellen med empiriska ekvationer och koefficienter som skiljer sig för sjöar och vattendrag. Sjön eller vattendragets yta styr också utbytets storlek.
• Energi som tillkommer med punktkällor kan också hanteras av HYPE. Dessa antas antingen ha en konstant temperatur eller anta temperaturen i det vatten som de tillförs.
• I sjöar delas vattnet upp i två lager som representerar vattenmassan ovan (epilimnion) och under (hypolimninon) språngskiktet (termoklinen). Termoklinens djup uppskattas utifrån sjöarean. Under perioder av skiktning sker värmeöverföring mellan lagren. På hösten (när ytvattnet kyls ned) och på våren (uppvärmning av ytligt vatten) ökar ytvattnets densitet. När densiteten i de två skikten närmar sig varandra så blandas sjön om och får en enhetlig temperatur (höst- och vårcirkulation). Vattentemperaturen i sjöarnas utflöde bestäms oftast av temperaturen i sjöns övre skikt men kan i vissa fall vara en blandning av yt- och bottenvatten. 

• Is på sjöar och vattendrag
  

Isprocesser i sjöar och vattendrag är viktiga för vattentemperaturen - och omvänt är vattentemperaturen och strömningsförhållandena viktiga för isläggning och islossning.

Isen modelleras i HYPE som lager av kärnis, stöpis och snö. Istillväxt (kärnis) beräknas termodynamiskt som funktion av ett värmeflöde från isens undersida till luften, vilket kräver att lufttemperaturen är lägre än fryspunkten i vattnet. Ju lägre lufttemperatur desto snabbare istillväxt. Värmeflödet beror även på istjockleken (lägre istillväxt ju tjockare is) och isens värmeledningsförmåga, samt tjocklek och värmeledningsförmåga i eventuellt snölager ovanpå isen.

Snödjupet på is beräknas på samma sätt som på land, som en funktion av nederbörd och lufttemperatur. Om vikten av snön på isen överstiger isens flytförmåga trycks isen ner under vattenytan och det bildas en lager av slask (vatten+snö) ovan på isen. Ytterligare istillväxt sker då först genom att slasklagret fryser och bildar stöpis, och först därefter kan kärnistillväxt ske igen.

Isläggning initieras när värmeutbytet mellan (det isfria) ytvattnet och luften leder till en tillräckligt stor avkylning för att ett tunt lager kärnis skall bildas på en viss del av vattenytan. Istäckets yta ökar därefter gradvis så länge förutsättningarna för istillväxt uppfylls tills sjön eller vattendragssektionen är helt täckt av is. När ytvattnet är helt istäckt leder ytterligare istillväxt till att istjockleken ökar.

Vattentemperaturen påverkas främst genom att värmeutbytet mellan vatten och luft används till istillväxt istället för ökning/sänkning av vattentemperaturen. Ett mindre värmeflöde beräknas från vattnet till isen för att bromsa istillväxten.

När isen smälter justeras vattentemperaturen för att motsvara tillflöden av 0-gradigt vatten från den is som smält.

Isen smälts som funktion av lufttemperatur och solinstrålning. För att issmältning skall börja krävs att all snö på isen först har smält bort, vilket sker med samma funktioner som för snö på land.

Utvärdering av isberäkningarna med S-HYPE pågår under 2025, och beroende på utfallet kan beräknade isförhållanden på sjöar och vattendrag publiceras tillsammans med vattentemperaturerna på Vattenwebb i framtiden.

• Utvärdering av vattentemperaturen i S-HYPE
• För Sverige-modellen (S-HYPE) har vattentemperaturberäkningarna kalibrerats mot SMHI:s (numera nedlagda) mätningar Länk till annan webbplats. av temperatur i vattendrag. Även mätningar av vattentemperatur på olika djup i enstaka sjöar har använts. Dessutom har modellen ställts in med data över registrerad vattentemperatur i samband med andra vattenkvalitetsmätningar (källa SLU Miljödata Länk till annan webbplats.). Ett exempel på en ”medelgod” simulering för dessa stationer visas i Figur 2. En utvärdering av hur väl modellens resultat stämmer överens med data från stationer i hela landet visas i Figur 3. Figuren visar medelvärdet av den absoluta avvikelsen mellan modell och mätning (för dagar med mätning) för de stationerna som ingår i underlaget. Medianvärdet för samtliga stationer är 1.3 ℃. Figur 4 visar att avvikelsen är mindre under den kalla delen av året (då vattentemperaturen ligger nära noll) och högre under sommarmånaderna då energibalansen är svårare att simulera.