global lake temperature collaboration...global records of lake surface temperature reveal a century...

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Global records of lake surface temperature reveal a century of warming John D. Lenters, Ph.D. Senior Scientist, LimnoTech Jordan S. Read, Sapna Sharma, Catherine M. O’Reilly, Stephanie Hampton, Derek Gray, Peter B. McIntyre, Simon J. Hook, Philipp Schneider, Piet Verburg, Peter D. Blanken, and GLTC Contributors http://laketemperature.org/ Global Lake Temperature Collaboration

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  • Global records of lake surface temperature reveal a century of warming

    John D. Lenters, Ph.D.Senior Scientist, LimnoTech

    Jordan S. Read, Sapna Sharma, Catherine M. O’Reilly, Stephanie Hampton, Derek Gray, Peter B. McIntyre, Simon J. Hook, Philipp Schneider,

    Piet Verburg, Peter D. Blanken, and GLTC Contributors

    http://laketemperature.org/

    Global Lake Temperature Collaboration

  • GLTC ContributorsSapna Sharma, Derek K. Gray, Jordan S. Read, Catherine M. O’Reilly, Philipp Schneider, Anam Qudrat, Corinna Gries, SamanthaStefanoff, Stephanie E. Hampton, Simon Hook, John D. Lenters, David M. Livingstone, Peter B. McIntyre, Rita Adrian, Mathew G.Allan, Orlane Anneville, Lauri Arvola, Jay Austin, John Bailey, Jill S. Baron, Justin Brookes, Yuwei Chen, Robert Daly, Martin Dokulil,Bo Dong, Kye Ewing, Elvira de Eyto, David Hamilton, Karl Havens, Shane Haydon, Harald Hetzenauer, Jocelyne Heneberry, Amy L.Hetherington, Scott N. Higgins, Eric Hixson, Lyubov R. Izmest’eva, Benjamin M. Jones, Küllli Kangur, Peter Kasprzak, Olivier Köster,Benjamin M. Kraemer, Michio Kumagai, Esko Kuusisto, George Leshkevich, Linda May, Sally MacIntyre, Dörthe Müller‐Navarra,Mikhail Naumenko, Peeter Noges, Tiina Noges, Pius Niederhauser, Ryan P. North, Andrew Paterson, Pierre‐Denis Plisnier,Anna Rigosi, Alon Rimmer, Michela Rogora, Lars Rudstam, James A. Rusak, Nico Salmaso, Nihar R. Samal, Daniel E. Schindler,Geoffrey Schladow, Silke R. Schmidt, Tracey Schultz, Eugene A. Silow, Dietmar Straile, Katrin Teubner, Piet Verburg, AriVoutilainen, Andrew Watkinson, Gesa A. Weyhenmeyer, Craig E. Williamson, Kara H. Woo, Catherine M. O'Reilly, Sapna Sharma,Derek K. Gray, Stephanie E. Hampton, Jordan S. Read, Rex J. Rowley, Philipp Schneider, John D. Lenters, Peter B. McIntyre,Benjamin M. Kraemer, Gesa A. Weyhenmeyer, Dietmar Straile, Bo Dong, Rita Adrian, Mathew G. Allan, Orlane Anneville, LauriArvola, Jay Austin, John L. Bailey, Jill S. Baron, Justin D. Brookes, Elvira de Eyto, Martin T. Dokulil, David P. Hamilton, Karl Havens,Amy L. Hetherington, Scott N. Higgins, Simon Hook, Lyubov R. Izmest'eva, Klaus D. Jöhnk, Külli Kangur, Peter Kasprzak, MichioKumagai, Esko Kuusisto, George Leshkevich, David M. Livingstone, Sally MacIntyre, Linda May, John M. Melack, Dörthe C. Müller‐Navarra, Mikhail Naumenko, Peeter Nõges, Tiina Nõges, Ryan P. North, Pierre‐Denis Plisnier, Anna Rigosi, Alon Rimmer, MichelaRogora, Lars G. Rudstam, James A. Rusak, Nico Salmaso, Nihar R. Samal, Daniel E. Schindler, S. Geoffrey Schladow, MartinSchmid, Silke R. Schmidt, Eugene Silow, M. Evren Soylu, Katrin Teubner, Piet Verburg, Ari Voutilainen, Andrew Watkinson, Craig E.Williamson, Guoqing Zhang, John D. Lenters, David M. Livingstone, Catherine M. O’Reilly, Martin T. Dokulil, Gesa A.Weyhenmeyer, Philipp Schneider, Sapna Sharma, Elvira de Eyto, Rita Adrian, Scott N. Higgins, Pierre‐Denis Plisnier, Nico Salmaso,Dietmar Straille, Bo Dong, Piet Verburg, George Leshkevich, Peter B. McIntyre, Jordan S. Read, Silke Schmidt, Peeter Nõges, Tiina Nõges, Benjamin M. Kraemer, Mathew Allan, Martin Schmid, Geoffrey Schladow, Sally MacIntyre, David Hamilton, Alon Rimmer,Orlane Anneville, Stephanie E. Hampton, Claude Duguay, Amy L. Hetherington, Dendy D. Lofton, James A. Rusak, Nihar R. Samal,Noemi Barabas, Justin Brookes, Robert C. Wilson, Derek K. Gray, Simon Hook, Mehmet E. Soylu

  • Acknowledgements We would like to thank the numerous scientists and institutions that contributed 

    data and expertise to the GLTC project (http://laketemperature.org/). Special thanks to the GLTC data analysis sub‐group: Derek Gray, Stephanie 

    Hampton, Peter McIntyre,  Catherine O’Reilly, Jordan Read, Sapna Sharma, Noemi Barabas, Dendy Lofton, R. J. Rowley, Evren Soylu, and Piet Verburg

    We gratefully acknowledge NSF, NASA, and the University of Nebraska‐Lincoln for funding the GLTC workshop, as well as other institutions for their support.

    http://laketemperature.org/

  • • Background and motivation• Lake Superior: Big lake, big changes• The “puzzle” of rapid lake warming• Toward a solution: A new, global initiative• Implications for evaporation, water levels• Summary

    Talk outline

  • Warming rate (full period):+0.07 °C/decade

    A known known: Our climate is changing

  • Warming rate (1985‐2009):+0.17 °C/decade

    A known known: Our climate is changing

  • (Magnuson et al.,2000; Science)

    Global trends in freeze / thaw dates

    A known known: Lakes are losing ice

  • Schneider, P., and S. J. Hook (2010), Geophys. Res. Lett., 37.

    A known known: Lakes are warming

  • Schneider, P., and S. J. Hook (2010), Geophys. Res. Lett., 37.

    “hotspots”

    A known known: Lakes are warming

  • • Changes in lake evaporation, which also affects …‐Water balance‐ Temperature‐ Stratification‐ Lake chemistry‐ Vertical mixing‐ Lake ecology

    Other impacts are becoming evident

  • • Variations in lake level, which also affects …‐Water quality / municipal water supplies‐ Recreational boating / fishing‐ Shoreline erosion / flooding‐ Commercial shipping ‐ Lake ecology‐ Hydropower‐ Tourism

    Other impacts are becoming evident

  • How do we know?

    • Measurements‐ Field data‐ Satellite data‐ Long‐term monitoring programs

    • Models‐ Physical, hydrological, biological‐ Climate models‐ Lake models

  • Examples of field sites

  • Arctic thermokarst lakes

  • Lake Tahoe

    July 9, 2011

  • Semi‐arid western Nebraska

  • Sparkling Lake, Wisconsin

    X

  • Lake SuperiorGreat Lakes Evaporation

    Network (GLEN)

  • • Background and motivation• Lake Superior: Big lake, big changes• The “puzzle” of rapid lake warming• Toward a solution: A new, global initiative• Implications for evaporation, water levels• Summary

    Talk outline

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    Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May

    Ice cover (%)

    Water te

    mpe

    rature (°C) and

     evapo

    ratio

    n (cm/m

    on)

    Month

    Evaporation

    Ice Cover

    Water Temperature

    Lake Superior mean annual cycle (1973‐2010)

    Van Cleave et al.  (2014)

    Seasonal interactions: Lake Superior

  • Lake Superior: Highly variable ice cover

    MODIS

    February 19, 2014

  • Lake Superior: Highly variable ice cover

    February 2012

    MODIS

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    2+4?@+>$A&

    Lake Superior is losing ice

    112 days 74 days34% drop inice duration

    April 16

    December 26

    March 28

    January 14

    Van Cleave et al. (2014)

  • Lake Superior is warming rapidly

    9.8°C

    12.5°C

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    Water te

    mpe

    rature (°C)

    July/Aug/Sept (JAS)

    Van Cleave et al. (2014)

  • Spence et al. (2013) Journal of Hydrometeorology

    2008 09

    2010 11 2009/10

    2011/12

    Lake Superior evaporation(direct measurements at Stannard Rock Lighthouse)

    25 cm

    Great Lakes EvaporationNetwork (GLEN)

  • Record warmth in 2012

  • Low water levels, shifting seasons

  • Shifting seasons

    2012

  • Great Lakes ice cover (1980‐2016)

    High variability

  • • Background and motivation• Lake Superior: Big lake, big changes• The “puzzle” of rapid lake warming• Toward a solution: A new, global initiative• Implications for evaporation, water levels• Summary

    Talk outline

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    Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

    Tren

    d (°

    C/d

    ecad

    e)

    Lake Superior temperature trends (1948-99)

    Tair' Tw'

    Lenters (2004) – J. Great Lakes Res.

    Why the rapid warming of Lake Superior?Is it a summer response to winter warming?

  • Why the rapid warming of Lake Superior?Is it an ice‐albedo feedback?

    GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 34, L06604, doi:10.1029/2006GL029021, 2007

    Air: dTair/dt ~ +0.5 °C/decadeWater: dTs/dt ~ +1.1 °C/decade

  • Ice‐albedo feedback?  Not for these lakes …GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 36, L22402, doi:10.1029/2009GL040846, 2009

    Air: dTair/dt ~ +0.5 °C/decadeWater: dTs/dt ~ +1.1 °C/decade

  • http://greatlakesmapping.org

    Summerwarmingrate (°C/yr)1994‐2010

    Bathymetry

    http://greatlakesmapping.org

    Maybe an ice‐albedo feedback is not even needed?

  • Are lakes somehow “hypersensitive”to climate change?

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    1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 20062

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    Tempe

    rature (°C)

    Tempe

    rature differen

    ce (°C)

    Water

    Air

    Difference

    Air: dTair/dt ~ +1.0 °C/decadeWater: dTs/dt ~ +1.5 °C/decade

    Sparkling Lake temperature trends(July–September mean)

    X

    Is the rapid warming just a “deep lake” phenomenon?   Nope.

  • SW E HLW

    SWnet + LWnet – E – H = S/t

    Are lakes somehow “hypersensitive”to climate change?

    Sparkling Lake, WI

  • SWnet + LWnet – E – H = S/t

    Are lakes somehow “hypersensitive”to climate change?

    Sparkling Lake, WI

    Not likely … consider the lake energy balance: Climate warms (i.e., higher Tair)

    Lake warms (i.e., higher Twater)

    Higher evaporation (and evaporative cooling)

    Lake warming is limited (i.e., Twater

  • Are lakes somehow “hypersensitive”to climate change?

    Not likely.

    Then what??

    Ice‐albedo feedback? Not for some lakes.Only a “deep lake” phenomenon? No.

  • • Background and motivation• Lake Superior: Big lake, big changes• The “puzzle” of rapid lake warming• Toward a solution: A new, global initiative• Implications for evaporation, water levels• Summary

    Talk outline

  • Origins of a new global initiative:

    The Global Lake TemperatureCollaboration (GLTC)

    GlobalLakeTemperatureCollaboration– http://laketemperature.org/

    X

  • Origins of the GLTC initiative

    October 2010

    X

  • Origins of the GLTC initiativeSchneider, P., and S. J. Hook (2010), Geophys. Res. Lett., 37.

  • October 2010

    Origins of the GLTC initiative

  • Special session: Global Trends in Lake Temperature andAssociated Impacts on Lacustrine Systems 

    Origins of the GLTC initiative

  • GLTC Workshop (June 2012)Lincoln, Nebraska

  • GLTC Workshop (June 2012)Lincoln, Nebraska

  • http://laketemperature.org/

  • Fundamental question:

    What are the patterns, mechanisms, and impacts of global lakewarming / cooling?

    GlobalLakeTemperatureCollaboration– http://laketemperature.org/

    (from both satellite and in situ measurements)

  • Number of lakes in the GLTC database

    N Sat.

    In situBoth

  • GlobalLakeTemperatureCollaborationWorkshop

    June1‐5,2012Lincoln,NE

    Number of lakes in the GLTC databaseN

    Sat.

    In situ

    Both

    Recent warming rates (1985‐2009)

  • June1‐5,2012Lincoln,NE

    Temperature trend (°C dec‐1)

    Num

    ber o

    f lakes

    Distribution of LST trends (1985‐2009)

    ‐2.0 ‐1.5       ‐1.0       ‐0.5         0.0      +0.5      +1.0      + 1.5

    Mean LST trend:+0.4 °C dec‐1

    (95% CI: 0.2 – 0.6)

    90% of lakesare warming

    Distribution of LST trends(1985‐2009)

    Lake Superior

  • GlobalLakeTemperatureCollaborationWorkshop

    June1‐5,2012Lincoln,NELake surface temperature (LST) trends

    (1985‐2009; summer only)

    O’Reilly et al. (2015)

  • GlobalLakeTemperatureCollaborationWorkshop

    June1‐5,2012Lincoln,NEMany factors influence warming rates

    O’Reilly et al. (2015)

  • • Background and motivation• Lake Superior: Big lake, big changes• The “puzzle” of rapid lake warming• Toward a solution: A new, global initiative• Implications for evaporation, water levels• Summary

    Talk outline

  • Implications for evaporation• Open‐water evaporation can be very different from terrestrial evapotranspiration (ET)‐ Different drivers‐ Different variability‐ Different impacts

    water level impacts

    P

    ET

    E

  • Implications for evaporation

    water

    air

    Vaporpressuregradient

    (temperature = Tw)

    (temperature = Ta)

    vaporpressure

    E

    e

  • Ontario

    Lake Superior

    Michigan

    Minnesota

    Wisconsin

    StannardRock

    GraniteIsland

    Measuring evaporation on large lakes

    Evaporation monitoring stations:‐ June 2008: Lake Superior (Stannard Rock*)‐ July 2009: Lake Superior (Granite Island)

    * International UpperGreat Lakes Study(IUGLS)

  • Instrumentation

    Granite Island, Michigan

  • Ontario

    Lake Superior

    Michigan

    Minnesota

    Wisconsin

    StannardRock

    GraniteIsland

    Evaporation monitoring stations:‐ June 2008: Lake Superior (Stannard Rock*)‐ July 2009: Lake Superior (Granite Island)

    * International UpperGreat Lakes Study(IUGLS)

    Real‐time data and imagery

  • Real‐time data and imagery

  • Time‐lapse video

  • Ontario

    Lake Superior

    Michigan

    Minnesota

    Wisconsin

    StannardRock

    GraniteIsland

    SpectacleReef

    Evaporation monitoring stations:‐ June 2008: Lake Superior (Stannard Rock*)‐ July 2009: Lake Superior (Granite Island)‐ Sept 2009: Lake Huron (Spectacle Reef*)‐May 2012: Lake Erie (Long Point*)‐ June 2012: Lake Michigan (White Shoal*)

    WhiteShoal

    * International UpperGreat Lakes Study(IUGLS)

    Growing the network

  • The current GLEN network

    Evaporationstations

    Great Lakes Evaporation Network (GLEN)

  • More info on GLEN

  • Expansion to buoys, drifters, and ships

  • Model results show increasing evaporation

  • Watras et al. (2014)

    GWMI‐HuronSuperior

    Water levels

    Model results show increasing evaporation

  • Summary• First global compilation of satellite / in situ lake temperature data• 250+ lakes in the GLTC database; most covering at least 25 years• ~90% of the lakes in the database are warming (1985‐2009)• Satellite / in situ data show similar rates of lake surface warming• “Global” LST has increased ~2 standard deviations since 1900• Great Lakes are warming rapidly (esp. Superior and Huron)

    http://laketemperature.org/

  • Summary• Most rapid warming is in recent decades (~0.4 °C dec‐1)• Some changes are non‐linear (e.g., Lake Superior regime shift)• Interdecadal variability in global LST is coherent with Tair,

    lake ice, and global patterns of solar dimming / brightening• Important implications for lake evaporation, water levels• Long‐term, global datasets provide valuable perspective

    http://laketemperature.org/

  • Acknowledgementshttp://laketemperature.org/

    Many thanks to the numerous scientists and institutions that contributed data and expertise to the GLTC project (http://laketemperature.org/).

    Special thanks to the GLTC data analysis sub‐group: Derek Gray, Stephanie Hampton, Peter McIntyre,  Catherine O’Reilly, Jordan Read, Sapna Sharma, Noemi Barabas, Dendy Lofton, R. J. Rowley, Evren Soylu, and Piet Verburg

    We gratefully acknowledge NSF, NASA, and the University of Nebraska‐Lincoln for funding the GLTC workshop, as well as other institutions for their support.

  • GLTC ContributorsSapna Sharma, Derek K. Gray, Jordan S. Read, Catherine M. O’Reilly, Philipp Schneider, Anam Qudrat, Corinna Gries, SamanthaStefanoff, Stephanie E. Hampton, Simon Hook, John D. Lenters, David M. Livingstone, Peter B. McIntyre, Rita Adrian, Mathew G.Allan, Orlane Anneville, Lauri Arvola, Jay Austin, John Bailey, Jill S. Baron, Justin Brookes, Yuwei Chen, Robert Daly, Martin Dokulil,Bo Dong, Kye Ewing, Elvira de Eyto, David Hamilton, Karl Havens, Shane Haydon, Harald Hetzenauer, Jocelyne Heneberry, Amy L.Hetherington, Scott N. Higgins, Eric Hixson, Lyubov R. Izmest’eva, Benjamin M. Jones, Küllli Kangur, Peter Kasprzak, Olivier Köster,Benjamin M. Kraemer, Michio Kumagai, Esko Kuusisto, George Leshkevich, Linda May, Sally MacIntyre, Dörthe Müller‐Navarra,Mikhail Naumenko, Peeter Noges, Tiina Noges, Pius Niederhauser, Ryan P. North, Andrew Paterson, Pierre‐Denis Plisnier,Anna Rigosi, Alon Rimmer, Michela Rogora, Lars Rudstam, James A. Rusak, Nico Salmaso, Nihar R. Samal, Daniel E. Schindler,Geoffrey Schladow, Silke R. Schmidt, Tracey Schultz, Eugene A. Silow, Dietmar Straile, Katrin Teubner, Piet Verburg, AriVoutilainen, Andrew Watkinson, Gesa A. Weyhenmeyer, Craig E. Williamson, Kara H. Woo, Catherine M. O'Reilly, Sapna Sharma,Derek K. Gray, Stephanie E. Hampton, Jordan S. Read, Rex J. Rowley, Philipp Schneider, John D. Lenters, Peter B. McIntyre,Benjamin M. Kraemer, Gesa A. Weyhenmeyer, Dietmar Straile, Bo Dong, Rita Adrian, Mathew G. Allan, Orlane Anneville, LauriArvola, Jay Austin, John L. Bailey, Jill S. Baron, Justin D. Brookes, Elvira de Eyto, Martin T. Dokulil, David P. Hamilton, Karl Havens,Amy L. Hetherington, Scott N. Higgins, Simon Hook, Lyubov R. Izmest'eva, Klaus D. Jöhnk, Külli Kangur, Peter Kasprzak, MichioKumagai, Esko Kuusisto, George Leshkevich, David M. Livingstone, Sally MacIntyre, Linda May, John M. Melack, Dörthe C. Müller‐Navarra, Mikhail Naumenko, Peeter Nõges, Tiina Nõges, Ryan P. North, Pierre‐Denis Plisnier, Anna Rigosi, Alon Rimmer, MichelaRogora, Lars G. Rudstam, James A. Rusak, Nico Salmaso, Nihar R. Samal, Daniel E. Schindler, S. Geoffrey Schladow, MartinSchmid, Silke R. Schmidt, Eugene Silow, M. Evren Soylu, Katrin Teubner, Piet Verburg, Ari Voutilainen, Andrew Watkinson, Craig E.Williamson, Guoqing Zhang, John D. Lenters, David M. Livingstone, Catherine M. O’Reilly, Martin T. Dokulil, Gesa A.Weyhenmeyer, Philipp Schneider, Sapna Sharma, Elvira de Eyto, Rita Adrian, Scott N. Higgins, Pierre‐Denis Plisnier, Nico Salmaso,Dietmar Straille, Bo Dong, Piet Verburg, George Leshkevich, Peter B. McIntyre, Jordan S. Read, Silke Schmidt, Peeter Nõges, Tiina Nõges, Benjamin M. Kraemer, Mathew Allan, Martin Schmid, Geoffrey Schladow, Sally MacIntyre, David Hamilton, Alon Rimmer,Orlane Anneville, Stephanie E. Hampton, Claude Duguay, Amy L. Hetherington, Dendy D. Lofton, James A. Rusak, Nihar R. Samal,Noemi Barabas, Justin Brookes, Robert C. Wilson, Derek K. Gray, Simon Hook, Mehmet E. Soylu

  • Questions?