Hydrodynamic characteristics of Lake Victoria based on idealized 3D Lake Model Simulations

Richard O.  Anyah

Center for Environmental Prediction, Department of Environmental Sciences, Rutgers University, New Brunswick, NJ 08901

Fredrick SemazziNorth Carolina State University, Department of Marine, Earth and Atmospheric 

Sciences&

Department of Mathematics, North Carolina State University

Lian  XieNorth Carolina State University, Department of Marine, Earth & Atmospheric 

Sciences

Submitted 

Journal of Geophysical Research­OceansOctober  2006

Corresponding Author e­mail: anyah@cep.rutgers.edu 

1

Abstract

Thermodynamic and hydrodynamic characteristics of Lake Victoria are investigated 

based on idealized simulations using a 3D­lake model. A suite of simulations with an 

elliptic(oval) geometry and prescribed wind speed (surface wind stress), lake­atmosphere 

temperature   difference   and   vertical   temperature   profile   were   performed.   The   time 

evolutions  of   lake   temperature   as  well   as   the   currents   (circulation   characteristics)   at 

different depths and/or points are analyzed in order to understand the lake’s response to 

certain aspects  of surface forcing conditions.  Similarities  and differences between  the 

features   simulated   in   a   typical   tropical   lake   (Lake  Victoria)   and   typical  mid­latitude 

lake(s) based on the effects of the coriolis force are also examined.

  Our   simulations   revealed   a   number   of   unique   features   in   the   temperature. 

Considered at different points on the lake surface, the temperature of both runs with or 

without effect of coriolis force equilibrates after almost  the same time(between 30­40 

days). However, there is a conspicuous difference in the vertical temperature profiles of 

the two runs(cases). For example, the MIDLAT run is characterized by a ‘dome­shaped’ 

profile   in   the  bottom  layers(40m and  deeper)   after  30  days  of  model   integration,   in 

contrats to the VICTORIA case which is nearly isothermal over the full water column.

Perhaps one of the most significant outcome of the present study is that the two­gyre 

circulation pattern shown in the VICTORIA case after 30 days of model integration is 

also present in the simulations with observed lake bathymetry. 

2

1 Introduction    Lakes   are   valuable   natural   resources   that   play   crucial   roles   in   shaping   the 

characteristics of sub­continental to continental scale water systems through modulation 

of regional climates. Precisely, the importance of lakes include;­ (i) source of fresh water 

for the neighboring human communities and industrial development, (ii) hydro­electric 

power supply, (iii) irrigation, (iv) transportation, and (v) sanctuaries for a complex variety 

of ecological systems. Besides, large lakes are natural museums where indicators of the 

rhythms in paleoclimatic/paleo­environmental changes/variability (Kutzbach, 1990) can 

be reconstructed.

 Lake Victoria in East Africa, with a total surface area of 69,000km2(IDEAL, 2003) 

is the largest lake in the tropics, and second in size only to Lake Superior whose surface 

area   is   about   82,100km2   Song   et   al.,   2004).   The   Lake(Victoria)   exerts   significant 

influence on the ambient atmosphere and surrounding regions (Sun et al., 1999;; Anyah 

and Semazzi, 2004; Anyah et al.,  2006) on a scale comparable to the North America 

Laurentian Great Lakes(Kelly et al., 1997). However, while a number of observational 

and  modeling   studies   have   investigated   and  demonstrated   the   influence  of   the  Great 

Lakes in the modification, development and intensification of atmospheric systems such 

as snow storm(Schwab and O’Connor, 1994; Schwab and Bedford, 1994; Beletsky et al., 

1999,  among others),  not  many studies of similar  scope have been conducted for   the 

largest tropical lake, Lake Victoria. 

3

Beletsky   and   Schwab,   2001   have   shown   that   the   influence   of   lakes   on   the 

atmospheric  systems on a variety  of  scales not only affects   the regional  weather  and 

climate variability, but also the water levels, thermal structure and lake circulations. Large 

lakes are important agents that influence the overlying atmospheric circulations, while the 

atmospheric forcing also affects the lake’s thermal structure and consequently the lake 

circulation. The heat transfer at the lake­atmosphere interface is influenced by a number 

of meteorological variables, among them air temperature, humidity, wind stress and solar 

radiation. The lake, on the other hand, responds through both radiative and turbulent heat 

transfers and heating/cooling. Because inland lakes have relatively large heat capacity, 

they   can   have   pronounced   sub­seasonal/seasonal   influence   on   regional   climates, 

especially due to diurnal or seasonal lags in their intra­basin heat transport compared to 

the surrounding land. Large lakes also display both nearshore and offshore (mid­lake) 

dynamical regimes typical in coastal oceans (Csanady, 1982). However, in contrast to the 

relatively stable main oceanic gyres, lake currents lack persistence and depend more on 

short­term atmospheric forcing because of the comparatively small size (Beletsky et al., 

1999).   Nevertheless,   despite   the   weak   currents   in   the   lakes   combined   with   lack   of 

persistence,   lake   circulation   is   quite   important   for   ecological   and   water   resources 

management  issues.  Besides,   large lakes are  important regulators of  regional climates 

(Anyah and Semazzi, 2004; Schwab and Beletsky, 2001, Anyah et al., 2006).

Hydrodynamics of most large inland lakes is highly variable due to the differences in 

geometry, surrounding topographies, hydrological and geochemical loadings as well as 

meteorological exposures (Schwab and Bedford, 1994; Beletsky and Schwab, 2001). The 

4

interplay between wind stress and heat flux in combination with Lake Bathymetry makes 

circulation patterns in large lakes very complex (Beletsky et  al.,  1999). While current 

flows   in   mid­latitude   lakes   are   strongly   dictated   by   geostrophic   balance,   circulation 

regimes in low latitude (tropical) lakes (e.g Lake Victoria) may be completely different 

due to the reduced influence of the coriolis force, despite the fact that they experience 

large  ­effect (meridional variation of coriolis force).   Laird et al.(2003) and Cooper etβ  

al.(2000) have shown that although the strength of lake circulations may be reduced by 

excluding latent heating and solar radiation processes while maintaining only the surface 

wind stress forcing, the overall circulation structures are sustained. In the present study , 

we mainly investigate the effect of wind stress forcing on Lake Victoria circulation in an 

idealized  modeling  setup.    We do  not   include   the effects  of   latent  heating  and solar 

radiation processes. Success in understanding of some of the theories developed from 

simple   (idealized)   simulations   of   the   lake   hydrodynamics   can   be   extrapolated   to 

understand   the   results   obtained   from   more   realistic   and   often   complex   cases 

(simulations). 

In the present study a 3D­Lake model, based on the Princeton Ocean Model (POM) 

is applied to simulate the hydrodynamic properties of Lake Victoria based on idealized 

lake   geometry(bathymetry)   and   wind   stress   forcing.   Detailed   discussion   of   the 

changes/modifications made to POM to simulate freshwater Lake Victoria can be found 

in Song et al.,2004 and  Anyah et al.,2006). We also compare, using simplified idealized 

simulations, the similarities and differences between simulated circulation patterns of a 

typical tropical lake (Lake Victoria) and a typical mid­latitude lake. POM model has been 

5

applied to successfully study the hydrodynamics of several closed (inland)  lakes (eg., 

Schwab and Bedford, 1994: Great  lakes; Kuan et al.,  1994: Lake Erie; O’Connor and 

Schwab, 1994: Great Lakes; Beletsky et al., 1997: Lake Michigan; Zavatarelli and Mellor, 

1995: Mediterranean Sea). Beletsky et al. (1996) demonstrated that in order to evaluate 

the performance of POM or any three dimensional lake models in coastal environment or 

large inland lakes, it is important to study model responses for the basic case of upwelling 

and Kelvin wave propagation with idealized wind forcing and simple topographies. Thus, 

unlike   real   world   simulation   where   several   factors   can   influence   coastal/lake 

hydrodynamics   simultaneously,   in   an   idealized   geometry   and   surface   forcing,   it   is 

relatively   easier   to   isolate   the   influence   of   topographic   effects   and/or   wind   forcing. 

However,  it   is also important to note that verification of some of  the lake circulation 

theories/characteristics   simulated   by   theoretical   (numerical)   models   has   often   been 

riddled   with   difficulties   in   obtaining   adequate   observations   (Bennett,   1997).   This   is 

particularly true for studies over Lake Victoria where no comprehensive observational 

data acquisition or monitoring has been taking place

A brief description of the POM(3D­lake)model as well as the design of the idealized 

experiments is presented in the next section, section 2. Results and discussions are given 

in section 3, while summary and conclusions are presented in section 4.

2 Model  description and experimental design

2.1 POM model

We have used  POM version  pom2k (Blumberg  and Mellor,  1987),  which   is  a   three­

dimensional, nonlinear primitive equation, finite difference ocean model.  The model uses 

6

a mode splitting technique to solve for the 2D barotropic mode of the free surface currents 

and   the  3D baroclinic  mode   associated  with   the   full   three  dimensional   temperature, 

turbulence and current structure. The barotropic mode uses a shorter time step, while the 

baroclinic mode uses relatively longer time step. Both modes are constrained by the CFL 

computational stability criteria. The model is based on a split­explicit Eulerian scheme in 

which the internal and external modes are integrated separately to optimize computational 

efficiency. The model includes a 2.5 turbulence closure sub­model (Mellor and Yamada, 

1974)   with   an   implicit   time   scheme   for   vertical   mixing.   Detailed   description   of 

modifications made to POM model to simulate the hydrodynamic characteristics of Lake 

Victoria can be found in Song et al.,2004 and Anyah et al.,2006, while the standard POM 

model description can be found in Mellor and Yamada (1987) and is   also   available 

online at; 

http://www.aos.princeton.edu/WWWPUBLIC/htdocs.pom/PubOnLine/POL.html#USER

S_GUIDE 

2.2 Formulation of elliptic bathymetry/geometry for Lake Victoria

An elliptic (oval) geometry is adopted for Lake Victoria since it closely approximates 

real  geometry of   the  lake(Figure 1).The oval   is   rotated about  60o  along  the z­axis   to 

further mimic the true orientation of Lake Victoria as shown in figure 1. The bathymetry 

is flat at the bottom with minimum and maximum depths of 10m and 80m, respectively. 

Though the actual surface area of Lake Victoria is estimated at about 69,000km2(IDEAL, 

2003),the   elliptic   lake  geometry  used   in   the  present   study   is  having   an  approximate 

7

surface of 62800km2(i.e the long radius is about 200km and the short radius is about 

100km). 

3 Results and Discussions3.1   Vertical temperature profile 

First, we examined the changes of lake surface temperature (LST) and the vertical 

stratification by performing two parallel  simulations  forced with uniform wind stress. 

Both runs involve a continuous integration period of 60 days with a constant (easterly) 

wind stress of 10­4  m2s­2  (~3ms­1).  The observed wind speed qround Lake Victoria are 

shown to be generally within the range of 3­5ms­1( Ochumba, 1996). Easterly trades, with 

occasional   southeast/northeast   components,   dominate   the   prevailing   flow   over   Lake 

Victoria basin. circulations.

The only difference in the two runs is the coriolis parameter, which is kept constant 

at 10­4s­1  in the first run representing a hypothetical mid­latitude lake(hereafter MIDLAT), 

but is set  at about zero(i.e10­8)  in  the second run(hereafter VICTORIA). The primary 

objective in these experiments was to examine some of the fundamental similarities and 

differences in the evolution of the thermodynamic and hydrodynamic properties between 

lake Victoria and a ‘typical’(hypothetical) mid­latitude lake, which is strongly influenced 

by coriolis force.

The initial temperature profile for our idealized simulations is shown in figure 2. This 

profile  was  based  on   limited  point   observations  over  Lake  Victoria   archived  by   the 

Fisheries department (e.g Ochumba, 1996) indicating that the upper 40m layer of the lake 

depth is usually characterized by isothermal conditions most of the year. Hence, at the 

8

beginning of our model integrations isothermal conditions are prescribed over the upper 

20m layer of the lake, at the climatological LST value of 24oC. The temperature then 

decreases gradually(linearly) with depth following a near logarithmic profile over the next 

20m   layer   until   it   reaches   21oC   at   40m   depth.   Thereafter   the   temperature   remains 

isothermal again (at 21oC) until the bottom of the lake.

In figure 3, the changes in the vertical profile of temperature over the central point in 

the idealized oval (elliptic) lake indicate that after 5 days (figure 3a) of integration the 

mixed layer at the top in the VICTORIA run has stretched down to the 30m depth, while 

in   the   MIDLAT   case,   the   initial   temperature   stratification/profile   remained   almost 

unchanged. However, in both cases it can be seen that the initial temperature has reduced 

by about  0.5oC at  the top.  Ten days  later  (figure 3b),   the MIDLAT case has become 

remarkably   cooler   within   the   10­50m   layer(depth)   by   about   2oC   compared   to   the 

VICTORIA case. It is also interesting to note that after 2 months of integration, the full 

80m depth of the lake in VICTORIA case is fully mixed, while in the MIDLAT case, 

where the effect of coriolis force is supposed to be stronger the full water column has not 

completely mixed and thus the temperature is still relatively well stratified. The possible 

mechanism that inhibits complete mixing in the MIDLAT case compared to VICTORIA 

case can be explained as follows. 

Since both simulations are initialized with a temperature­dependent stratification, the 

vertical   stratification   during   the   model   integration   also   depends   on   the   total   energy 

balance   and   mixing   processes   of   the   lake.   The   vertical   temperature   profile   in   the 

MIDLAT case is also influenced by the fact the ‘ideal’ lake is not initially in geostrophic 

9

balance given that we apply constant (unidirectional) surface wind (stress) forcing. The 

MIDLAT simulation is subjected to considerable ‘geostrophic adjustment’ during model 

integration, a process that also reorganizes the sources and sinks of the (potential and 

kinetic) energy within the lake. This is not the case with VICTORIA run where the effect 

of   the  coriolis   force   is  negligible   and   thus   the  circulation   is   less(not)   influenced  by 

geostrophy. 

The   second   mechanism,   which   may   also   be   linked   to   the   differences   in   the 

temperature profiles between MIDLAT and VICTORIA as shown in figure 3 relates to 

the theory that  when a fluid undergoes geostrophic adjustment only a  fraction of  the 

potential energy (PE) is converted into kinetic energy (KE) of the finally geostrophically 

adjusted state (see detailed explanation in Grimshaw et al., 1998). Since wind(stress) is 

the major external input responsible for mixing in our experiments; wind adds KE to the 

lake and thus reorganizes the existing PE, based on energy conservation principles, by 

converting   part   of   that   energy   to   KE.   Consistent   with   earlier   postulations   by   e.g 

Csanady(1974), wind affects the lake through the shear (traction) it imparts on the water 

surface. This shear drags the water in the downwind direction, adding kinetic energy and 

causing surface currents and the ‘set up’ whereby the mean lake surface downwind is 

tilted upward compared to the upwind side of the lake, causing a pressure gradient on the 

lake surface. This(‘set up’)results in basin wide circulation, with the bottom water return 

currents compensating/replacing the surface water motion via upwelling/downwelling on 

the downwind/upwind sides of the lake. As a consequence of geostrophic adjustment in 

the MIDLAT case part of the PE is gradually converted into KE, thus it takes relatively 

10

longer time for the water column to mix. The opposite is the cane in VICTORIA run 

where the conversion of PE to KE is not constrained by geostrophic adjustment, and thus 

takes place relatively faster, leading to rapid mixing.

3.2 Temperature Evolution at different points of the lake

Our idealized simulations reveal the following characteristic evolution of  the lake 

temperature   at   different   points   and   depths.   Over   the   northeast   quadrant   the   surface 

temperatures in both MIDLAT and VICTORIA simulations appear to reach steady state 

about the same time (after 40 days), despite the differences in the value of the coriolis 

parameter(large in MIDLAT). A conspicuous feature over the southeast(figure 4a) and 

northeast(figure 4b) quadrants, which are on the upwind side of the elliptic lake is the 

apparent upwelling of relatively colder water from the lower lake layers(i.e induced by the 

impulse of the wind acting at the surface) making the initial surface temperature to cool 

faster within the first two days, then begins to oscillate back and forth before reaching 

equilibrium at about 22oC after about 40 days of model integration. While the sudden 

temperature drop may be associated with the rapid upwelling of colder water from the 

bottom layers of the lake, it could as well be the instability in the model during its spin up 

phase.   Over   the   southwest(figure   4c)   and   northwest(figure   4d)   quadrants   located 

downwind of our uniform wind stress forcing, the surface temperatures remain relatively 

warmer as a result of downwelling instigated by the ‘set up’ effect of the wind stress, 

before equilibrating after about 30 days. However, the MIDLAT simulated temperature is 

consistently warmer than the surface temperature simulated in the VICTORIA case by 

about 2oC.

11

At   40m   depth,   the   temporal   evolution   of   temperature   suggest   that   the   lake 

temperature evolution and mixing to appear to be largely influenced by the wind, with 

and the effect of coriolis force being negligible. In both MIDLAT and VICTORIA runs 

the temperature reaches equilibrium state at  about   the same time(40­45 days),  and at 

about the same value(22oC). This is likely a manifestation of the fact that since both cases 

are initialized with similar temperature stratification their total heat content is the same. 

Since no heat is added into the system (lake), both surface and deep­layer temperatures 

will tend to equilibrate at approximately the same value (i.e 22oC) as a consequence of 

heat   redistribution   which   in   our   experiments   is   mainly   driven   by   the 

upwelling/downwelling currents, triggered largely by the surface ‘set up’ by wind stress 

forcing. However, it is interesting to note that at 40m depth, the lake temperature in the 

MIDLAT, as opposed to VICTORIA run, the lake begins to warm up very fast within the 

first ten days over the northeast quadrant (figure 4e). This can be attributed to geostrophic 

adjustment process in MIDLAT case, which leads to entrainment of warm water from the 

upper mixed  layers of  the  lake  into  the  layers below the  thermocline,   thus extending 

(deepening) the mixed layer.

However, over the northwest(figure 4g) and southwest(figure 4h) quadrants, due to 

upwelling, there seem to be uniform warming in both runs during the first 5 days, both 

reaches equilibrium after about 40 days. Again, since the heat content of the two idealized 

cases is the same the two simulations tend to equilibrate at the same temperature.

3.3 Cross section of simulated vertical temperature profile

12

Figure   5   presents   a   comparison   of   the   horizontal   cross   sections   of   temperature 

profiles   between   MIDLAT  and  VICTORIA   simulations   after   2,   15,   and   30   days   of 

integration. After 2 days of model integration the temperature profile in the upper layers 

of the lake in the MIDLAT run (figure 5a) is significantly different from the VICTORIA 

case (figure 5b). Rather surprising is that after 2 days the temperature of the upper 20m 

layer  in  the MIDLAT remained  isothermal across entire  lake,  except over  the eastern 

boundary, which is upwind relative to the wind stress forcing. Conversely, temperature 

within  the same  layer appear well  mixed  in  the VICTORIA case,  especially over  the 

western   boundary   of   the   lake   (downwind   of   the   surface   forcing).   These   distinct 

differences can be attributed to the following mechanism(s). 

First, despite the stirring effect of wind at the surface and upwelling on the upwind 

side in the MIDLAT case, it takes a longer time to mix the upper 20m layer compared to 

the VICTORIA case due to geostropic adjustment as explained earlier. In the contrary(i.e 

VICTORIA case),   the  stirring  effect  by   the surface  wind  forcing and  the subsequent 

surface pressure gradient (‘set up’) build up accelerates the conversion of PE into KE, 

thus facilitating rapid and efficient mixing of the upper layers of the water column. In 

general,  with constant wind stress forcing at  the surface,  it   takes about two weeks(15 

days:figure 5c) for the entire water column in the VICTORIA case to become well mixed 

(isothermal).   However,   in   the   MIDLAT   case,   the   water   column   is   still   significantly 

stratified. This is still manifested even after 30 days, where the central part of the lake is 

still well stratified, although the maximum water column temperature has cooled by about 

2oC compared to the initial value, just like in the VICTORIA case. The other distinct 

13

difference   between   the   two   runs   is   the   presence/absence   of   the   ‘dome’   shaped 

thermocline in the MIDLAT/VICTORIA run shown in figures 5e and 5f, respectively 

.The ‘dome’ shaped thermocline manifested in  the MIDLAT simulations is consistent 

with   earlier   studies(e.g   Schwab   et   al.,1995)   that   have   postulated   that   geostrophic 

circulation around a ‘dome’ shaped thermocline leads to enhanced cyclonic circulations 

in large and medium sized lakes during periods of stratification.

3.4 Lake currents

Figures 6a­i shows surface currents (circulation patterns) in the two simulations with 

idealized bathymetry as well as simulation with ‘real’ lake bathymetry after 5, 15, and 30 

days of  model   integration.   It   is  apparent   that  despite   similar  wind stress   forcing,   the 

differences   in   the   surface   currents   are   quite   significant   between   the   MIDLAT   and 

VICTORIA runs  after   just  5  days  of   integration  (figures  6a,b).  As mentioned  in   the 

previous   sections,   the   circulation   differences   are   most   likely   associated   with 

absence/presence of geostrophy  in   the VICTORIA/MIDLAT run.  After  two weeks of 

model   integration,   there  seem to be no distinct   features observable  in   the circulation 

pattern in both runs. However, a month (30days) later, very distinct features in the surface 

currents are exhibited in both MIDLAT and VICTORIA simulations.  For,  example,  a 

single gyre(anti­cyclonic) circulation stretching across the entire lake basin is simulated 

in MIDLAT(figure 6e), while in the VICTORIA two­gyre(counter­rotating) circulation 

currents   are   distinctively   simulated(figure   6g).   Interestingly,   the   two­gyre(   counter­

rotating)   circulation   patterns   are   also   manifested   in   the   simulation   with   real   lake 

bathymetry(figure 6i). It should be noted that the latter simulation was done with coarser 

14

resolution(20km) as opposed to 1km resolution in the idealized simulations These unique 

features characterizing the lake’s circulation patterns, especially in the VICTORIA run 

suggest   that   the  gyre circulations  are  not  necessarily  dependent  on  the   lake size  and 

rotation due to coriolis force, but perhaps mainly driven by the impact of uniform surface 

wind forcing. This is in fact consistent with many previous studies that have found similar 

patterns in both small lakes such as Lake Biwa in Japan (Endoh et al.(1995) and large 

lakes such as Lake Michigan( Schwab , 1983, 2003). 

Perhaps one of the most significant outcome of the present study is that the two­gyre 

circulation pattern shown in the VICTORIA case after 30 days of model integration is 

also present in our simulated lake currents in the real­lake run(hereafter REALBATH). 

This   demonstrates   that,   to   some   extent,   realistic   lake   circulation   characteristics   are 

captured in our idealized simulations. This is probably the first study to demonstrate that 

such gyre circulation patterns are present in the low­latitude (tropical) lakes where the 

effect of coriolis force is negligible; implying the circulation is likely being driven by 

surface wind rather than rotational effects imposed by coriolis force. Furthermore, our 

results are consistent with those of earlier studies that have shown that a horizontally 

uniform   wind   tend   to   generate   a   two­gyre(counter­rotating)   circulation   pattern   in 

stratified   lakes   based   on   simple(idealized)   bathymetry(e.g.   Bennett,1974;Schwab   and 

Beletsky,1997;Ufuk,2004). The mechanism responsible for such circulation pattern(gyre) 

is based on the fact that in a stratified lake uniform surface wind forcing tends to generate 

stronger current  in  the down­welling sections(downwind) of  the lake compared to  the 

15

upwelling sections(upwind) due to decrease (or the asymmetry) in vertical mixing and 

bottom friction. 

4 Summary and conclusionsThe primary objective of the present study was to investigate some of the fundamental 3D 

hydrodynamic characteristics of Lake Victoria. The 3D lake model applied in the present 

is based on the ‘freshwater’ version of the POM model. Two sets of simulations, one with 

idealized  elliptic   lake  geometry(bathymetry)   and  another  based  on   realistic(observed) 

lake bathymetry derived from digitized lake data are performed. In both cases, the lake 

surface forcing is based on uniform(constant) easterly wind (stress), which is consistent 

with the fact that the prevailing wind over the lake basin is dominantly easterly trades 

throughout the year. The effects of short and longwave radiation are ignored.. The lake 

temperature  was   initialized  with   the   following profile;   isothermal(24oC) within  upper 

20m layer, decreaseing gradually(linearly) with depth following a near logarithmic profile 

within   the   next   20m   layer   until   it   reaches   21oC   at   40m   depth   and   thereafter   the 

temperature remains isothermal again (21oC) until the bottom(70m).

The   second   part   of   our   study   focused   on   the   simulated   differences/similarities 

between ‘typical’ mid­latitude lake and ‘typical’ tropical lake(Victoria), with both cases 

based   on   the   same   idealized   elliptic   bathymetry/geometry   and   same   depth.   The 

differences in the two lakes and their hydrodynamics are primarily controlled by setting 

coriolis parameters. The third set of simulations were performed with the actual(real) lake 

bathymetry.

16

Our simulations revealed a number of unique features in the temperature evolution 

(profiles)   at   the   surface   and   lower   depths   during   the   2­month   integration   period. 

Considered at different points on the lake surface, the temperature of both MIDLAT and 

VICTORIA runs equilibrates after almost the same time(between 30­40 days). However, 

there   is   a   conspicuous   difference   in   the   vertical   temperature   profiles   of   the   two 

runs(cases). For example, the MIDLAT run is characterized by a ‘dome­shaped’ profile 

in   the   deeper   lower   layers(40m   and   deeper)   after   30   days   of   model   integration. 

Conversely, the temperature profile in the VICTORIA case reaches near isothermal over 

the full water column after similar period of integration. 

Another peculiar feature shown in the simulated circulation patterns is the presence 

of two­counter rotating gyres in the VICTORIA run, but only a single anti­cyclonic gyre 

in the MIDLAT run after one month of model integration. The circulation gyres shown in 

the VICTORIA run, with an idealized bathymetry, is also apparent in the simulation with 

actual(observed) bathymetry, just after 20 days of model integration.

Finally,   it   is   important   to  note   that  whereas  our   simulated   results   show physical 

features in the lake circulation and temperature patterns that are consistent with previous 

studies(mostly focused on mid­latitude lakes), the present study ignored effects of short 

and longwave radiation, as well as the variations in the heat fluxes. The focus of the 

present study was to examine the impact of uniform wind forcing of the fundamental 

features of the 3D hydrodynamics and thermodynamics of Lake Victoria. However, the 

combined effects of radiation and heat fluxes and wind stress are worth considering in 

future investigations.

17

Acknowledgements

This research was supported by NSF grant # ATM­0438116. The model experiments were 

performed   at   the   North   Carolina   State   University   High   Performance   Center   and   at 

National Center for Atmospheric Research (NCAR). NCAR is sponsored by NSF. We 

would like also to thank Ufuk from Istanbul Technical University for helping with the 

lake grid generating program.

18

Figure Captions

Figure 1: Idealized geometry/bathymetry for Lake Victoria

Figure 2: Initial temperature profile 

Figure 3: Vertical temperature profiles after (a) 5 days (b) 10 days (c) 30 days month (d) 60 days

Figure 4: Surface and 40­m depth temperature evolution at points located over the four qadrants of the lake 

Figure   5:  Cross   section   of   temperature   profiles   after   2,   15   and   30   days   of   model integration. 

Figure 6: Comparison of the simulated surface currents in the MIDLAT, VICTORIA and REALBATH runs

19

References

Anyah, R.O., and F. H. M. Semazzi (2004): Simulation of the response of Lake Victoria 

basin climate to lake surface temperatures.Theor. Appl. Climatol,79,55­69

_______,Semazzi,F.H.M., and Xie,L(2005): Simulated physical mechanisms associated 

with climate variability over Lake Victoria Basin in East Africa. Mon. Wea. Rev. In press

Assel, R. A., F. H. Quinn and C.E. Sellinger(2004): Hydroclimatic factors of the recent 

record drop in Laurentian Great Lakes Water Levels,  BAMS, August 2004,1143­

1151

Barnett TP, Latif M, Graham NE, Flugel M, Pazan S and White WB(1993): ENSO and 

ENSO related predictability

Beletsky,D and D.J. Schwab (2001): Modeling circulation and thermal structure in Lake 

Michigan: Annual cycle and interannual variability, J. Geophys. Res., 106, 19745­

19771

________, J.H Saylor and D. J.  Schwab (1999): Mean Circulation in Great Lakes.  J.  

Great Lakes Res., 25, 78­93

_________, D.J. Schwab, W.P O’connor and D.E Dietrich(1997): Numerical simulation 

of internal Kelvin waves and coastal upwelling fronts.  J. Physic. Oceanogr, 27, 

1197­1215

Bennett, J.R(1977): A three­dimensional model of Lake Ontario’s summer circulation I. 

Comparison with observations. J Phys Oceanogr, 7,591

20

_________,   and   E.J   Lindstrom(1977):   A   simple   model   of   Lake   Ontario’s   coastal 

boundary layer. J. Phys. Geog, 7,620­625

Brent, L.M( 1997): Simulated effects of idealized Laurentian Great Lakes on regional and 

large scale climate. J. Clim.,10, 2847­2858

Csanady, G.T. (1975): Hydrodynamics of large lakes, Ann. Rev. Fluid Mech., 7, 357­386.

__________ (1982): Circulation if coastal oceans.  D. Reidel, 279 pp.

Endoh, S.,  M. Watanbe, H. Nagata, F. Maruo, T. Kawae, C. Iguchi, and Y. Okumura 

(1995):Wind fields over lake Biwa and their effect on water circulation.  Jpn. J.  

Limnol., 4, 269­278

Grimshaw,   R.H.J.,   Ostovsky,   L.A.,   Shrira,   V.I.   and   Stepanyants,   Y.A.   (1998),   'Long 

nonlinear surface and internal gravity in a rotating ocean', Surveys in Geophysics, 

19, 289­338.

IDEAL Bulletin(summer 2003): The Diurnal Cycle of Precipitation and Cloudiness Over 

Lake Victoria and Its Influence of Evaporation, in E. Odara and D. Olago(eds).

Kelly,   J.G.W.,   J.S.  Hobgood,  K.W Bedford,  D.J.  Schwab(1998):  Generation  of   three­

dimensional lake forecasts for Lake Erie. Weather and Forecasting, 13,659­687

Kuan, C., K.W. Bedford, and D.J. Schwab(1994): A preliminary credibility analysis of the 

Lake Erie portion of the Great Lakes Forecasting System for springtime heating 

conditions. In Quantitative Skill Assessment for Coastal Ocean Models, Coastal 

and Estuarine Studies, Vol. 48. American Geophysical Union, 27 pp. 

21

Laird,   N.F.,   D.A.R.   Kristovich,   and   J.E.   Walsh   (2003):   Idealized   model   simulations 

examining the mesoscale structure of winter lake­effect circulations.  Mon. Wea. 

Rev.,131,206­221

_________,  J.E.  Walsh,  D.A.R. Kristovich (2003):    Model  simulations examining  the 

relationships of  lake­effect  morphology  to   lake shape,wind direction and wind 

speed. Mon. Wea. Rev., 131, 2102­2111

McCormick, M.J., and D. Scavia(1981): Calculation of vertical profiles of lake­averaged 

temperature and diffusivity, in lakes Ontario and Washington. Water Resour. Res., 

93(C6), 6774­6788

O'Connor, W.P., and D.J. Schwab(1994). Sensitivity of Great Lakes Forecasting System 

nowcasts to meteorological fields and model parameters. Proceedings, 3rd 

International Conference on Estuarine and Coastal Modeling, M.L. Spaulding, K. 

Bedford , A. Blumberg, R. Cheng, and C. Swanson (eds.), Oak Brook, IL, September 

8­10, 1993. ASCE, New York, NY, 149­157 (1994).

Schwab, D.J., and K.W. Bedford. Initial implementation of the Great Lakes Forecasting 

System: A real­time system for predicting lake circulation and thermal structure. 

Water Pollution Research Journal of Canada 29(2/3):203­220 (1994).

_________, W.P. O’connor, and G.L Mellor(1995): On the net cyclonic circulation in 

large stratified lakes. J. Physic Oceanogr.,25, Part II, 1516­1520

22

_________, and D. Beletsky(2003): Relative effects of wind stress curl, topography, and 

stratification   on   large­scale   circulation   in   Lake   Michigan.  J.   Geophys.  

Res.,108(C2),3044,doi:10.1029/2001JC001066

Seruya,   S.,   E.   Hollan,   and   B.   Bitsch   (1984):   Steady   winter   circulations   in   Lakes 

Constance and Kinneret driven by wind and main tributaries. Arch. Hydrobiol.,70, 

33­110

Song Y, F.H.M Semazzi, L. Xie and L.J Ogallo(2004): A coupled regional climate model 

for Lake Victoria basin of East Africa. Int. J. Climatol. 24, 57­75

Small,   E.E.,   F.   Giorgi   and   L.C   Sloan(1999)   Regional   climate   model   simulation   of 

precipitation   in   Central   Asia:   Mean   and   interannual   variability.  Journal   of  

Geophysical Research, 104, 6563­6582

Ufuk, U.T. (2003): Investigation of the hydrodynamics of Lake Van using POM.   MSc 

Thesis. Istanbul Technical University, Istanbul Turkey, pp. 100

Zavatarielli,  M and G. L.  Mellor(1995):A Numerical Study of  the Mediterranean Sea 

Circulation Journal of Physical Oceanography: Vol. 25, No. 6, pp. 1384–1414.

23

                          (a)                                                   (b)

24

 

Figure 1

25

Figure 2 

26

(a)     (b)

(c)      (d)

Figure 3

(a) (b)

27

(c) (d)

(e)  (f)

 (g) (h)

Figure 4

28

(a)   (b) 

(c)  (d)

(e)  (f)

Figure 5

29

(a)   (b)   (c)

(d)   (e)   (f)

(g)   (h)   (i)

Figure 6 

30