Abstract One of the most important physical characteristics driving lifecycle events in lakes is stratification. Already subtle variations in the timing of stratification onset and break-up (phenology) are known to have major ecological effects, mainly by determining the availability of light, nutrients, carbon and oxygen to organisms. Despite its ecological importance, historic and future global changes in stratification phenology are unknown. Here, we used a lake-climate model ensemble and long-term observational data, to investigate changes in lake stratification phenology across the Northern Hemisphere from 1901 to 2099. Under the high-greenhouse-gas-emission scenario, stratification will begin 22.0 ± 7.0 days earlier and end 11.3 ± 4.7 days later by the end of this century. It is very likely that this 33.3 ± 11.7 day prolongation in stratification will accelerate lake deoxygenation with subsequent effects on nutrient mineralization and phosphorus release from lake sediments. Further misalignment of lifecycle events, with possible irreversible changes for lake ecosystems, is also likely.

Species invasions can disrupt aquatic ecosystems by re-wiring food webs. A trophic cascade triggered by the invasion of the predatory zooplankter spiny water flea (Bythotrephes cederströmii) resulted in increased phytoplankton due to decreased zooplankton grazing. Here, we show that increased phytoplankton biomass led to an increase in lake anoxia. The temporal and spatial extent of anoxia experienced a step change increase coincident with the invasion. Anoxia was driven by phytoplankton biomass and stratification changes, and anoxic factor increased by 10 days. In particular, anoxia established more quickly following spring stratification. A shift in spring phytoplankton phenology encompassed both abundance and community composition. Diatoms (Bacillaryophyta) drove the increase in spring phytoplankton biomass, but not all phytoplankton community members increased, shifting the community composition. We infer that increased phytoplankton biomass increased labile organic matter and drove hypolimnetic oxygen consumption. These results demonstrate how a species invasion can shift lake phenology and biogeochemistry. Scientific significance statement Invasive species can affect aquatic ecosystems, often by disrupting food webs. We investigated whether the invasive predatory zooplankton spiny water flea could additionally impact the biogeochemistry of a lake, specifically hypolimnetic anoxia dynamics. Using 24 years of observations spanning a spiny water flea invasion that triggered a food web-mediated increase in phytoplankton, we found that increased spring phytoplankton coincided with an earlier onset of anoxia, thereby drawing a connection between a species invasion and a shift in lake oxygen dynamics. Data availability statement All data is publicly available through the Environmental Data Initiative via identifiers referenced in the methods. Scripts and data to reproduce the results are available on GitHub ( https://github.com/robertladwig/spinyAnoxia ) and in Rohwer et al. (2023). Author contributions RRR and RL co-led the entire manuscript effort and contributed equally. RL and RRR came up with the research question and conducted the statistical and numerical analyses: RL analysed the anoxia dynamics and related water quality variables, RRR analysed the phytoplankton community dynamics. RL, RRR, and HAD created figures and visualizations. PCH, JW and JVZ provided essential feedback to the analyses and the discussion of ecosystem implications. RRR and RL co-wrote the paper.

Abstract As a key water quality parameter, dissolved oxygen (DO) concentration, and particularly changes in bottom water DO is fundamental for understanding the biogeochemical processes in lake ecosystems. Based on two machine learning (ML) models, Gradient Boost Regressor (GBR) and long‐short‐term‐memory (LSTM) network, this study developed three ML model approaches: direct GBR; direct LSTM; and a 2‐step mixed ML model workflow combining both GBR and LSTM. They were used to simulate multi‐year surface and bottom DO concentrations in five lakes. All approaches were trained with readily available environmental data as predictors. Indices of lake thermal structure and mixing provided by a one‐dimensional (1‐D) hydrodynamic model were also included as predictors in the ML models. The advantages of each ML approach were not consistent for all the tested lakes, but the best one of them was defined that can estimate DO concentration with coefficient of determination ( R 2 ) up to 0.6–0.7 in each lake. All three approaches have normalized mean absolute error (NMAE) under 0.15. In a polymictic lake, the 2‐step mixed model workflow showed better representation of bottom DO concentrations, with a highest true positive rate (TPR) of hypolimnetic hypoxia detection of over 90%, while the other workflows resulted in, TPRs are around 50%. In most of the tested lakes, the predicted surface DO concentrations and variables indicating stratified conditions (i.e., Wedderburn number and the temperature difference between surface and bottom water) are essential for simulating bottom DO. The ML approaches showed promising results and could be used to support short‐ and long‐term water management plans.

Climate change is altering the thermal habitats of freshwater fish species. We analyze modeled daily temperature profiles from 12,688 lakes in the US to track changes in thermal habitat of 60 lake fish species from different thermal guilds during 1980-2021. We quantify changes in each species' preferred days, defined as the number of days per year when a lake contains the species' preferred temperature. We find that cooler-water species are losing preferred days more rapidly than warmer-water species are gaining them. This asymmetric impact cannot be attributed to differences in geographic distribution among species; instead, it is linked to the seasonal dynamics of lake temperatures and increased thermal homogenization of the water column. The potential advantages of an increase in warmer-water species may not fully compensate for the losses in cooler-water species as warming continues, emphasizing the importance of mitigating climate change to support effective freshwater fisheries management. Climate change is warming freshwater fish thermal habitats. Here, the authors examine daily temperature profiles from 12,688 lakes and thermal habitats of 60 fish species, finding that cold-water fishes are losing preferred thermal habitats at a faster rate than warm-water fishes are gaining them.

Abstract Global warming is shifting the thermal dynamics of lakes, with resulting climatic variability heavily affecting their mixing dynamics. We present a dual ensemble workflow coupling climate models with lake models. We used a large set of simulations across multiple domains, multi‐scenario, and multi GCM‐ RCM combinations from CORDEX data. We forced a set of multiple hydrodynamic lake models by these multiple climate simulations to explore climate change impacts on lakes. We also quantified the contributions from the different models to the overall uncertainty. We employed this workflow to investigate the effects of climate change on Lake Sevan (Armenia). We predicted for the end of the 21st century, under RCP 8.5, a sharp increase in surface temperature and substantial bottom warming , longer stratification periods (+55 days) and disappearance of ice cover leading to a shift in mixing regime. Increased insufficient cooling during warmer winters points to the vulnerability of Lake Sevan to climate change. Our workflow leverages the strengths of multiple models at several levels of the model chain to provide a more robust projection and at the same time a better uncertainty estimate that accounts for the contributions of the different model levels to overall uncertainty. Although for specific variables, for example, summer bottom temperature, single lake models may perform better, the full ensemble provides a robust estimate of thermal dynamics that has a high transferability so that our workflow can be a blueprint for climate impact studies in other systems.