Determining Chlorophyll-a Concentrations in Aquatic Systems with New Statistical Methods and Models

• Main Author: Dimberg, Peter
• Format: Others
• Language: English
• Published: Uppsala universitet, Luft-, vatten och landskapslära 2011
• Subjects: Chlorophyll-a; statistical models; aquatic systems; lakes
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-160303; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-506-2241-6

Chlorophyll-a (chl-a) concentration is an indicator of the trophic status and is extensively used as a measurement of the algal biomass which affects the level of eutrophication in aquatic systems. High concentration of chl-a may indicate high biomass of phytoplankton which can decrease the quality of water or eliminate important functional groups in the ecosystem. Predicting chl-a concentrations is desirable to understand how great impact chl-a may have in aquatic systems for different scenarios during long-time periods and seasonal variation. Several models of predicting annual or summer chl-a concentration have been designed using total phosphorus, total nitrogen or both in combination as in-parameters. These models have high predictive power but are not constructed for evaluating the long-term change or predicting the seasonal variation in a system since the input parameters often are annual values or values from other specific periods. The models are in other words limited to the range where they were constructed. The aim with this thesis was to complement these models with other methods and models which gives a more appropriate image of how the chl-a concentration in an aquatic system acts, both in a short as well as a long-time perspective. The results showed that with a new method called Statistically meaningful trend the Baltic Proper have not had any change in chl-a concentrations for the period 1975 to 2007 which contradicts the old result observing the p-value from the trend line of the raw data. It is possible to predict seasonal variation of median chl-a concentration in lakes from a wide geographically range using summer total phosphorus and latitude as an in-parameter. It is also possible to predict the probability of reaching different monthly median chl-a concentrations using Markov chains or a direct relationship between two months. These results give a proper image of how the chl-a concentration in aquatic systems vary and can be used to validate how different actions may or may not reduce the problem of potentially harmful algal blooms. === Koncentrationen av klorofyll-a (chl-a) är en indikator på vilken trofinivå ett akvatiskt system har och används som ett mått på algbiomassa som påverkar övergödningen i akvatiska system. Höga koncentrationer av chl-a i sjöar kan indikera hög biomassa av fytoplankton och försämra kvalitén i vattnet eller eliminera viktiga funktionella grupper i ett ekosystem. Det är önskvärt att kunna prediktera chl-a koncentrationer för att förstå hur stor påverkan chl-a kan ha för olika scenarier i akvatiska system under längre perioder samt under säsongsvariationer. Flera modeller har tagits fram som predikterar årsvärden eller sommarvärden av chl-a koncentrationer och i dessa ingår totalfosfor, totalkväve eller en kombination av båda som inparametrar. Dessa modeller har hög prediktiv kraft men är inte utvecklade för att kunna utvärdera förändringar över längre perioder eller prediktera säsongsvariationer i ett system eftersom inparametrarna ofta är årsmedelvärden eller värden från andra specifika perioder. Modellerna är med andra ord begränsade till den domän som de togs fram för. Målet med denna avhandling var att komplettera dessa modeller med andra metoder och modeller vilket ger en bättre förståelse för hur chl-a koncentrationer i akvatiska system varierar, både i ett kortsiktigt och ett längre perspektiv. Resultaten visade att med en ny metod som kallas för Statistiskt meningsfull trend så har egentliga Östersjön inte haft någon förändring av chl-a koncentrationer under perioden 1975 till 2007 vilket motsäger tidigare resultat då p-värdet tas fram från en trendlinje av rådata. Det är möjligt att prediktera säsongsvariationer av median chl-a koncentrationer i sjöar från en bred geografisk domän med totalfosfor från sommar och latitud som inparametrar. Det är även möjligt att beräkna sannolikhetenav ett predikterat värde för olika månadsmedianer av chl-a koncentrationer med Markovkedjor eller ett direkt samband mellan två månader. Dessa resultat ger en reell förståelse för hur chl-a koncentrationer i akvatiska system varierar och kan användas till att validera hur olika åtgärder kan eller inte kan reducera problemet av de potentiellt skadliga algblomningarna.