Sekély tavak anyagforgalmának nagy időbeli felbontású mérése és modellezése
Title in English
High-frequency monitoring and modeling of shallow lake metabolism
Keywords in Hungarian
oldott oxigén, bayesi statisztika, CO2
Keywords in English
dissolved oxygen, Bayesian statistics, modelling, CO2
Discipline
Water Management (Council of Physical Sciences)
70 %
Ortelius classification: Water quality
Hydrobiology, ecological status assessment, applied ecology (Council of Complex Environmental Sciences)
30 %
Ortelius classification: Hydrobiology
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Department of Hydraulic and Water Resources Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date
2014-09-01
Closing date
2017-08-31
Funding (in million HUF)
8.048
FTE (full time equivalent)
2.10
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A tavak szerepe a globális CO2 forgalomban nem tisztázott. Jelenlegi tudásunk szerint a különböző tavak, illetve egyetlen tó különböző élőhelyei lehetnek CO2 források vagy nyelők is attól függően, hogy az elsődleges termelők (növények) fotoszintézise, vagy a társulások légzése a nagyobb-e. Mivel a fotoszintézis során O2 szabadul fel, az aerob légzés pedig O2-t fogyaszt, a tavak CO2 forgalomban betöltött szerepének vizsgálatára ma a legelterjedtebb terepi módszer a vízben oldott O2 koncentrációjának nagy gyakoriságú (pl. percenkénti) mérése. Az így nyert adatokból azonban az egyes részfolyamatok (elsődleges termelés, légzés, légköri kicserélődés) nem határozhatók meg egyértelműen, hiszen az oldott O2 koncentrációjának időbeli változása ezen folyamatok eredője. Ez gátolja az átfogó érvényű, globális léptékű becslésekre is felhasználható összefüggések felismerését. Ezt a felismerhetőségi problémát csak az egyes részfolyamatokra vonatkozó független adatok gyűjtésével lehet orvosolni. A kutatás célkitűzése olyan mérési és modellezési recept kidolgozása, amellyel az elsődleges termelés és a légzés nagy időbeli felbontással követhető és a tavak anyagforgalmának szezonális változása leírható.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Feltételezésünk az, hogy az oldott O2 koncentráció mellett a meteorológiai körülmények, a vízmozgások illetve a vízben lebegő algák fotoszintetikus tulajdonságainak együttes, nagy időbeli felbontású mérése segíthet megkülönböztetni a tavi anyagforgalom egyes összetevőit. Így ezen folyamatok nagyságrendjéről, időbeli változékonyságáról is pontosabb képet kaphatunk, ha az adatokhoz speciális hibamodellek segítségével illesztünk folyamat alapú dinamikus modelleket. A következő kérdésekre kersünk választ: (i) Milyen feltételek közepette okoznak anomális O2 változást (pl. éjszakai koncentráció növekedést) az advektív események/viharok? (ii) Hogyan befolyásolja a hullámzás és az időszakos hőrétegeződés a víz és a légkör közötti gázcserét? (iii) Előre jelezhetők-e ezek a fizikai hatások egyszerű meteorológiai változók segítségével? (iv) A fizikai hatások determinisztikus összefüggésekkel vagy sztohasztikus folyamatokkal írhatók-e le? (v) A Balaton parti öve nettó CO2 nyelő vagy kibocsátó-e különböző időskálákon (pl. napi, évszakos, hosszú távú)?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Ha a kutatás fő feltevése beigazolódik, a javasolt automatikus mérési és modell alkotási eljárások segítségével eddig nem látott pontossággal becsülhetjük a tavi anyagforgalom fő összetevőit. A szezonális és a pillanatnyi fizikai körülmények okozta változatosság elemzésével a más tavakra, illetve tavon belüli élőhelyekre vonatkozó becsléseket is pontosítani lehet. Ezek a becslések távlatilag beépíthetők az éghajlatváltozás előrejelzésénél használt globális anyagforgalmi modellekbe is. Az utóbbi modellek minőségének javítása elengedhetetlen ahhoz, hogy a mostani, alacsony megbízhatóságú előrejelzéseket a gyakorlatban is használható prognózisok váltsák fel. Jelenleg a megbízható prognózisok hiánya az éghajlatváltozás negatív hatásaira való felkészülés legfőbb gátja. Emellett az elsődleges termelés elfogadható pontosságú becslése az eutrofizálódás elleni védekezés egyik kulcskérdése. Az eutrofizálódás még ma is a leggyakoribb globális vízminőségi/ökológiai és vízhasználati probléma: becslések szerint a Föld tavainak és tározóinak 60%-át érinti.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A tavak hatása az üvegházhatású gázok légköri mennyiségére jelenleg nem tisztázott. A tudósok abban egyetértenek, hogy ez a hatás jelentős, számszerűsítésére azonban nincsenek megbízható módszereink. A tavak elnyelhetik és ki is bocsáthatják a szén-dioxidot az évszakos változások és a vízi élőlények mennyiségének és anyagcseréjének függvényében. A kutatás célja olyan mérési és számítási recept kidolgozása, amellyel a tavi anyagforgalom fő összetevői nagy időbeli felbontással követhetők, a számos folyamat eredőjeként adódó széndioxid mérleg megfelelő pontossággal felállítható. Az egyes tavakra való alkalmazáson túl a kutatás olyan átfogó érvényű összefüggések felismeréséhez vezethet, melyekkel javítani lehetne az éghajlatváltozás mértékét előrejelző modellek teljesítményét, és amelyek lehetővé tehetik a Föld tavaiban és tározóiban még ma is a leggyakoribb vízminőségi, ökológiai és vízhasználati problémákat okozó eutrofizálódás elleni hatékonyabb védekezést.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. We do not fully understand the role of lakes in the global carbon cycle. According to our present knowledge, various lakes and various habitats within a single lake may act either as sinks or sources of CO2, depending on the balance of photosynthesis by primary producers and community respiration. Since photosynthetic fixation and aerobic respiratory release of CO2 are stoichiometrically coupled to O2 production and consumption, respectively, high frequency (e.g. every minute) monitoring of the concentration of dissolved oxygen (DO) has become the most widely used field method to assess lake metabolism. However, temporal change in DO is the aggregated result of several processes (photosynthesis, respiration, atmospheric exchange,mixing of water masses with different DO concentrations, etc.) and thus, rates of individual processes cannot be estimated unambiguously. As a consequence, we lack generally valid relationships that would allow us to estimate CO2 balance of lakes at a global scale. The ultimate solution to this identification problem is to use independent observations/time series on as many individual processes as possible. The present project aims at developing a set of measurement and modeling tools to follow primary production and respiration with high temporal resolution and to evaluate and predict seasonal changes in lake metabolism.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. We hypothesize that high frequency, simultaneous monitoring of DO, meteorological variables, water movement, biomass and photosynthetic activity of phytoplankton allows us to identify and quantify fundamental processes of lake metabolism. Fitting process-based dynamic models to these data by Bayesian model fitting with tailored error models, we can more accurately estimate temporal variability and rate of underlying processes than with the presently available best methods. Our key questions are as follows: (i) Under which conditions do advective events and storms induce DO anomalies (for example, night time increase in DO)? (ii) What is the impact of waves and temporary stratification on gas exchange between the water and the atmosphere? (iii) Can these physical effects be predicted from simple meteorological proxies? (iv) Can their effect on DO evolution be predicted with deterministic relations or stochastic processes only? (vi) Is the littoral zone of Lake Balaton a sink or source of CO2 at various time scales (diurnal, seasonal, long-term)?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. Components of lake metabolism can be measured and modelled with unprecedented detail if we can prove the main hypothesis of the project. The accuracy of extrapolations of metabolic rates to other lakes or to different habitats within a single lake can be improved by the analysing the variability of lake metabolism as a function of season and dynamic environmental variability. These relationships could potentially be taken into consideration in models of global carbon cycling, which form the basis of climate change simulations. Enhancement of the predictive power of these models is a prerequisite for predicting climate change with higher confidence, at least in the same scenario of greenhouse gas emission. We need less uncertain climate change predictions than available today to prepare for and mitigate prospective negative future impacts. Besides, improved estimation of primary production is a key question in management of eutrophication, too. The decades-old problem of eutrophication is still the most crutial global water quality and ecological threat to our freshwater reserves that jeopardizes various water usages. According to recent estimates, 60% of Earth's lakes and reservoirs are concerned.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The impact of lakes on the atmospheric greenhouse gas concentrations is presently unknown. There is a scientific consensus about the significance of this impact, but we do not have proper methods of quantification. Lakes can be both sinks and sources of carbon dioxide, depending on the season and the changing quantity and activity of aquatic organisms. This research project aims at developing a set of high frequency measurement and advanced modeling tools to separate the main processes of lake metabolism and to set up a closed balance for carbon dioxide. The project may lead to identification of general relationships on lake metabolism applicable to various lakes and various habitats within a single lake. These relationsips may improve the performance of climate change models. Besides, they may enhance the management of eutrophication, which is the most widespread water quality and ecological problem in the lakes and reservoirs of our planet.
Final report
Results in Hungarian
A tavak anyagforgalma a globális CO2 forgalom fontos tényezője, de az anyagforgalom mérése a különböző fizikai és biológiai folyamatok egymásrahatása miatt nehézA Balaton Keszthelyi-medencéjében végzett nagy időbeli folbontású adatsor alapján egy új adatfeldolgozási eljárást dolgoztam ki, mely kiküszöböli a problémák egy részét. Az oldott oxigén mellet más adatok - pl. a fluoreszcenciával mért alga-biomassza - bevonásával az elsődleges termelés és a légzés becslése javítható, valamint az ökoszisztéma tulajdonságai is hihető módon becsülhetők. Az eljárás alkalmazható rövid távú operatív előrejelzésre is, melyet egy kisebb hipertóf tavon sikerrel teszteltem. Azonban nem minden problémára jelent megoldást a több adat bevonása. Az anyagforgalmi folyamatokra vonatkozó ismereteink hiányossága miatt a becsült folyamatokban különböző műtermékek jelennek meg, melyek torzítják az ökológiai értelmezést is. Így az adatok kiterjesztlése mellett figyelmet kell fordítani a folyamatok jobb megértésére is. A mérési eredmények alapján a Keszthelyi-medence algacsúcsai bizonyos években még jelenleg is magasak, tehát a külső tápanyagterhelés további csökkentésére lehet szükség és a Kis-Balaton védőrendszer üzemeltetése során is előtérben kellene tartani a vízminőségi szempontokat.
Results in English
Lake metabolism is an important contributor to the global CO2 cycle, yet its measurement is hindered by identification problems of the interacting biological and physical processes. Based on a high-frequency dataset obtained in the Keszthely Basin of Lake Balaton a new technique of data analysis was developed to tackle some of these problems. The involvement of supplementary datasets, such as the phytoplankton biomass, besides the time-series of dissolved oxygen helps to improve the identification of gross primary production and respiration and leads to ecologically credible estimates of ecosystem parameters. The technique was tested for short-term operational water quality forecast in a smaller hypertrophic lake with success. However, all estimation problems cannot be solved with additional data. Inevitable knowledge gaps about metabolism cause artefacts in the results, which lead to wrong ecological interpretation. Therefore, besides increasing data coverage, process knowledge must be improved as well. Observations show that algal blooms are still high in certain years in the Keszthely Basin of Lake Balaton. This indicates that further reduction of external nutrient load might be required and the operation of the Kis-Balaton system should not lose its focus on water quality management.
Honti M., and Istvánovics V.: Error propagation leads to spurious correlations and misinterpretation of lake metabolism., benyújtott kézirat/submitted manuscript, 2018
Honti M., Istvanovics V., Staehr P.A., Brighenti L.S., Zhu M.Y., Zhu G.W.: Coupling high frequency dissolved oxygen and chlorophyll fluorescence data for a robust estimation of lake metabolism parameters, Inland Waters, 2016
Giling, D. P., Staehr, P. A., Grossart, H. P., Andersen, M. R., Boehrer, B., Escot, C., Evrendilek, F., Gómez-Gener, L., Honti, M., Jones, I. D., Karakaya, N., Laas, A., Moreno-Ostos, E., Rinke, K., Scharfenberger, U., Schmidt, S. R., Weber, M., Woolway, R. I., Zwart, J. A. and Obrador, B.: Delving deeper: Metabolic processes in the metalimnion of stratified lakes., Limnology and Oceanography, 2017
