High-Frequency Measurements - A New Approach in Limnology

Until recently, time consuming and costly manual measurements have been predominating in lake research and monitoring. Usually, this kind of measurements do not provide sufficient temporal and spatial resolution if any. Using high-frequency measurements (HFM) enabling to study lakes at time scales not achievable by traditional methods, has boosted advancements in a number of fields in limnology. Sensor technologies developing towards higher sensitivity, reliability, and autonomy but with prices going down, makes them widely accessible. The main objective of this thesis was to elucidate the present worldwide use and future perspectives of high-frequency measurements in limnology and offer close insights into two fields of application – using HFM in modelling climate change impacts on thermal stratification of lakes and in describing type specific differences in lakes’ gas regime. The review of literature showed a fast expansion of HFM in lake research since the beginning of the 2000 with a tendency to move from single point measurements towards profiling buoys and sensor networks covering single or multiple lakes to increase spatial resolution. Water temperature modelling based on high-frequency weather data with further applying the model on long-term weather data showed that decreasing wind speeds in 1982-2015 have increased the frequency and duration of stratification events in Lake Võrtsjärv. The analysis of the gas regime in eight lakes of different type revealed trophic state as the main factor determining DO and CO2 distribution and dynamics in those lakes whereas lake morphometry, alkalinity and water colour had significant effects showing the existence of type specific differences in carbon cycling among lakes. Although automated measurements have become an important tool in limnology, they will never fully replace manual field measurements in which the experienced eye and intuition of the researcher have crucial roles.

Veel seni kasutab enamus järveuuringuid traditsioonilisi, aga oma olemuselt ajamahukaid ja kulukaid mõõtmismeetodeid, mis tihti ei anna piisavat ettekujutust mõõdetud näitajate ruumilisest jaotusest ja ajalisest muutlikkusest. Suure arenguhüppe mitmes limnoloogilises uurimisvaldkonnas on kaasa toonud pidevmõõtmiste rakendamine, mis annab võimaluse uurida järvi sellistes ajaskaalades, mis traditsiooniliste meetoditega pole võimalikud. Sensortehnoloogiate töökindlus, täpsus ja autonoomsus on kiiresti tõusnud, hinnad aga langenud, mis muudab nad laialdaselt kättesaadavaks. Käesoleva töö peamiseks eesmärgiks on anda ülevaade pidevmõõtmiste praegustest kasutusvaldkondadest, eesmärkidest ja kasutuse ulatusest maailma järvedes ning hinnata võimalikke tulevikuväljavaateid. Elust võetud näidetena on töösse lisatud kaks uuringut, millest ühes kasutasime veetemperatuuri ja ilmastikunäitajate pidevmõõtmisi kliimamuutuse mõju modelleerimiseks järve termilisele kihistumisele ning teises analüüsisime järvede tüübiomaseid gaasirežiimi erinevusi. Kirjandusülevaade näitas pidevmõõtmiste ühe laiemat kasutamist järveuurimisel alates 2000. aastate algusest ja üleminekut üksiksensoritelt ja -sondidelt profileerivatele poidele ning mõõtmisvõrgustikele, mis tagavad andmete ruumilise lahutuse. Järve termilise kihistuse modelleerimine näitas, et perioodil 1982–2015 nõrgenenud tuulte tingimustes on Võrtsjärv suviti üha sagedamini hakanud kihistuma. Gaasirežiimi uuringud kaheksas Eesti eri tüüpi järves näitasid, et lahustunud hapniku ja süsihappegaasi jaotuse ja ööpäevase dünaamika määrab peamiselt järvede toitelisus, kuid olulised on ka järve mõõtmed, vee aluselisus ja värvus, mis viitab tüübiomastele funktsionaalsetele erinevustele järvede süsinikuringes. Hoolimata pidevmõõtmiste üha laialdasemast kasutamisest ei asenda need kunagi täielikult traditsioonilisi mõõtmisi, milles teadlase kogenud silmal ja kaemusel on tähtis roll, ja need kaks mõõtmisviisi jäävad teineteist täiendama.