Temporal and spatial GIS visualizations and statistics of near-term DOC changes in ten Norwegian lakes, based on the climatic factors precipitation and temperature

Abstract

The colour of lakes several places in the Northern hemisphere has been increasing the last few decades; this brownification is affecting aquatic life, drinking water facilities and the carbon cycle. It is closely linked to the reduced acid rain enhancing the concentrations of dissolved organic carbon (DOC). However, now that the amounts of sulphate (SO4 2-) in Norwegian lakes are starting to stabilize, there is still an increasing trend in DOC values, possibly caused by increased temperature and precipitation. The climate is changing, and at the same time geographic information systems (GIS) are constantly improving. Having future climate change predictions for Norway, calculated by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), together with today’s GIS programs, there are many possibilities to model future scenarios. In this thesis, the goal was to assess DOC changes in ten Norwegian lakes, differing in location and water chemistry, based on near future air temperature and precipitation predictions of IPCC’s scenario RCP4.5; as well as to use GIS models to spatially visualize the relative production of allochthonous DOC reaching lakes within the catchment areas. This was possible by using existing data on the correlation between temperature and total organic carbon (TOC: in these lakes mainly DOC), in addition to dividing precipitation by SO4 2- concentrations, before and after stabilization, to see the effects of precipitation amounts. Four lakes were considered precipitation dependent, and all ten lakes showed continuous positive trends in predicted TOC values to the year 2025 and further increases stabilizing towards year 2075. Hence, it seemed that future climate change is likely to cause increased DOC concentrations in Norwegian lakes. The specific temporal and spatial increases within each catchment area were possible to show through graphs and GIS models. Due to the strongly decreased SO4 2- values, continuous monitoring of DOC/ TOC values in Norwegian (as well as other similar European) lakes are important. Further research on the effects of the climatic parameters precipitation and temperature are needed to find more answers concerning if and how these are affecting the levels in general, and at specific sites. Furthermore, when it comes to GIS as tools for visualizations and statistical calculations the possibilities are numerous and this thesis only show a glimpse of the part GIS can play in water management and research.

De siste tiårene har det flere steder i Nord-Amerika og i Europa blitt observert en stadig økning av fargetall i innsjøer. Dette påvirker både ferskvannsflora- og fauna, drikkevannsfasiliteter og det globale karbonkretsløpet. De stadig brunere innsjøene har vist seg å henge sammen med den reduserte sure nedbøren i disse områdene som har ført til økende konsentrasjoner av løst organisk materiale (DOC). Selv om sulfat-konsentrasjonene (SO4 2-) i norske innsjøer har stabilisert seg de siste årene, har ikke den økende DOC-trenden gjort det samme, noe som muligens skyldes økt temperatur og nedbørsmengder. Fremtidige klimaforandringer i Norge, beregnet ut i fra FNs klimapanels (IPCCs) tall, sammen med nåtidens GIS-programmer, gir rom for mange muligheter når det gjelder å fremstille fremtidige scenario. Målet for denne oppgaven var å vurdere DOC-forandringer i ti norske innsjøer fordelt utover landet og med ulik vannkjemi, ved bruk av IPCC sin prediksjon RCP4.5 av lufttemperatur og nedbørmengde i nær fremtid. I tillegg skulle GIS-modeller brukes for å visualisere hvor i nedbørfeltet de største relative endringer i produksjon av alloktone tilførsler av DOC til innsjøene ville være. Dette var gjennomførbart grunnet eksisterende data angående sammenhengen mellom temperatur og totalt organisk karbon (TOC: hvorav mesteparten er DOC), i tillegg til muligheten for å dele opp nedbør med tanke på SO4 2-- konsentrasjoner før og etter stabilisering, for å se påvirkningen fra nedbørsmengder. Fire innsjøer ble regnet som nedbørsavhengige, samtidig som alle ti viste seg å fortsette den positive TOC-trenden til 2025, for så å gradvis stabilisere seg mot 2075. Ut i fra dette ble det tolket at klimaforandringer i nær fremtid vil kunne føre til økte konsentrasjoner av DOC i norske innsjøer. De spesifikke økningene, både når det gjaldt tidsaspektet og den romlige fordelingen innenfor hvert nedbørsfelt, var mulig å fremstille ved bruk av grafer og GIS-modeller. På grunn av den observerte nedgangen av SO4 2--konsentrasjoner, bør overvåkingen av DOC/ TOC i norske (så vel som lignende europeiske) innsjøer fortsette og overvåkes. I tillegg trengs det mer forskning på hvilken rolle temperatur og nedbør har når det gjelder disse fremtidige mengdene generelt, og i enkelt-innsjøer. Når det gjelder GIS som visualiserings- og statistikk-verktøy er mulighetene mange og denne masteroppgaven er kun et glimt av rollen de kan (og bør) få i videre vannforvaltning- og forskning.