Ανάλυση και στοχαστική μοντελοποίηση χρονοσειρών βιολογικών παραμέτρων : περίπτωση μελέτης : Η χλωροφύλλη Α σε ένα παράκτιο σύστημα (Θερμαϊκός κόλπος).

Abstract

Το θέμα της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας αφορά στην ανάλυση «Ανάλυση και Στοχαστική Μοντελοποίηση Χρονοσειρών Βιολογικών παραμέτρων» και εστιάζει στην περίπτωση της «Χλωροφύλλης α σε ένα παράκτιο σύστημα (Θερμαϊκός Κόλπος)». Οι στόχοι της Διπλωματικής Εργασίας είναι η εφαρμογή μεθόδων ανάλυσης και στοχαστικής μοντελοποίησης χρονοσειρών για την κατανόηση της συμπεριφοράς βιολογικών παραμέτρων στο θαλάσσιο περιβάλλον και ειδικότερα, για τη μελέτη των χωρικών και χρονικών μεταβολών που παρουσιάζει η χλωροφύλλη α σε ένα παράκτιο σύστημα, το οποίο αντιμετωπίζει φαινόμενα ευτροφισμού. Η ανάλυση και μοντελοποίηση των παραμέτρων του θαλάσσιου περιβάλλοντος επιτρέπει, αφ’ ενός την κατανόηση των φυσικών διεργασιών και της δυναμικής των παράκτιων συστημάτων και αφ’ ετέρου παρέχει τη δυνατότητα πρόβλεψης των μελλοντικών τιμών της χλωροφύλλης α σε ένα παράκτιο σύστημα μπορεί να συμβάλει στην αντιμετωπίσει των φαινόμενων θαλάσσιου ευτροφισμού και στην ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος διαχείρισης στην παράκτια ζώνη. Στο πρώτο μέρος, γίνεται αναφορά σε έννοιες της Θεωρίας Πιθανοτήτων, της Στατιστικής και της Ανάλυσης Χρονολογικών σειρών, θεωρητική προσέγγιση των βασικών γραμμικών στοχαστικών μοντέλων AR(p), MA(p), ARMA(p,q) και ARIMA(p,d,q) και περιγραφή της μεθοδολογίας Box-Jenkins (Box & Jenkins, 1976). Στο δεύτερο μέρος, γίνεται παρουσίαση της περιοχής μελέτης, των χαρακτηριστικών του φυσικού και ανθρωπογενούς περιβάλλοντος, καθώς και περιγραφή των δεδομένων. Στο τρίτο μέρος, γίνεται παρουσίαση των χρονοσειρών χλωροφύλλης α και εφαρμογή μεθόδων στατιστικής ανάλυσης για την ανάδειξη βασικών χαρακτηριστικών της συμπεριφοράς της παραμέτρου, σε όλους τους σταθμούς δειγματοληψίας, στα τρία βάθη (-1m, -10m και μέγιστο βάθος). Συγκεκριμένα, α) πραγματοποιείται συγκριτική παρουσίαση των χρονοσειρών χλωροφύλλης α, β) προσδιορίζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των δεδομένων (δειγματική μέση τιμή, εύρος και δειγματική τυπική απόκλιση), γ) υπολογίζονται οι συντελεστές συσχέτισης των σταθμών στο ίδιο βάθος και των βαθών στον ίδιο σταθμό και δ) γίνεται διερεύνηση του προτύπου κατανομής των δεδομένων. Τέλος, γίνεται παρουσίαση μέσω θεματικών χαρτών της περιοχής μελέτης, της κατακόρυφης κατανομής των μέσων ετήσιων τιμών χλωροφύλλης α, για κάθε έτος δειγματοληψίας και της χρονικής μεταβολής των μέσων ετήσιων τιμών της παραμέτρου, για κάθε βάθος, σε όλους τους σταθμούς δειγματοληψίας. Στο τέταρτο μέρος, πραγματοποιείται μελέτη της χωρικής κατανομής της χλωροφύλλης α στον Θερμαϊκό Κόλπο, σε βάθος -1m, με την εφαρμογή της μεθόδου χωρικής παρεμβολής Αντιστρόφου Βαρύνουσας Απόστασης (I.D.W. – Inverse Distance Weighted Interpolation Method) (Lancaster & Salkauskas, 1986, Weber & Englund, 1992, Kitsiou & Karydis, 2001), καθώς και εκτίμηση της τροφικής κατάστασης του Θερμαϊκού Κόλπου, με σύγκριση των μέσων τιμών χλωροφύλλης α με κλίμακα ευτροφισμού, που έχει προκύψει από ειδική στατιστική επεξεργασία δεδομένων σε παράκτιες ελληνικές θάλασσες (Καρύδης, 1999, Πάγκου, 2000). Η χωρική κατανομή της χλωροφύλλης α, για κάθε έτος δειγματοληψίας, στο επιφανειακό στρώμα (-1m) και η τροφική κατάσταση της περιοχής μελέτης παρουσιάζονται σε θεματικούς χάρτες. Τέλος, πραγματοποιείται εφαρμογή της μεθοδολογίας Box-Jenkins (Box & Jenkins, 1976) για την ανάλυση και στοχαστική μοντελοποίηση των χρονοσειρών χλωροφύλλης α, σε τρεις σταθμούς δειγματοληψίας, σε βάθος -1m. Η ανάλυση και η στοχαστική μοντελοποίηση των χρονοσειρών έγινε με τη χρήση του προγράμματος στατιστικής επεξεργασίας δεδομένων Statistica. Η μελέτη της χωρικής κατανομής της χλωροφύλλης α στον Θερμαϊκό Κόλπο, η εκτίμηση της τροφικής ανάλυσης των δεδομένων, με τη δημιουργία θεματικών χαρτών της περιοχής μελέτης, έγινε με τη χρήση του λογιστικού ArcView G.I.S. Version 3.1. της εταιρίας Environmental Systems Research Institute (E.S.R.I.).