The dynamics of the aegean-levantine seas and their climatic implications

Abstract

The eastern Mediterranean is known to have a complex thermohaline, wind, and heat/freshwater flux driven multi-scale circulation. This dissertation aims to investigate the dynamics of the Aegean Sea and the exchange with the Levantine basin at different temporal and spatial scales. Observational and modeling strategies were adopted to address questions of dynamics governing the regional circulation pattern and water mass formation process, as well as the climatic implications of the Aegean-Levantine Seas variability.Aiming at portraying the Aegean’s water mass structure and identifying Dense Water Formation processes, two winter cruises were conducted in 2005-2006, across the plateaus and depressions of the Aegean Sea. During the shipboard activities four Argo profiling floats were deployed, in order to monitor the Aegean’s deep layers. In addition to the observational methods, a hindcast simulation in the Aegean-Levantine basins for the years 1960-2000 was performed, using an eddy resolving ocean model (1o/30). The model incorporates a 6-hr atmospheric forcing and captures the observed variability of the 40-years.Observational results showed that the most prominent feature of the water mass distribution in the Aegean is a distinct “X-shape” of the Θ-S characteristics, suggesting a complicated coupling of the major sub-basins. The surface and deep waters are relatively decoupled with diverse origin characteristics, while the intermediate layers act as connectors of the main thermohaline cells. The central Aegean seems to play a key role due to formation processes of water masses with densities equal and/or higher than 29.2 kg.m-3, taking place in the sub-basin and dispersing in the north Aegean. The pre-EMT thermohaline pattern unveiled that the bottom density of the central basin was higher than that in the south Aegean and therefore the central Aegean possibly acted as a dense water reserve supply for the deeper part of the southern basin. On the other hand, the south Aegean appears greatly influenced by the eastern Mediterranean circulation and water mass distribution, especially under the Eastern Mediterranean Transient status. The Transitional Mediterranean Water monitored in the post-EMT period and characterized by low temperature at 14.2 oC, low salinity at 38.92 and low dissolved oxygen at 3.97 ml.l-1, with its core around 750 m and above the saline (39.06) Cretan Deep Water, altered significantly the south Aegean structure.Modeling results indicate the Eastern Mediterranean Transient as the most prominent climatic event of the period, with other weaker events taking place throughout the simulation period. The impact of the atmospheric versus lateral forcing on the buoyancy content of the Aegean-Levantine basins during the pre-EMT period, suggests preconditioning by surface fluxes mostly related to surface heat loss, and lateral fluxes mostly related to salt flux. While long-term trends of surface and lateral inputs are preconditioning the changes in the Aegean stratification, it is the extreme heat loss pulses, related to the variability of the wind field, that is controlling the formation processes by abruptly lowering the buoyancy content. Those events are possibly linked to an eastern Mediterranean bimodal atmospheric oscillation, with the anomalous surface heat fluxes shifting from the Levantine in the 1960s to the Aegean in the 1990s. During the EMT winters the central Aegean lower layers contain very dense waters, with σΘ larger than 29.3 kg.m-3. These waters form the core of the water mass outflowing in the Eastern Mediterranean, after being mixed with ambient waters along their southward flow. The outflowing layer is characterized by density of 29.21 kg.m-3. The deepest parts of the NW Levantine is initially filled with the new water mass, which later spreads to the SE parts of the basin, flowing over the Eastern Mediterranean Ridge.The results from this thesis could contribute to future scientific activities investigating the regional dynamics of the eastern Mediterranean Sea, and should serve as reference for observational and/or modeling based methods.

Η ανατολική Μεσόγειος παρουσιάζει σύνθετη θερμοαλατική κυκλοφορία, λόγω της δράσης του ανεμολογικού πεδίου και των ατμοσφαιρικών ροών θερμότητας και νερού συνοπτικής, μέσης και μικρής κλίμακας. Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της δυναμικής του Αιγαίου Πελάγους και οι ανταλλαγές που παρατηρούνται με τη λεκάνη της Λεβαντίνης τα τελευταία 50 χρόνια. Για το σκοπό αυτό εφαρμόστηκαν μέθοδοι παρατήρησης μαζί με αριθμητικές προσομοιώσεις, προκειμένου να μελετήσουμε τις υπερετήσιες και δεκαετείς διακυμάνσεις της ανατολικής Μεσογείου.Στα πλαίσια προσδιορισμού της θερμοαλατικής δομής και της δημιουργίας βαθιών νερών στο Αιγαίο Πέλαγος, πραγματοποιήθηκαν δύο Ωκεανογραφικοί πλόες τους χειμώνες του 2005 και 2006. Κατά τη διάρκεια των ταξιδιών ποντίστηκαν τέσσερις αυτόνομοι πλωτήρες Argo, προκειμένου να καταγράψουν τις υπερετήσιες διακυμάνσεις των βαθύτερων στρωμάτων του Αιγαίου. Επιπροσθέτως, πραγματοποιήθηκαν αριθμητικές προσομοιώσεις για την περιοχή του Αιγαίου και της Λεβαντίνης για τη περίοδο 1960-2000, χρησιμοποιώντας ωκεανογραφικό μοντέλο υψηλής διακριτοποίησης (1ο/30). Το ωκεανογραφικό μοντέλο είναι συζευγμένο με ατμοσφαιρικό μοντέλο 6-ωρης ατμοσφαιρικής δράσης και αναπαράγει ικανοποιητικά τις υπερετήσιες διακυμάνσεις της περιόδου.Σύμφωνα με τις παρατηρήσεις των Ωκεανογραφικών σταθμών, οι οποίες προβάλλονται σε διάγραμμα Θ-S, η θερμοαλατική δομή παρουσιάζεται με τη μορφή ενός «X-σχήματος», υποδεικνύοντας τη σύζευξη των επιμέρους λεκανών του Αιγαίου. Τα επιφανειακά και βαθιά νερά είναι ασύζευκτα με θερμοαλατικά χαρακτηριστικά όμοια με των γειτονικών λεκανών, ενώ τα ενδιάμεσα στρώματα κλείνουν το κύριο θερμοαλατικό κύτταρο. Το κεντρικό Αιγαίο έχει κυρίαρχο ρόλο στη δημιουργία βαθιών νερών με χαρακτηριστικές πυκνότητες ίσες ή/και μεγαλύτερες των 29.2 kg.m-3, τα οποία συναντώνται και στο βόρειο Αιγαίο. Τα θερμοαλατικά χαρακτηριστικά της προ-ΕΜΤ περιόδου συνηγορούν στη σύζευξη κεντρικού και νότιου Αιγαίου, όπου είναι πιθανό τα βαθιά νερά του κεντρικού Αιγαίου να συναντώνται επίσης και στα βαθύτερα στρώματα του νότιου Αιγαίου. Tο νότιο Αιγαίο επηρεάζεται από την ευρύτερη κυκλοφορία της ανατολικής Μεσογείου. Η θαλάσσια μάζα TMW που παρατηρείται στην μετά-ΕΜΤ περίοδο, άλλαξε σημαντικά τη θερμοαλατική δομή του νότιου Αιγαίου. To TMW χαρακτηρίζεται από μικρή θερμοκρασία 14.2 oC, μικρή αλατότητα 38.92 και λίγο διαλυτό οξυγόνο 3.97 ml.l-1, με το θερμοαλατικό πυρήνα στα 750 m πάνω από το υψηλής αλατότητας (39.06) CDW.Η αριθμητική προσομοίωση 1960-2000 ανέδειξε το ΕΜΤ ως το χαρακτηριστικότερο γεγονός κλιματικής μεταβολής της συγκεκριμένης περιόδου, μαζί με άλλα μικρότερης έντασης. Το θερμοαλατικό περιεχόμενο των λεκανών στην προ-ΕΜΤ περίοδο προσδιορίζεται από τις επιφανειακές ατμοσφαιρικές ροές απώλειας θερμότητας και από τις πλευρικές ροές αύξησης αλατότητας. Τη μακρά περίοδο δημιουργίας κατάλληλων συνθηκών απώλειας πλευστότητας και μεταβολών στη στρωμάτωση του Αιγαίου, ακολουθούν έντονοι χειμώνες με σημαντικές απώλειες πλευστότητας στις υπό εξέταση λεκάνες. Η ατμοσφαιρική ανωμαλία της περιόδου 1960-2000, πιθανών συνδέεται με τη δημιουργία ενός δίπολου ροών απώλειας πλευστότητας πάνω από την ανατολική Μεσόγειο, με μετατόπιση της ανωμαλίας από τη Λεβαντίνη τη δεκαετία του ‘60 στο Αιγαίο τη δεκαετία του ‘90. Κατά τη διάρκεια του ΕΜΤ το κεντρικό Αιγαίο περιέχει πολύ πυκνά νερά σε σχετικά μικρά βάθη με πυκνότητες μεγαλύτερες των 29.3 kg.m-3. Τα νερά αυτά εκρέουν στην ανατολική Μεσόγειο, αφού πρώτα υφίστανται ισχυρή ανάμιξη. Το στρώμα εκροής πυκνών νερών του Αιγαίου κατά τη περίοδο του ΕΜΤ χαρακτηρίζεται από πυκνότητα 29.21 kg.m-3. Τα βαθύτερα στρώματα της νοτιοδυτικής Λεβαντίνης είναι αυτά που γεμίζουν πρώτα, ενώ η επίδραση του ΕΜΤ φτάνει έως και τη νοτιοανατολική Λεβαντίνη.Τα αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής μπορούν να συνεισφέρουν στη μελέτη της δυναμικής της ανατολικής Μεσογείου, καθώς επίσης και στο σχεδιασμό μελλοντικών πειραμάτων με παρατηρήσεις ή/και αριθμητικά μοντέλα.