Variability of the Mediterranean Sea circulation under contrasting extreme climatic conditions

Abstract

This thesis investigates the sensitivity of the thermohaline circulation and the inherent variability of the Mediterranean Sea under contrasting climatic conditions. Three long term numerical simulation experiments were performed under climatic conditions similar to: a) the current climatology, b) the cold and dry conditions resembling the Younger Dryas event, and c) the wet and warm climatic conditions resembling the S1a sapropel deposition interval. A perpetual climatological year forcing was applied in each experiment, to isolate the internal variability of the system from the atmospheric variability. After the initial spin-up, each experiment was forced by self-diagnosed heat and salt fluxes for a millennium – long, relaxation-free run. The results revealed that the Mediterranean Sea circulation is particularly sensitive to climate change: in colder and drier conditions (Younger Dryas – like conditions) the Mediterranean functions as a concentration basin and exports dense water to the Atlantic, while the residence time of the eastern basin’s deep water is semi-centennial. On the contrary, in extremely warm and humid conditions (S1a sapropel deposition – like conditions), the thermohaline functioning of the Mediterranean can change sign, turning into a dilution basin with intercentennial residence time of its eastern basin deep waters. It is noteworthy that under these conditions the Aegean continues to produce dense water, not dense enough, however, to penetrate the deeper layers of the eastern Mediterranean. To analyze the inherent spatiotemporal variability of the Mediterranean, the method of empirical orthogonal functions (EOF) and spectral analysis were performed on the simulated density fields. In all the experiments the upper layers of the sea were dominated by interannual/ decennial variability. In addition, although the integrated buoyancy flows in the Straits of Gibraltar and Sicily fluctuate at different time scales, all experiments are dominated by decennial variability. EOF analysis of the deeper layers in the two extreme climatic experiments showed that the western and eastern basins operate in opposite phases, exchanging buoyancy with decennial (for intense mixing – Younger Dryas) and centennial (for stratified case – S1a sapropel) timescale variability, respectively. The analysis also revealed that during extreme conditions large spatiotemporal scales of variability tend to prevail, as the lower EOF modes dominate. In addition, structures of variability corresponding to horizontal and vertical buoyancy exchanges within the basin have emerged, as well as structures similar to the so-called BIOS mechanism of the Eastern Mediterranean.

Στην παρούσα μελέτη διερευνάται η εγγενής εσωτερική μεταβλητότητα και η ευαισθησία της θαλάσσιας κυκλοφορίας της Μεσογείου κάτω από διαφορετικές κλιματικές συνθήκες. Για την επίτευξη του στόχου αυτού σχεδιάστηκαν και εφαρμόστηκαν τρεις μακράς χρονικής κλίμακας προσομοιώσεις της θαλάσσιας κυκλοφορίας της Μεσογείου σε κλιματικές συνθήκες παρόμοιες με αυτές: α) της σύγχρονης περιόδου β) των ψυχρών και ξηρών συνθηκών της Νεότερης Δρυάδας και γ) των θερμών και υγρών συνθηκών απόθεσης του σαπροπηλού S1a. ΟΙ προσομοιώσεις οδηγήθηκαν από ένα αέναο έτος υπολογισμένο από μέσα κλιματολογικά πεδία χαρακτηριστικά της κάθε μίας από τις παραπάνω περιόδους, ώστε να αφαιρεθεί η μεταβλητότητα της ατμοσφαιρικής διέγερσης. Μετά την ισορρόπηση κάθε πειράματος, υπολογίστηκαν οι διαγνωσμένες ροές θερμοκρασίας και αλατότητας και χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή πολύ μακρών προσομοιώσεων της θαλάσσιας κυκλοφορίας, αφαιρώντας έτσι τους όρους «χαλάρωσης» από τις εξισώσεις προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα των πειραματικών προσομοιώσεων έδειξαν ότι η Μεσόγειος είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στις κλιματικές αλλαγές: σε πιο ψυχρές και ξηρές συνθήκες ενισχύεται η λειτουργία της ως λεκάνης συγκέντρωσης και εξαγωγού πυκνού νερού προς τον Ατλαντικό, ενώ μειώνονται σχεδόν κατά το ήμισυ και οι χρόνοι παραμονής των υδάτων στις βαθιές λεκάνες της. Αντίθετα, σε ακραία θερμές και υγρές συνθήκες, η θερμόαλη λειτουργία της Μεσογείου μπορεί να αλλάξει πρόσημο, μετατρέποντάς την σε λεκάνη αραίωσης και αυξάνοντας κατά πολύ τους χρόνους αναπλήρωσης των βαθιών νερών της. Αξιοσημείωτο είναι ότι υπό αυτές τις συνθήκες το Αιγαίο εξακολουθεί να παράγει πυκνό νερό, όχι αρκετά πυκνό ωστόσο, ώστε να διεισδύσει στα βαθύτερα στρώματα της ανατολικής λεκάνης.Για τη διερεύνηση της εγγενούς χωροχρονικής μεταβλητότητας της Μεσογείου εφαρμόστηκαν η μέθοδος των εμπειρικών ορθογώνιων συναρτήσεων (EOF) και φασματική ανάλυση στα αποτελέσματα κάθε πειράματος. Σε όλα τα πειράματα διαπιστώθηκε ότι στα ανώτερα στρώματα της Μεσογείου επικρατεί η υπερ-ετήσια/δεκαετής μεταβλητότητα. Επιπρόσθετα, αν και οι ολοκληρωμένες ροές πλευστότητας στα Στενά του Γιβραλτάρ και της Σικελίας ταλαντώνονται σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες, σε όλα τα πειράματα κυριαρχεί η δεκαετής μεταβλητότητα. Η ανάλυση EOF των πεδίων πυκνότητας των βαθύτερων στρωμάτων στα δύο ακραία κλιματικά πειράματα έδειξε ότι η δυτική και η ανατολική λεκάνη ανταλλάσσουν πλευστότητα με δεκαετή (για την έντονη ανάμειξη – συνθήκες Νεότερης Δρυάδας) και εκατονταετή (για τη στρωματοποιημένη περίπτωση – συνθήκες απόθεσης σαπροπηλού S1a) χρονική κλίμακα μεταβλητότητας, αντίστοιχα. Η ανάλυση έδειξε, επίσης ότι σε ακραίες συνθήκες τείνουν να κυριαρχούν μεγαλύτερες χωροχρονικές κλίμακες μεταβλητότητας, καθώς αυτή κυριαρχείται από τους χαμηλότερους τρόπους ιδιοταλάντωσης. Επιπλέον, εμφανίστηκαν δομές μεταβλητότητας που αντιστοιχούν σε οριζόντιες και κατακόρυφες ανταλλαγές πλευστότητας εντός της λεκάνης, καθώς και δομές όπως o λεγόμενος μηχανισμός BIOS της Ανατολικής Μεσογείου.