The impact of the optical characteristics of the sea surface layer on the ocean dynamics (combining observations and models in the Aegean Sea)

Abstract

The Aegean Sea’s turbidity field is influenced by the qualitative and quantitative distribution of suspended particles and dissolved organic matter in the basin, along with the hydrodynamic characteristics of the area. Scope of this dissertation is to study the effects of turbidity in the surface dynamics and characteristics of the Aegean Sea. In order to investigate the responsible mechanisms and answer the scientific questions raised during the preparation of the thesis, observational data, machine learning algorithms and ocean circulation numerical models were used. As part of the study of the effect of turbidity on the surface features of the Aegean, a turbidity dataset was created for applications in ocean simulation models. For the derivation of the turbidity gridded field, a machine learning algorithm was developed and applied, utilizing in-situ optical measurements in the Aegean Sea, provided by HCMR (Hellenic Centre for Marine Research) for the period 1991-2019. Additionally, ocean circulation twin experiment simulations were performed for the period 1997-2001, using a high-resolution 1/36ο ocean model. The turbidity field based on the in-situ measurements and the corresponding satellite product were used as input for the solar radiation penetration parameterization. The analysis focused on the average value of the last year of the experiments. The final turbidity product of the machine learning algorithm is consistent with the surface distribution characteristics of the in-situ optical measurements and with the available literature. It also highlights the contribution of dissolved organic matter, which often affects satellite measurements and derived turbidity products in such regions. In particular, the highest turbidity values appear in the northern Aegean and are mainly due to the local primary production and the presence of suspended particles and organic dissolved matter, originating from river outflows and the Black Sea water mass surface inflow in the east. The relationship of turbidity with the Aegean’s surface circulation and the influence of meso-scale circulation features are also shown. Compared to the corresponding satellite product, while the latter is generally less turbid, the field that is based on the in-situ measurements shows a sharper gradient. This field appears strengthened in the northern Aegean and better captures the regional meso-scale circulation especially in the northeast, near the Samothraki anticyclone, which is attributed to the local excess in dissolved organic matter. The twin-experiment simulations highlighted the need for a more realistic approach of turbidity in ocean numerical simulations. Turbidity was shown to affect the sea surface temperature and salinity, as well as the surface circulation features of the basin, while two mechanisms were identified to account for these changes. The first concerns the direct connection of turbidity and sea surface temperature, which occurs mainly in coastal areas, and on the continental shelf of the North Aegean. The second mechanism concerns circulation feedback, which is due to the indirect influence of turbidity on parameters of the air-sea interaction layer. A result of this mechanism is the increased anticyclonic activity of the northeastern Aegean in the experiment that used the turbidity dataset derived from in-situ observations. The enhanced intensity anticyclonic features, like the Samothraki anticyclone, result in prolonged circulation of the Black Sea water mass in the northern basin, indicating its relative decoupling from the southern basin, as they are separated from the Cyclades Plateau. The results of this dissertation can contribute to the study of Aegean’s dynamics, as well as the dynamics of the broader Mediterranean basin, and of regions with a similar optical status. The methodologies developed, i.e., the machine learning algorithm and the turbidity derivation methodology, can also be used in the design of generating turbidity fields and other optical and biogeochemical parameters of the ocean.

Το πεδίο θολερότητας στο Αιγαίο Πέλαγος επηρεάζεται από την ποιοτική και ποσοτική κατανομή σωματιδίων στη λεκάνη, καθώς και από τα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά της περιοχής. Σκοπός αυτής της διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης της θολερότητας στα επιφανειακή δυναμική και τα χαρακτηριστικά του Αιγαίου Πελάγους. Για να μελετηθούν οι υπεύθυνοι μηχανισμοί και να απαντηθούν τα επιστημονικά ερωτήματα που τέθηκαν κατά την εκπόνηση της διατριβής, χρησιμοποιήθηκαν παρατηρησιακά δεδομένα, αναπτύχθηκαν αλγόριθμοι μηχανικής εκμάθησης, ενώ πραγματοποιήθηκαν και πειράματα προσομοίωσης θαλάσσιας κυκλοφορίας. Στο πλαίσιο της μελέτης της επίδρασης της θολερότητας στα επιφανειακά χαρακτηριστικά του Αιγαίου, δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων θολερότητας για εφαρμογή σε μοντέλα προσομοίωσης της ωκεάνιας κυκλοφορίας. Για το πλέγμα θολερότητας εφαρμόστηκε αλγόριθμος μηχανικής εκμάθησης, αξιοποιώντας επιτόπιες μετρήσεις οπτικών παραμέτρων του Αιγαίου πελάγους που παραχωρήθηκαν από το ΕΛΚΕΘΕ (Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών) της περιόδου 1991-2019. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ευαισθησίας μοντέλου ωκεάνιας κυκλοφορίας για την περίοδο 1997-2001, χρησιμοποιώντας ωκεανογραφικό μοντέλο υψηλής διακριτοποίησης 1/36ο. Το πλέγμα θολερότητας που βασίστηκε στις επιτόπιες μετρήσεις και το αντίστοιχο δορυφορικό προϊόν, χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισαγωγής για την παραμετροποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η ανάλυση επικεντρώθηκε στη μέση τιμή του τελευταίου έτους των πειραμάτων.Το τελικό προϊόν θολερότητας του αλγόριθμου μηχανικής εκμάθησης συνάδει με τα χαρακτηριστικά της επιφανειακής κατανομής των επιτόπιων οπτικών μετρήσεων και με τη διαθέσιμη βιβλιογραφία. Αναδεικνύει επίσης την συμβολή της διαλυμένης οργανικής ύλης, που συχνά σε τέτοιες περιοχές επηρεάζει τις δορυφορικές μετρήσεις και τα παράγωγα προϊόντα θολερότητας. Συγκεκριμένα, οι υψηλότερες τιμές θολερότητας εμφανίζονται στο βόρειο Αιγαίο και οφείλονται κυρίως στην πρωτογενή παραγωγή και στην παρουσία αιωρούμενων σωματιδίων και οργανικής διαλυμένης ύλης, προερχόμενων από τις εκροές ποταμών και την επιφανειακή εισροή της θαλάσσιας μάζας από τη Μαύρη Θάλασσα στα ανατολικά. Διαφαίνεται επίσης η σχέση της θολερότητας με τα χαρακτηριστικά της επιφανειακής κυκλοφορίας του Αιγαίου και η επιρροή στοιχείων μέσης κυκλοφορίας. Συγκριτικά με το αντίστοιχο δορυφορικό προϊόν, ενώ το δεύτερο είναι γενικά πιο θολερό, το πεδίο που βασίζεται στις επιτόπιες μετρήσεις παρουσιάζει εντονότερη βαθμίδα. Το πεδίο φαίνεται ενισχυμένο στο βόρειο Αιγαίο και αποτυπώνει καλύτερα την κυκλοφορία μέσης κλίμακας της περιοχής ειδικά βορειοανατολικά, πλησίον της Σαμοθράκης, γεγονός που αποδίδεται στην αυξημένη διαλυμένη οργανική ύλη της περιοχής. Τα πειράματα ευαισθησίας ανέδειξαν την ανάγκη της πιο ρεαλιστικής εισαγωγής της θολερότητας σε ωκεάνιες αριθμητικές προσομοιώσεις. Συγκεκριμένα, φάνηκε ότι η θολερότητα συμβάλλει στη διαμόρφωση της επιφανειακής θερμοκρασίας και αλατότητας, καθώς και χαρακτηριστικά της επιφανειακής κυκλοφορίας της λεκάνης, ενώ εντοπίστηκαν δύο μηχανισμοί στους οποίους οφείλονται αυτές οι αλλαγές. Ο πρώτος αφορά την άμεση σύνδεση της θολερότητας και της επιφανειακής θαλάσσιας θερμοκρασίας, η οποία εμφανίζεται κυρίως σε παράκτιες περιοχές και στην υφαλοκρηπίδα του Βορείου Αιγαίου. Ο δεύτερος μηχανισμός αφορά την ανάδραση της κυκλοφορίας, που οφείλεται στην έμμεση επιρροή που ασκεί η θολερότητα σε παραμέτρους του ατμοσφαιρικού-θαλάσσιου ενδιάμεσου στρώματος. Αποτέλεσμα αυτού του μηχανισμού είναι η αυξημένη ένταση του αντικυκλώνα του βορειοανατολικού Αιγαίου στο πείραμα με τα δεδομένα θολερότητας βασισμένα σε επιτόπιες μετρήσεις. Τα αυξημένης έντασης αντικυκλωνικά χαρακτηριστικά, όπως ο αντικυκλώνας της Σαμοθράκης, έχουν σαν αποτέλεσμα την παρατεταμένη κυκλοφορία της επιφανειακής θαλάσσιας μάζας της Μαύρης θάλασσας στη βόρεια λεκάνη, υποδεικνύοντας τη σχετική αποσύνδεσή της με τη νότια λεκάνη, όπως αυτές χωρίζονται από το Κυκλαδικό πεδίο. Τα αποτελέσματα της διδακτορικής διατριβής συνεισφέρουν στη μελέτη της δυναμικής του Αιγαίου και της ευρύτερης περιοχής της Μεσογείου καθώς και περιοχών με παρόμοια οπτικά χαρακτηριστικά. Τα εργαλεία που αναπτύχθηκαν, όπως το μοντέλο μηχανικής εκμάθησης, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθεί στο σχεδιασμό δημιουργίας πεδίων θολερότητας καθώς και άλλων παραμέτρων.