Variability of dense water formation and dispersion mechanisms in the Aegean Sea

Abstract

The variability of the overturning circulation of the Eastern Mediterranean Sea and its forcing mechanisms has been a topic of active research since the iconic project Physical Oceanography of the Eastern Mediterranean (POEM) in the 1980s, which marked the beginning of modern Oceanography in the region. Significant progress has been made in our understanding of the thermohaline functioning of the Eastern Mediterranean Sea during the last four decades, however, some questions remain unanswered, especially in light of climate change. Those questions become pressing as the ongoing Mediterranean Sea warming and salinification justifies its classification as a “climate change hot spot” region. The overturning circulation of the Eastern Mediterranean Sea is driven by dense water formation (DWF) in the Adriatic, Levantine, and Aegean Seas. The main objectives of the present dissertation, which deals with the DWF in the Aegean Sea, are 1) to extend the current knowledge of DWF episodes in the Aegean Sea backwardsto the pre-POEM period (a data-poor and data-imprecise period lasting from about 1947 to 1985) and forward until 2023 (with emphasis in the period after 2017), 2) to describe in detail the DWF of the winter of 2021–2022 in the North–Central Aegean Sea (NCAeg), and 3) to present evidence of reduced Black Sea Waters (BSW) inflow towards the Aegean Sea, and discuss possible impacts on the thermohaline functioning of the basin. In the second chapter, the variability of DWF is investigated in relation to forcing mechanisms from 1947 to 2023 in the subbasins of the Aegean Sea, utilising in situ observations from various sources which have been analysed in combination with satellite altimetry and reanalyses products. The analysis reveals that the Aegean Sea has been in a state of increased dense water formation since 2017 due to the combination of increased surface buoyancy loss and reduced BSW inflow. Extremely high salinity has been recorded in the intermediate layers of the Aegean Sea since 2019. The anticyclonic circulation of the North Ionian Gyre during 2017 and 2018 probably also contributed to the rapid transport of highly saline waters in the intermediate and, through dense water formation, in the deep layers of the Aegean Sea in 2019. Until 2022, the dense waters formed during the peak of the Eastern Mediterranean transient(EMT) still occupied the bottom layers of some deep subbasins of the North and South Aegean; however, the 29.4 kg m−3 isopycnal in the North Aegean and the 29.3 kg m−3 isopycnal in the Southeastern Aegean have gradually deepened by 800 m, permitting the waters forming in the last ten years in the Aegean Sea to settle at ever greater depths. Temperature controls the density variability of the Cretan intermediate (CIW) water up to the decadal time scale. Increased data availability since 2010 was sufficient to clarify that intrusions of dense water from the NCAeg contributed to the erosion of the Eastern Mediterranean transitional waters (TMW)in the South Aegean Sea (SAeg) after 2017, as well as to raising the intermediate water masses of the SAeg to shallower depths. The erosion of the TMW in the SAeg between 1947–1955 and 1973–1980 coincided with increased dense water formation in the NCAeg. During the peak of the EMT the North Ionian circulation, the BSW inflow, the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO), and the surface buoyancy fluxes favoured DWF in the Aegean Sea.In the third chapter, the evolution and drivers of DWF in the NCAeg during winter 2021–2022 are studied using observations from two Argo floats and output of an operational data-assimilating model. Dense water with σθ > 29.1 kg m−3 was produced over most of theΝCAeg, except for the northeastern part covered by BSW where the maximum surface density was < 29 kg m−3. The highest density waters were produced over the central and southern parts of Lemnos Plateau and in the shallow coastal areas between Chios Island and Edremit Gulf. Atmospherically-driven transformation to the east of Lesvos Island resulted in the production of waters with anomalously high density and salinity which flowed inside Skiros Basin, partly explaining its historically higher density and salinity compared to the rest of the NCAeg subbasins. Skiros and Athos Basins were ventilated down to σθ ∼29.35 kg m−3 horizons. The 29.1 kg m−3 isopycnal raised by∼200 m and the 29.25 kg m−3 isopycnal overflowed above the ∼400 m sill depth filling the southern depressions of the NCAeg. Combining data from Argofloats, vessel casts, and a fixed-point observatory, the dense water produced in the NCAeg was observed spreading in the deep layer of the Central Cretan Sea for at least one and a half year after the formation. The cyclonic circulation of the newly formed water in NCAeg has been observed directly for the first time by deep-drifting floats. The Eastern Mediterranean warming and salinification signal has propagated below the NCAeg sill depth. Winter-average buoyancyloss was comparable to the peak of EMT and other known years of DWF in the NCAeg, however, high temperature of the upper layers due to long-term warming prevented the widespread formation of denser water.In the fourth chapter, additional evidence for the reduction of the BSW into the Aegean Sea is sought, in particular for 2023. The BSW exported into the Aegean Sea largely control its overturning circulation as well as the regional biogeochemical characteristics. Observational evidence from Argo floats and satellite-derived sea surface temperature and chlorophyll indicate a recent drastic reduction of BSW presence in the surface layer of the North Aegean Sea. This evidence is also supported by the long-term negative sea level difference trend between the southwestern Black Sea and the northeastern Aegean Sea. The role of the Black Sea in hindering deep water formation processes in the North Aegean seems to be diminishing. The future evolution of the Aegean overturning cell will depend on whether this trend will continue, in addition to the variability of local atmospheric forcing.

Η μεταβλητότητα της κατακόρυφης κυκλοφορίας ανατροπής της Ανατολικής Μεσογείου και οι μηχανισμοί διέγερσής της αποτελούν αντικείμενο ενεργής έρευνας από το εμβληματικό πρόγραμμα Physical Oceanography of the Eastern Mediterranean τη δεκαετία του 1980, το οποίο σηματοδότησε την έναρξη της σύγχρονης Ωκεανογραφίας στην περιοχή. Σημαντική πρόοδος έχει σημειωθεί στην κατανόηση της θερμόαλης λειτουργίας της Ανατολικής Μεσογείου κατά τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες, ωστόσο ορισμένα ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα, ιδίως υπό το πρίσμα της κλιματικής αλλαγής. Τα ερωτήματα αυτά καθίστανται επιτακτικά καθώς η συνεχιζόμενη αύξηση της θερμοκρασίας και της αλατότητας της Μεσογείου την καθιστά περιοχή ευαίσθητη στην κλιματική αλλαγή. Η κατακόρυφη κυκλοφορία ανατροπής της Ανατολικής Μεσογείου ξεκινάει με τονσχηματισμό πυκνού νερού στην Αδριατική, τη Λεβαντίνη και το Αιγαίο. Οι κύριοι στόχοι της παρούσας διατριβής, η οποία ασχολείται με την δημιουργία πυκνού νερού στο Αιγαίο Πέλαγος, είναι: 1) να επεκτείνει την υπάρχουσα γνώση σχετικά με τη δημιουργία πυκνού νερού προς τα πίσω στο χρόνο στην προ-POEM περίοδο (που διήρκησε περίπου από το 1947 μέχρι το 1985 με τα διαθέσιμα δεδομένα να είναι λίγα και χαμηλης ακρίβειας) καθώς και στη μετά-POEM εποχή μέχρι το 2023 (με έμφαση στην περίοδο μετά το 2017), 2) να περιγράψει λεπτομερώς το επεισόδιο δημιουργίας πυκνού νερού το χειμώνα του 2021–2022 στο Βόρειο και Κεντρικό Αιγαίο Πέλαγος, και 3) να παρουσιάσει στοιχεία για τη μειωμένη εισροή νερού της Μαύρης Θάλασσας προς το Αιγαίο Πέλαγος, και να συζητήσει την πιθανή επίδραση αυτής της μειωμένης ροής στη θερμόαλη λειτουργία της λεκάνης. Στο δεύτερο κεφάλαιο, διερευνάται η μεταβλητότητα της δημιουργίας πυκνού νερού σε σχέση με τους μηχανισμούς διέγερσης από το 1947 έως το 2023 στις λεκάνες του Αιγαίου Πελάγους, χρησιμοποιώντας επιτόπιες παρατηρήσεις από διάφορες πηγές, οι οποίες εξετάστηκαν σε συνδυασμό με δορυφορική αλτιμετρία και προϊόντα αναλύσεων πεδίου και μοντέλων. Η ανάλυση αποκαλύπτει ότι στο Αιγαίο Πέλαγος, ο σχηματισμός πυκνού νερού έχει εντατικοποιηθεί από το 2017, λόγω του συνδυασμού της αυξημένης απώλειας επιφανειακής πλευστότητας και της μειωμένης εισροής νερών από τη Μαύρη Θάλασσα. Από το 2019 καταγράφεται εξαιρετικά υψηλή αλατότητα στα ενδιάμεσα στρώματα του Αιγαίου Πελάγους. Επίσης, η αντικυκλωνική κυκλοφορία του Βόρειου Ιονίου κατά τη διάρκεια του 2017 και του 2018 συνέβαλε πιθανώς στην ταχεία μεταφορά νερών υψηλής αλατότητας στα ενδιάμεσα βάθη και, μέσω του σχηματισμού πυκνών υδάτων, στα βαθιά στρώματα του Αιγαίου Πελάγους το 2019. Μέχρι το 2022, τα πυκνά νερά που σχηματίστηκαν κατά την κορύφωση του Eastern Mediterranean transient εξακολουθούσαν να καταλαμβάνουν τα στρώματα του πυθμένα ορισμένων βαθιών λεκανών του Βόρειου και του Νοτίου Αιγαίου, ωστόσο, η ισόπυκνη 29.4 kg m−3 στο Βόρειο Αιγαίο και η ισόπυκνη 29.3 kg m−3 στο Νοτιοανατολικό Αιγαίο έχουν βαθύνει σταδιακά κατά 800 m, επιτρέποντας στα νερά που σχηματίζονται τα τελευταία δέκα χρόνια στο Αιγαίο Πέλαγος να εγκαθίστανται σε όλο και μεγαλύτερα βάθη. Η θερμοκρασία ελέγχει τη μεταβλητότητα της πυκνότητας του Cretan intermediate water μέχρι τη δεκαετή χρονική κλίμακα. Η αυξημένη διαθεσιμότητα δεδομένων από το 2010 ήταν αρκετή για να διευκρινιστεί ότι οι παρεισδύσεις πυκνού νερού από το Βόρειο και Κεντρικό Αιγαίο συνέβαλαν στη διάβρωση του transitional Mediterraneanwater στο Νότιο Αιγαίο μετά το 2017, καθώς και στην ανύψωση των ενδιάμεσων υδάτινων μαζών του Νοτίου Αιγαίου σε μικρότερα βάθη. Η διάβρωση του transitional Mediterranean water στο Νότιο Αιγαίο μεταξύ 1947–1955 και 1973–1980 συνέπεσε με τον αυξημένο σχηματισμό πυκνών νερών στο Βόρειο και Κεντρικό Αιγαίο. Κατά τη διάρκεια της κορύφωσης του Eastern Mediterranean transient η κυκλοφορία του Βόρειου Ιονίου, η εισροή νερών από τη Μαύρη Θάλασσα, το Atlantic multidecadal oscillation και οι επιφανειακές ροές πλευστότητας ευνόησαν την δημιουργία πυκνού νερού στο Αιγαίο Πέλαγος. Στο τρίτο κεφάλαιο, μελετώνται η εξέλιξη και οι κινητήριες δυνάμεις της δημιουργίας πυκνού νερού στο Βόρειο και Κεντρικό Αιγαίο κατά τη διάρκεια του χειμώνα 2021–2022 χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις από δύο πλωτήρες Argo και τα αποτελέσματα ενός επιχειρησιακού μοντέλου. Πυκνό νερό με σθ > 29.1 kg m−3 δημιουργήθηκε στο μεγαλύτερο μέρος του Βόρειου και Κεντρικού Αιγαίου, εκτός από το βορειοανατολικό τμήμα που καλυπτόταν από νερά της Μαύρης Θάλασσας, όπου η μέγιστη επιφανειακή πυκνότητα ήταν <29 kg m−3 . Τα νερά με τη μεγαλύτερη πυκνότητα δημιουργήθηκαν πάνω από το κεντρικό και το νότιο τμήμα της υφαλοκρηπίδας της Λήμνου και στις ρηχές παράκτιες περιοχές μεταξύ της νήσου Χίου και του κόλπου του Αδραμυτίου. Ο μετασχηματισμός του νερού στα ανατολικά της νήσου Λέσβου λόγω ατμοσφαιρικής διέγερσης είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή νερών με ασυνήθιστα υψηλή πυκνότητα και αλατότητα, τα οποία διέρρευσαν στο εσωτερικό της λεκάνης της Σκύρου, εξηγώντας εν μέρει την ιστορικά υψηλότερη πυκνότητα και αλατότητά της σε σύγκριση με τις υπόλοιπες υπολεκάνες του Βόρειου και Κεντρικού Αιγαίου. Το παραχθέν πυκνό νερό επηρέασε τις λεκάνες της Σκύρου και του Άθω μέχρι τηνισόπυκνη σθ ∼29.35 kg m−3. Η ισόπυκνη 29.1 kg m−3 ανυψώθηκε κατά∼200 m και η ισόπυκνη 29.25 kg m−3 υπερχείλισε πάνω από το βάθος των∼400 m που διαχωρίζει τις λεκάνες γεμίζοντας τις νότιες κοιλότητες του Βόρειου και Κεντρικού Αιγαίου. Συνδυάζοντας δεδομένα από πλωτήρες Argo, σκάφη και ένα παρατηρητήριο σταθερού σημείου, το πυκνό νερό που παράχθηκε στο Βόρειο και Κεντρικό Αιγαίο παρατηρήθηκε να εξαπλώνεται στο βαθύ στρώμα του Κεντρικού Κρητικού Πελάγους για τουλάχιστον ενάμιση χρόνο μετά το σχηματισμό του. Η κυκλωνική κυκλοφορία του νεοσχηματισμένου νερού στο Βόρειο και Κεντρικό Αιγαίο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά άμεσα από ελεύθερα παρασυρόμενους πλωτήρες στα ενδιάμεσα βάθη. Το σήμα θέρμανσης και αλμύρινσης της Ανατολικής Μεσογείου έχει ήδη διαδοθεί στα ενδιάμεσα βάθη των βαθειών λεκανών του Βόρειου και Κεντρικού Αιγαίου. Η μέση χειμερινή απώλεια πλευστότητας ήταν συγκρίσιμη με το μέγιστο του Eastern Mediterranean transient και άλλων γνωστών ετών δημιουργίας πυκνού νερού στο Βόρειο και Κεντρικό Αιγαίο, ωστόσο, η υψηλή θερμοκρασία των ανώτερων στρωμάτων λόγω της μακροχρόνιας θέρμανσης εμπόδισε τον εκτεταμένο σχηματισμό πυκνότερου νερού. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναζητούνται πρόσθετα στοιχεία για τη μείωση της εισροής νερών της Μαύρης Θάλασσας στο Αιγαίο Πέλαγος, ιδίως για το 2023. Τα νερά της Μαύρης Θάλασσας που εξάγονται στο Αιγαίο Πέλαγος ελέγχουν σε μεγάλο βαθμό την κατακόρυφη κυκλοφορία ανατροπής καθώς και τα βιογεωχημικά χαρακτηριστικά του. Παρατηρήσεις από πλωτήρες Argo και δορυφορικά δεδομένα θερμοκρασίας και χλωροφύλλης στην επιφάνεια της θάλασσας δείχνουν μια πρόσφατη δραστική μείωση της παρουσίας νερών της Μαύρης Θάλασσας στο επιφανειακό στρώμα του Βόρειου Αιγαίου. Τα συμπεράσματα αυτά υποστηρίζονται επίσης από τη μακροχρόνια αρνητική τάση διαφοράς της στάθμης της θάλασσας μεταξύ της νοτιοδυτικής Μαύρης Θάλασσας και του βορειοανατολικού Αιγαίου. Ο ρόλος της Μαύρης Θάλασσας στην παρεμπόδιση των διαδικασιών σχηματισμού βαθιών νερών στο Βόρειο Αιγαίο φαίνεται να μειώνεται. Η μελλοντική εξέλιξη της κατακόρυφης κυκλοφορίας του Αιγαίου θα εξαρτηθεί από το αν θα συνεχιστεί αυτή η τάση, καθώς και από τη μεταβλητότητα της τοπικής ατμοσφαιρικής διέγερσης.