Extreme warming and marine heatwaves in the Mediterranean Sea

Abstract

The Mediterranean Sea has undergone exceptional warming over the past decades, particularly pronounced during summers and associated with devastating environmental and socioeconomic impacts. As a biodiversity hotspot and one of the most sensitive marine regions to climate change, the Mediterranean Sea requires a basin-wide investigation of anomalously warm water conditions. In this context, the present thesis examines extreme warming across the basin, with a particular focus on marine heatwaves (MHWs). The Mediterranean Sea exhibits a basin-wide increase in sea surface temperature (SST) and the frequency of extreme SST occurrences over the past decades, emphasized in the eastern basin. The basin-average surface warming trend over the period 1982–2023 is 0.41°C per decade. The Adriatic, Aegean and northern Levantine Seas show the highest trends of mean SST as well as extreme SST percentiles, indicating that these are the most vulnerable areas in the basin both in terms of accumulated warming and exposure to extreme SSTs. Changes in the warming trends are observed between 1982–2002 and 2003–2022, with the western (eastern) basin exhibiting increased (decreased) warming rates during the most recent sub-period. Superimposed on the long-term mean warming, increased SST variability is observed in parts of the western and central Mediterranean Sea, whereas most of the eastern basin exhibits decreased variability—consistent with the observed changes in the warming rates. The relative role of the mean SST warming and the SST interannual variability on MHW trends is investigated using various MHW metrics. The observed increase in maximum MHW intensity, MHW severity, total heat exposure, and accumulated heat stress is primarily attributed to the mean SST warming. By contrast, interannual variability becomes the dominant driver of the mean MHW intensity trends in most of the basin, implying a more complex nature and less predictable future behaviour of this metric. Furthermore, the relative contributions of air-sea heat exchange and oceanic processes are investigated for surface MHWs across the basin. The air-sea heat flux is found to be the major driver in 44% of onset and only 17% of decline MHW phases, suggesting that oceanic processes play a key role in driving SST anomalies during MHWs, particularly during decline periods. The role of surface heat flux becomes more important during warmer months and onset periods, with a greater contribution in the Adriatic and Aegean Seas. At the subsurface, mixed layer shoaling is observed over the entire duration of most MHWs, particularly for those of shorter duration. These findings suggest that the surface cooling right after the peak intensity day is likely not associated with vertical mixing while other oceanic processes have a key role in modulating SST at the beginning of most MHW declines. In turn, further dissipation of heat is commonly driven by vertical mixing. Alongside the ongoing research on gradual warming and MHWs in the Mediterranean Sea, we address the importance of understanding anomalously warm conditions also on the seasonal timescale. We introduce the concept of Extreme Marine Summers (EMSs) and investigate their characteristics in the basin, using SST reanalysis data spanning 7 decades. We statistically define EMSs as the summers with a mean summer SST exceeding the 95th percentile. Across most of the basin, EMSs are formed primarily due to the warmer summer days being warmer than normal. Main exception on this pattern is an area of the southern-central basin along the African coasts, where EMSs are formed mainly due to the colder summer days being anomalously warm. MHWs within EMSs are more intense, longer lasting, and more frequent than usual mainly in the northern Mediterranean Sea regions and occur mainly within the warmest part of the seasonal SST distribution. Moreover, the dominant SST substructures during EMSs are relatively independent of the multi-decadal variability of the Mediterranean SST. A newly proposed metric for quantifying the role of air-sea heat flux in driving EMSs shows that the air-sea heat flux primarily drives the formation of EMSs in the northern half of the Mediterranean Sea, while the role of oceanic processes is more important over southern regions. This thesis highlights the critical importance of deepening our understanding of anomalously warm water conditions in the Mediterranean Sea across various temporal scales. Investigating physical mechanisms behind extreme events and their gradual intensification in a climate change context is essential for identifying highly vulnerable regions, exploring predictability options and developing mitigation strategies associated with the environmental and socioeconomic challenges posed by ongoing and future ocean warming.

Η θάλασσα της Μεσογείου παρουσιάζει σημαντική τάση θέρμανσης τις τελευταίες δεκαετίες, με εντονότερη εκδήλωση κατά τους θερινούς μήνες, επιφέροντας σοβαρές περιβαλλοντικές και κοινωνικο-οικονομικές επιπτώσεις. Η Μεσόγειος είναι μια περιοχή με πλούσια βιοποικιλότητα και έχει αναγνωριστεί ως μια από τις πιο ευάλωτες θαλάσσιες λεκάνες απέναντι στην παγκόσμια κλιματική αλλαγή. Ως εκ τούτου, η κατανόηση ακραία θερμών συνθηκών που παρατηρούνται σε ολόκληρη την έκτασή της καθίσταται όλο και πιο αναγκαία. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή εξετάζει φαινόμενα ακραίας θέρμανσης στη λεκάνη της Μεσογείου, με ιδιαίτερη έμφαση στους θαλάσσιους καύσωνες, δηλαδή στα επεισόδια έντονης και παρατεταμένης αύξησης της θερμοκρασίας της θάλασσας. Η μέση επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας (Sea Surface Temperature, SST) στη Μεσόγειο, καθώς και η συχνότητα εμφάνισης ακραίων τιμών της, παρουσιάζουν συστηματική αύξηση, με μεγαλύτερη τάση στο ανατολικό τμήμα της. Η μέση τάση θέρμανσης της επιφάνειας της Μεσογείου για την περίοδο 1982–2023 είναι 0.41°C ανά δεκαετία. Οι περιοχές της Αδριατικής, του Αιγαίου και της βόρειας Λεβαντίνης εμφανίζουν τις υψηλότερες αυξητικές τάσεις τόσο στη μέση SST όσο και στα ακραία ποσοστημόριά της, υποδεικνύοντας ότι αποτελούν τις πλέον ευάλωτες περιοχές της λεκάνης, τόσο ως προς τη σωρευτική θέρμανση των τελευταίων δεκαετιών όσο και ως προς την εμφάνιση ακραίων τιμών θερμοκρασίας. Μεταβολές στις τάσεις θέρμανσης καταγράφονται μεταξύ των υποπεριόδων 1982–2002 και 2003–2022, με το δυτικό (ανατολικό) τμήμα της λεκάνης να παρουσιάζει αυξημένες (μειωμένες) τάσεις θέρμανσης κατά την πιο πρόσφατη περίοδο. Πέραν της μακροπρόθεσμης τάσης, σε περιοχές του δυτικού και κεντρικού τμήματος της Μεσογείου παρατηρείται μεγαλύτερη μεταβλητότητα της SST, ενώ το μεγαλύτερο μέρος της ανατολικής λεκάνης παρουσιάζει μειωμένη μεταβλητότητα της SST, σε συμφωνία με τις αντίστοιχες μεταβολές στις τάσεις θέρμανσης. Ο σχετικός ρόλος της μέσης (μακροχρόνιας) επιφανειακής θέρμανσης και της μεταβλητότητας της SST από έτος σε έτος στη διαμόρφωση των τάσεων των θαλασσίων καυσώνων διερευνήθηκε με βάση διάφορους χαρακτηριστικούς δείκτες. Η παρατηρούμενη αύξηση στη μέγιστη ένταση, τη σφοδρότητα, την αθροιστική ένταση και τη συνολική διάρκεια θαλάσσιων καυσώνων αποδίδεται κυρίαρχα στη μέση θέρμανση της Μεσογείου. Ωστόσο, η μεταβλητότητα της SST από έτος σε έτος αναδεικνύεται σε βασικό παράγοντα διαμόρφωσης των τάσεων της μέσης έντασης των θαλάσσιων καυσώνων στη μεγαλύτερη έκταση της λεκάνης, γεγονός που υποδηλώνει πιο σύνθετο χαρακτήρα και λιγότερο προβλέψιμη μελλοντική εξέλιξη αυτού του δείκτη. Επιπλέον, διερευνήθηκε η σχετική συμβολή των ανταλλαγών θερμότητας ατμόσφαιρας-θάλασσας και των αμιγώς ωκεάνιων διεργασιών στη γένεση και εξέλιξη των Μεσογειακών θαλασσίων καυσώνων. Η επιφανειακή ροή θερμότητας αναδεικνύεται σε βασικό μηχανισμό πίσω από τη φάση ανάπτυξης των θαλασσίων καυσώνων στο 44% των επεισοδίων, αλλά μόλις στο 17% των φάσεων ύφεσης. Το εύρημα αυτό υποδεικνύει ότι οι ωκεάνιες διεργασίες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη των επεισοδίων, και ιδιαίτερα κατά την ύφεσή τους. Ο ρόλος των επιφανειακών ροών θερμότητας είναι εντονότερος στους θερμότερους μήνες και κατά την περίοδο ανάπτυξης των επεισοδίων, με χαρακτηριστικά παραδείγματα το Αιγαίο και την Αδριατική. Παράλληλα, παρατηρείται συρρίκνωση του επιφανειακού θαλάσσιου στρώματος ανάμιξης καθ’ όλη τη διάρκεια των περισσότερων θαλασσίων καυσώνων και ιδιαίτερα στα μικρότερης διάρκειας επεισόδια. Τα ευρήματα αυτά δείχνουν ότι στις περισσότερες περιπτώσεις η επιφανειακή ψύξη αμέσως μετά την κορύφωση της έντασης των επεισοδίων δεν οφείλεται σε κατακόρυφη ανάμειξη και επομένως άλλες ωκεάνιες διεργασίες φαίνεται να καθορίζουν την εξέλιξη της SST κατά την έναρξη της φάσης ύφεσης. Αντιθέτως, η ολοκλήρωση της αποδόμησης των επεισοδίων μετά τη λήξη της φάσης ύφεσης αποδίδεται στις περισσότερες περιπτώσεις σε κατακόρυφη ανάμειξη. Παράλληλα με τη μελέτη της βαθμιαίας θέρμανσης και της ενίσχυσης των θαλασσίων καυσώνων στη Μεσόγειο, αναδεικνύεται η σημασία της μελέτης ανώμαλα θερμών συνθηκών και σε εποχική κλίμακα. Στο πλαίσιο αυτό προτάθηκε ο όρος Ακραίο Θαλάσσιο Καλοκαίρι (Extreme Marine Summer, EMS). Τα χαρακτηριστικά των EMSs στη Μεσόγειο διερευνήθηκαν αξιοποιώντας δεδομένα SST μοντέλου για περίοδο επτά δεκαετιών. Ως EMSs ορίζονται στατιστικά τα καλοκαίρια των οποίων η μέση SST υπερβαίνει το 95ο ποσοστημόριο των μέσων θερινών SST. Στο μεγαλύτερο μέρος της λεκάνης, τα EMSs προκύπτουν κυρίως επειδή οι θερμότερες ημέρες του καλοκαιριού είναι θερμότερες του φυσιολογικού (δηλαδή του κλιματολογικά αναμενόμενου). Εξαίρεση αποτελεί μια περιοχή στο νοτιο-κεντρικό τμήμα της λεκάνης κατά μήκος των αφρικανικών ακτών, όπου τα EMSs δημιουργούνται κυρίως επειδή οι ψυχρότερες ημέρες του καλοκαιριού είναι θερμότερες από το σύνηθες. Οι θαλάσσιοι καύσωνες που εκδηλώνονται εντός των EMSs είναι εντονότεροι, με μεγαλύτερη διάρκεια και συχνότητα, ιδιαίτερα στις βορειότερες περιοχές της Μεσογείου, και εντοπίζονται κυρίως εντός του θερμότερου τμήματος της εποχικής κατανομής της SST. Επιπλέον, ο βασικός τρόπος οργάνωσης των ημερήσιων τιμών SST (SST substructures) εντός των EMSs είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητος από τη μακροχρόνια μεταβλητότητα της SST στη Μεσόγειο. Για την ποσοτικοποίηση του ρόλου των ροών θερμότητας μεταξύ ατμόσφαιρας-θάλασσας στη δημιουργία ακραίων εποχών κατασκευάστηκε και προτείνεται ένας νέος δείκτης, ο οποίος δείχνει ότι οι επιφανειακές θερμικές ροές είναι ο βασικός μηχανισμός δημιουργίας των EMSs στο βόρειο ήμισυ της Μεσογείου, ενώ στις νότιες περιοχές της λεκάνης αποκτούν ισχυρότερο ρόλο οι αμιγώς ωκεάνιες διεργασίες. Η παρούσα διατριβή αναδεικνύει τη σημασία της βαθύτερης κατανόησης των ανώμαλα θερμών συνθηκών που βιώνει η θάλασσα της Μεσογείου σε πολλαπλές χρονικές κλίμακες. Η διερεύνηση των φυσικών μηχανισμών πίσω από τη γένεση ακραίων φαινομένων και την προοδευτική τους ενίσχυση στο πλαίσιο της κλιματικής αλλαγής είναι καθοριστικής σημασίας για τον εντοπισμό των περισσότερο ευάλωτων περιοχών, την ανάπτυξη δυνατοτήτων πρόγνωσης και εκπόνηση στρατηγικών περιορισμού των περιβαλλοντικών και κοινωνικο-οικονομικών επιπτώσεων της συνεχιζόμενης — και στο μελλοντικό κλίμα — θέρμανσης των ωκεανών.