The impact of climate variability on the physical properties of The Black Sea for the period 1971?2001

Abstract

Karadeniz'in derin sularının havalandırılması, 100 ? 160 m arası derinlikte sığ biranoksik ara yüzle sonuçlanan, üst su tabakası içerisindeki keskin bir tuzluluk geçişiile ketlenir. Oksik ve anoksik sular arasındaki sınır bölgesi içinde biyolojik vekimyasal süreçlerin anlaşılması Karadeniz'in iklim etkisine biyo-jeo-kimyasaltepkisini anlamak için temeldir. Kemoklin yapısı ve derinliği, büyük ölçüde yüzeysularını derinlere taşıyan fiziksel süreçler tarafından belirlenir. Burada üst sukolonunun yapısı ve kararlılığının yıllar ve çok-yıllar zaman ölçeklerinde iklimetkisindeki değişime tepkisi incelenmektedir. İki hidrodinamik model tekraranalizleri rapor edilmektedir; İlki 1971 ? 1993 yılları arasında uzanan CTD verisiözümseyen, ikincisi 1992 ? 2001 yılları arasında uzanan altimetre verisi özümseyen.Model sonuçları, CTD ve uydu verilerine karşı doğrulanmış ve modellenen yüzeyözellikleri ve gözlemler arasında tutarlılık göstermiştir. 1992 ? 2001 arasını kapsayanikinci model çalışması veri özümseme süreci ile ilgili bir problemle karşılaşılmışolup bu problem orta derinliklerde model sürüklenmesi ve gerçekçi olmayan bir sukolonu yapısı ile sonuçlanmıştır. Model sonuçları artan yüzey sıcaklıklarında 0.7 Colik ısınma ve yüzey tuzluluğunda 0.4 lük bir azalma göstermektedir. Bununla ilişkiliolarak mevsimsel termoklin kararlılığında bir artış ve yüzey karışmış tabakaderinliğinde 6.3 metrelik bir azalma yönelimi gözlenmiştir. Eğilimler 1971 ve 1984yılları arasında nispeten sıcak ve tuzlu koşullar, 1985 ve 1993 yılları arasındanispeten serin ve az tuzlu koşullar ile 1993 yılı sonrasında sıcak ve az tuzlu koşullarile karakterize edilebilecek şekilde belirgin çok-yıllık değişkenlik üzerinebindirilmiş. 1985 ve 1993 arasındaki dönem yüksek NAO ve EA/WR indeksdeğerlerine tekabül etmesine rağmen bu endeksler benzer bir ~ on yıllık ölçeklideğişkenlik sergilememektedir. Su kolonu yapısındaki yüksek frekanslı yıllar arasıdeğişkenlik NAO ve EA/WR indeks değerleri ile ilişkilidir. 1990'larda sık görülenserin koşullara rağmen, ısrarlı tuzluluk azalma yönelimi, çalışma süresi boyunca,karışık tabakalı suların yoğunluğunda bir azalmaya neden olmuştur. Daha sonra üstsu kolonunun kararlılığını arttıran yüzey sıcaklığı artışı, azalan dikey karışım veyüzey tabakasının azalan tuzluluğu, arasında olumlu bir geri besleme sunulmuştur.CIL özellikleri genellikle yüzey sıcaklığı özelliklerini yansıtır ve çalışmanın ilkbölümündeki nispeten sıcak dönem sırasında ve sonrasındaki serin dönem arasındaönemli farklılıklar gösterdi. CIL'in (Soğuk Ara Tabaka) ortalama kalınlığı vesıcaklığı 1971 ve 1981 yılları arasında sırasıyla yaklaşık 39 metre ve 7.5 Co; 1982 ile1993 arasında sırasıyla yaklaşık 47 metre ve 7.4 Co `dir. Üst su kolonunun azalantuzluluğu aynı zamanda CIL'in tabanında yer alan kararlılık maksimumunun artışı ilesonuçlanarak kış mevsimi boyunca üst su tabakası havalanmasının azalmasınıdestekler.

Deep ventilation of the Black Sea is inhibited by a sharp salinity gradient within theupper water column, resulting in a shallow anoxic interface at around 100 ? 200 mdepth. Understanding biological and chemical processes within the boundary regionbetween oxic and anoxic waters is fundamental to comprehend the biogeochemicalresponse of the Black Sea to climate forcing. The structure and depth of thechemocline is largely determined by the physical processes which transport surfacewaters to depth. Here we investigate how the structure and stability of the upperwater column responds to changes in climatic forcing over interannual tomultidecadal time-scales. We report results from two hydrodynamic modelreanalysis. The first, extending from 1971-1993 assimilates CTD data. The second,extending from 1992-2001, assimilates altimetry data. Model results are validatedagainst CTD and satellite data and consistency between modeled surface propertiesand observations is demonstrated. A problem with the data assimilation scheme ofthe 1992 -2001 model run is identified, which results in model drift and an unrealisticwater column structure at intermediate depths. Model results indicate a warmingtrend of 0.7 °C in sea surface temperature and a freshening trend of 0.4 in sea surfacesalinity between 1971 and 2001, with an associated increasing trend in the stabilityof the seasonal thermocline and a declining trend in surface mixed layer depth of 6.3m. Trends are superimposed on a distinct multiannual variability characterized byrelatively warm and saline conditions between 1971 and 1984, relatively cool andfresh conditions between 1985 and 1993 and warm and fresh conditions post-1993.The period between 1985 and 1993 corresponds to higher NAO and EA/WR indexvalues although these indices do not exhibit a similar ~decadal scale variability.Higher frequency interannual variability in water column characteristics is related tothe NAO and EA/WR atmospheric indices. Despite the cool conditions prevalentduring the 1990s, the persistent freshening trend caused a reduction in the density ofmixed layer waters throughout the study period. A positive feedback is proposedbetween increasing SSTs, reduced vertical mixing and freshening of the surface layerwhich further increases the stability of the upper water column. CIL characteristicstypically mirrored surface temperature characteristics and varied considerablybetween the relatively warm period during the early part of the study and thesubsequent cool period. The mean thickness and temperature of the CIL between1971 and 1981 were ~39 m and ~7.5 °C respectively, as compared to ~47 m and ~7.4°C between 1982 and 1993. Freshening of the upper water column also resulted in anincrease in the stability maxima that exists at the base of the CIL, suggesting reducedventilation of the upper water column during winter.