Development of a hydrodynamic simulation for the study of climate change and variability in the Aegean Sea

Abstract

Inter-basin water exchanges can be quite important in climatic-scale numerical studies simulating the circulation and hydrographic characteristics of neighboring oceanic basins connected through narrow straits. The crucial role of the interaction between the Mediterranean and the Black Seas is often overseen in simulations of the Aegean Sea, which rely mostly on parameterizations to describe the exchange, essentially decoupling the two basins. In this study, the fully interconnected Eastern Mediterranean-Black Sea system is simulated for the historical period (1985-2015), with an emphasis on the Aegean Sea, using realistic boundary conditions (lateral, atmospheric and hydrological), and a hydrodynamic fully three-dimensional ocean modeling system. The setup of such a configuration is thoroughly described and the performance of the 30-year hindcast product is validated exhaustively against observations and model results, by evaluating the representation of surface fields, circulation, three-dimensional hydrographic characteristics, volumetric water exchanges, and the spatial-temporal variability of the above. The comparison shows a substantial improvement compared to modeling studies that do not include the interaction, and a reliable reproduction of the system's variability in temporal scales ranging from days to inter-annual and decadal scales, and a fairly accurate reproduction of the mean linear trends of change of the basin's characteristics, for this 30-year period. Moreover, due to the free-run configuration of the simulation (i.e., absence of data assimilation schemes) no additional input is required other than the respective boundary conditions, making it possible to reliably extend the same setup for scenarios where observational data are not available, such as in future projections. Simulation results are further examined with respect to physical processes. Analysis of water, heat and buoyancy fluxes over the Aegean Sea, demonstrates the large influence of the Dardanelles inflow to the basin's thermohaline functioning, and the particular behavior of the basin as the region of highest buoyancy flux variability in the Eastern Mediterranean. Finally, the appearance of marine and atmospheric heatwaves over the region is examined in an effort to deduce possible reinforcing mechanism between the two domains during co-occurring events, with first results supporting such a mechanism.

Οι ανταλλαγές υδάτων μέσω στενών διαύλων είναι ένας αρκετά σημαντικός παράγοντας διαμόρφωσης της κυκλοφορίας και των υδρογραφικών χαρακτηριστικών γειτνιαζόντων θαλασσίων λεκανών, ιδίως σε κλιματικές χρονικές κλίμακες. Ο κρίσιμος αυτός ρόλος της αλληλεπίδρασης μεταξύ της Μεσογείου και της Μαύρης Θάλασσας συχνά παραβλέπεται σε αριθμητικές μελέτες υδροδυναμικών προσομοιώσεων του Αιγαίου, οι οποίες βασίζονται κυρίως σε παραμετροποιήσεις για την περιγραφή της ανταλλαγής υδάτων, μια πρακτική που οδηγεί στην ουσία σε υδροδυναμική αποσύνδεση των δύο λεκανών. Στην παρούσα μελέτη, το σύστημα Ανατολικής Μεσογείου-Εύξεινου Πόντου προσομοιώνεται για την ιστορική περίοδο (1985-2015) με πλήρη υδροδυναμική σύζευξη των δύο λεκανών, και με χωρική έμφαση του κανάβου στο Αιγαίο Πέλαγος. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιείται ένα υδροδυναμικό πλήρως τρισδιάστατο σύστημα προσομοίωσης ωκεανών (ROMS), με ρεαλιστικές οριακές συνθήκες (ωκεάνιες, ατμοσφαιρικές και υδρολογικές). Περιγράφεται διεξοδικά η διαμόρφωση της διάταξης προσομοίωσης και αξιολογείται επισταμένα η απόδοσή της κατά τα 30 έτη της ιστορικής περιόδου. Αυτό επιτυγχάνεται με σύγκριση των αποτελεσμάτων με παρατηρησιακά δεδομένα αλλά και αποτελέσματα άλλων προσωμοιώσεων, αξιολογώντας την ορθή αναπαράσταση των επιφανειακών πεδίων, της κυκλοφορίας, των τρισδιάστατων υδρογραφικών χαρακτηριστικών, των ογκομετρικών ανταλλαγών νερού και της χωροχρονικής μεταβλητότητας των παραπάνω. Η σύγκριση δείχνει σημαντική βελτίωση σε σύγκριση με μελέτες μοντελοποίησης που δεν περιλαμβάνουν την αλληλεπίδραση με την Μαύρη Θάλασσα, καθώς και αξιόπιστη αναπαραγωγή της μεταβλητότητας του συστήματος σε χρονικές κλίμακες που κυμαίνονται από ημερήσιες έως εποχικές και δεκαετείς. Επίσης διαφαίνεται αρκετά ακριβής αναπαραγωγή των μέσων γραμμικών τάσεων μεταβολής των χαρακτηριστικών της λεκάνης, για την περίοδο αυτή των 30 ετών. Επιπλέον, λόγω της διαμόρφωσης της προσομοίωσης για ελεύθερο τρέξιμο (δηλαδή της απουσίας μεθόδων αφομοίωσης παρατηρησιακών δεδομένων), δεν απαιτούνται επιπλέον δεδομένα κατά το τρέξιμο του ομοιώματος, γεγονός που καθιστά δυνατή την αξιόπιστη επέκταση της ίδιας διάταξης για σενάρια όπου δεν υπάρχουν διαθέσιμα δεδομένα παρατήρησης, όπως για παράδειγμα σε μελλοντικές προβλέψεις. Τέλος, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης αξιολογούνται σε επίπεδο φυσικών διεργασιών. Η ανάλυση των ογκομετρικών ροών νερού, και των ροών θερμότητας και πλευστότητας στο Αιγαίο Πέλαγος καταδεικνύει τη σημαντικότητα της επίδρασης της εισροής από τα Δαρδανέλια, στη θερμόαλη λειτουργία της λεκάνης και την ιδιαίτερη συμπεριφορά της ως περιοχής με τη μεγαλύτερη μεταβλητότητα των ροών πλευστότητας στην Ανατολική Μεσόγειο. Επιπροσθέτως, εξετάζεται η εμφάνιση θαλάσσιων και ατμοσφαιρικών καυσώνων στην περιοχή σε μια προσπάθεια να εντοπιστεί αν υφίσταται μηχανισμός ανάδρασης/αλληλοενίσχυσης μεταξύ ατμοσφαιρικών και θαλασσίων καυσώνων, με τα πρώτα αποτελέσματα να υποστηρίζουν την ύπαρξη ενός τέτοιου μηχανισμού.