The interactions of the coupled ocean-atmosphere system in the Mediterranean region, under the influence of the optical characteristics of the upper ocean layer

Abstract

This thesis investigates how variations in ocean optical properties shape the upper-ocean thermal structure and dynamics, and in turn, modulate air–sea interactions in the Mediterranean region. To this end, we developed MedX-CM (extended Mediterranean coupled model), a fully coupled, high-resolution modelling framework for the Mediterranean and Black Seas that integrates atmosphere (WRF), ocean (NEMO), surface waves (WaveWatch III), and marine biogeochemistry (PISCES) components through the OASIS coupler. The system explicitly resolves cross-component feedbacks, enabling a reliable representation of processes driving both climate variability and extreme weather events in the Mediterranean. We first assessed the role of coupling complexity within MedX-CM using Medicane Ianos (2020) case study, showing that while track errors depend mainly on initialization, oceanic and wave feedbacks strongly regulate storm intensity through SST cooling and altered air-sea heat and momentum fluxes. We then investigated the influence of ocean optical properties at seasonal to decadal scales through twin simulations (2011–2021), demonstrating that chlorophyll-driven radiative heating amplifies the seasonal cycle of upper-ocean temperature, enhances summer warming and winter cooling, and cools subsurface layers year-round. These responses are governed by mixed-layer depth and the balance between near-surface absorption and vertical mixing, with atmospheric feedbacks further modulating SST anomalies via latent heat flux. The role of bio-optical forcing was further confirmed with Cyclone Daniel (2023) case study, where wavelength- and chlorophyll-sensitive radiation schemes produced warmer pre-storm SSTs and stronger storms, but also more pronounced post-storm cold wakes, highlighting a negative feedback loop mechanism. Finally, two-way physical–biogeochemical coupling was shown to reproduce key ecosystem features in the region and link vertical chlorophyll variability to regionally distinct upper ocean heat distribution across eastern and western Mediterranean. Together, these results demonstrate the importance of coupling complexity and bio-optical processes across timescales in the Mediterranean region and the need for their explicit inclusion to advance coupled regional climate simulations.

Η παρούσα διατριβή διερευνά τους μηχανισμούς μέσω των οποίων τα θαλάσσια οπτικά χαρακτηριστικά (ή αλλιώς θολερότητα) επηρεάζουν τις φυσικές διεργασίες στο επιφανειακό στρώμα του ωκεανού και, κατ΄ επέκταση, τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασής του με την ατμόσφαιρα στην περιοχή της Μεσογείου. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε το σύστημα MedX-CM (extended Mediterranean coupled model), ένα πλήρως συζευγμένο μοντέλο που ενσωματώνει αριθμητικά μοντέλα προσομοίωσης της ατμόσφαιρας (WRF), του ωκεανού (NEMO), των θαλάσσιων επιφανειακών κυμάτων (WaveWatch III) και της θαλάσσιας βιογεωχημείας (PISCES). Τα επιμέρους μοντέλα διαμορφώθηκαν σε υψηλή χωρική διακριτοποίηση (έως και 9 χλμ.), ενώ βελτιστοποιήθηκαν για τις ιδιαίτερες κλιματικές συνθήκες του συστήματος λεκανών Μεσόγειος- Μαύρη Θάλασσα. Μέσω του συζευκτή (coupler) OASIS υλοποιήθηκε η μεταξύ τους επικοινωνία και η αμφίδρομη ανταλλαγή φυσικών μεταβλητών σε πραγματικό χρόνο, επιτρέποντας έτσι την παράλληλη προσομοίωση των ατμοσφαιρικών, ωκεάνιων, κυματικών, και βιογεωχημικών διεργασιών στην περιοχή μελέτης. Η αρχική αξιολόγηση του συστήματος προσομοιώσεων MedX-CM και των φυσικών μηχανισμών αλληλεπίδρασης που αναπαριστά πραγματοποιήθηκε με έμφαση στον ισχυρό μεσογειακό κυκλώνα “Ιανός” (15-20 Σεπτεμβρίου 2020). Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι, ενώ η ακρίβεια στην προσομοίωση της τροχιάς του κυκλώνα εξαρτάται κυρίως από τις αρχικές συνθήκες, οι ανατροφοδοτήσεις του ωκεανού και των κυμάτων ρυθμίζουν καθοριστικά την ένταση του φαινομένου, κυρίως μέσω της ψύξης της επιφανειακής θερμοκρασίας της θάλασσας (SST) και της τροποποίησης των ροών θερμότητας και ορμής στη διεπιφάνεια θάλασσας και ατμόσφαιρας. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση της θολερότητας, όπως αυτή προσδιορίζεται από τη συγκέντρωση θαλάσσιας χλωροφύλλης, σε εποχική έως δεκαετή κλίμακα μέσω αριθμητικών πειραμάτων ευαισθησίας για την περίοδο 2011-2021. Διαπιστώθηκε ότι η απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας από τη χλωροφύλλη κοντά στην επιφάνεια ενισχύει τον εποχικό κύκλο της θερμοκρασίας στο θαλάσσιο επιφανειακό στρώμα, εντείνοντας τη θερινή θέρμανση και τη χειμερινή ψύξη, ενώ οδηγεί σε σταθερή ψύξη των υπο-επιφανειακών στρωμάτων καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Οι αποκρίσεις αυτές ελέγχονται από το βάθος του στρώματος ανάμειξης και την ισορροπία μεταξύ των φυσικών μηχανισμών επιφανειακής απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας και κατακόρυφης ανάμειξης. Επιπλέον, οι ατμοσφαιρικές ανατροφοδοτήσεις μεσολαβούν στην τελική διαμόρφωση των ανωμαλιών SST, ιδίως μέσω των ροών λανθάνουσας θερμότητας, ενώ τέλος, βρέθηκε ότι οι διακυμάνσεις θολερότητας στον ωκεανό μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τη θερμοαλατική κυκλοφορία της Μεσογείου. Ο ρόλος της θολερότητας και των σχημάτων παραμετροποίησης της ηλιακής ακτινοβολίας που διεισδύει στην υδάτινη στήλη επιβεβαιώθηκε περαιτέρω με τη μελέτη περίπτωσης του καταστροφικού κυκλώνα “Ντάνιελ” (9-12 Σεπτεμβρίου 2023). Σχήματα ακτινοβολίας ευαίσθητα στη χλωροφύλλη και στο μήκος κύματος προσομοιώνουν υψηλότερο SST πριν το πέρασμα του κυκλώνα, συμβάλλοντας έτσι στη διαμόρφωση ενός εντονότερου φαινομένου. Τέλος, η αμφίδρομη σύζευξη φυσικών και βιογεωχημικών διεργασιών στο σύστημα MedX-CM επέτρεψε την προσομοίωση των χαρακτηριστικών χωρικών μοτίβων συγκέντρωσης χλωροφύλλης στην Μεσόγειο και την Μαύρη Θάλασσα, ενώ παράλληλα, ανέδειξε τη συσχέτιση της κατακόρυφης κατανομής της με διαφοροποιημένες θερμικές αποκρίσεις του ανώτερου ωκεανού σε υπολεκάνες με διαφορετική βιολογική παραγωγικότητα. Συνολικά, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής αναδεικνύουν την αναγκαιότητα συζευγμένων συστημάτων μοντελοποίησης καθώς και της συμπερίληψης φυσικών διεργασιών που συνδέονται με τη θολερότητα του ωκεανού για τη βελτίωση των περιφερειακών κλιματικών προσομοιώσεων στη Μεσόγειο.