Influence of meteorological factors and conditions on sea surface chlorophyll concentrations

Abstract

The present thesis is a contribution to the study of the influence of meteorological factors and conditions on sea surface chlorophyll concentrations that are indicative for phytoplankton abundance. It focused on the oligotrophic marine environment of the Eastern Mediterranean which presents a variety of meteorological and oceanographic characteristics. The research was based on satellite derived chlorophyll α data from Copernicus Marine Environment Monitoring Service and numerical weather data from the reanalysis projects of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts. The controversial matter of the ‘dust fertilization hypothesis’ on chlorophyll concentrations was further explored. Several dust episodes were examined, focusing on the Hellenic Seas that are poorly studied while the prevailing weather conditions were taken into account. The results showed that no safe conclusion could be drawn since both increases and decreases in chlorophyll concentrations were observed after the episodes. They also highlighted the difficulty in discriminating between dust and other meteorological factors in favouring phytoplankton growth.Some extreme weather events for the Hellenic Seas were studied in respect to their influence on sea surface chlorophyll and their favouring effect was observed. The research continued focusing on the open sea; for the first time, a couple of tropical-like Mediterranean cyclones were examined. The results showed that medicanes trigger surface chlorophyll increases; after the cyclones’ passage, chlorophyll concentrations were higher compared both with those before and with the climatological monthly values over a large part of the affected areas. The increase in chlorophyll was comparable to the one caused by hurricanes in oligotrophic environments. The main mechanisms that have been proposed to explain the increased chlorophyll concentrations following tropical cyclones seem to be valid for medicanes as well. The relations between sea surface chlorophyll concentration and selected meteorological parameters were explored at broader temporal and spatial scales. The study of the Rhodes Gyre and the Cyclades Plateau, for a 10-year period during March, revealed that stronger winds, considerable precipitation amounts, lower mean sea level pressure and relatively low sea surface temperatures, compared to climatology, can be prerequisites for higher chlorophyll α concentrations. The research proceeded to the calculation of the correlations between sea surface chlorophyll α and environmental factors’ monthly anomalies for the whole Eastern Mediterranean Sea. The calculations were based on the longest time series of robust data sets (1998-2016) used so far, discriminated the correlations between seasons and included for the first time the parameters of wave height, mean sea level pressure and precipitation. Chlorophyll was found negatively related with sea surface temperature and mean sea level pressure and positively with wind speed, wave height and precipitation. All correlations were strongly dependent on the season with the ones between chlorophyll and precipitation characterizing the low productive period of the year.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει στη μελέτη της κατανόησης της επίδρασης μετεωρολογικών παραγόντων και συνθηκών στις συγκεντρώσεις χλωροφύλλης του επιφανειακού θαλάσσιου στρώματος (ενδεικτικής της αφθονίας του φυτοπλαγκτού). Εστιάζει στο ολιγοτροφικό περιβάλλον της Ανατολικής Μεσογείου που παρουσιάζει πλήθος μετεωρολογικών και ωκεανογραφικών χαρακτηριστικών. Η έρευνα βασίστηκε σε δορυφορικά δεδομένα χλωροφύλλης-α από την Copernicus Marine Environment Monitoring Service και προϊόντα reanalysis του European Centre for Medium-Range Weather Forecasts για τις μετεωρολογικές παραμέτρους. Το αμφιλεγόμενο θέμα της ευνοϊκής επίδρασης της σκόνης στις συγκεντρώσεις χλωροφύλλης μελετήθηκε περαιτέρω. Εξετάστηκαν διάφορα επεισόδια σκόνης, εστιάζοντας στις Ελληνικές Θάλασσες που δεν έχουν μελετηθεί επαρκώς, ενώ οι επικρατούσες καιρικές συνθήκες λήφθηκαν υπόψη. Τα αποτελέσματα δεν οδήγησαν σε ασφαλή συμπεράσματα, καθώς παρατηρήθηκαν αυξήσεις αλλά και μειώσεις στη συγκέντρωση της χλωροφύλλης μετά τα επεισόδια. Η μελέτη κατέδειξε επίσης τη δυσκολία διάκρισης μεταξύ σκόνης και άλλων μετεωρολογικών παραγόντων ως προς την επίδραση τους στην ανάπτυξη του φυτοπλαγκτού. Ορισμένα ισχυρά καιρικά φαινόμενα μελετήθηκαν όσον αφορά στην επίδρασή τους στη χλωροφύλλη για τις Ελληνικές Θάλασσες και παρατηρήθηκε πως ευνοούν την αύξησή της. Η έρευνα συνεχίστηκε εστιάζοντας στην ανοιχτή θάλασσα. Για πρώτη φορά, εξετάστηκαν περιπτώσεις μεσογειακών κυκλώνων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, μετά τη διέλευση των κυκλώνων, οι συγκεντρώσεις της επιφανειακής χλωροφύλλης ήταν υψηλότερες συγκρινόμενες με εκείνες πριν αλλά και με τις κλιματολογικές μηνιαίες τιμές σε μεγάλο μέρος των περιοχών που επηρεάστηκαν. Η αύξηση της χλωροφύλλης ήταν συγκρίσιμη με εκείνη που προκαλούν οι τυφώνες σε ολιγοτροφικά θαλάσσια περιβάλλοντα. Οι κύριοι μηχανισμοί που έχουν προταθεί για να εξηγήσουν τις αυξημένες συγκεντρώσεις χλωροφύλλης μετά από τροπικούς κυκλώνες φαίνεται να ισχύουν και για τους μεσογειακούς κυκλώνες. Οι σχέσεις μεταξύ των συγκεντρώσεων της χλωροφύλλης του θαλάσσιου επιφανειακού στρώματος και επιλεγμένων μετεωρολογικών παραμέτρων διερευνήθηκαν σε ευρύτερη χρονική και χωρική κλίμακα. Οι περιοχές του κυκλώνα της Ρόδου και των Κυκλάδων εξετάστηκαν για μια περίοδο 10 ετών και για το μήνα Μάρτιο. Μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου, αρκετή βροχόπτωση, χαμηλότερη πίεση στη μέση στάθμη της θάλασσας και σχετικά χαμηλή θερμοκρασία επιφάνειας θάλασσας, σε σύγκριση με τις κλιματολογικές τιμές, αναγνωρίστηκαν ως πιθανοί παράγοντες για υψηλότερες τιμές χλωροφύλλης. Η έρευνα προχώρησε στον υπολογισμό των συντελεστών συσχέτισης μεταξύ των μηνιαίων ανωμαλιών της χλωροφύλλης του επιφανειακού θαλάσσιου στρώματος και περιβαλλοντικών παραγόντων για ολόκληρη την Ανατολική Μεσόγειο. Οι υπολογισμοί βασίστηκαν στη μεγαλύτερη χρονοσειρά δεδομένων υψηλής ακρίβειας που έχει χρησιμοποιηθεί μέχρι τώρα, διέκριναν τις συσχετίσεις μεταξύ των εποχών και, συμπεριέλαβαν για πρώτη φορά τις παραμέτρους του ύψους κύματος, της πίεσης στη μέση στάθμη θάλασσας και της βροχόπτωσης, Τα αποτελέσματα έδειξαν αρνητικές συσχετίσεις της χλωροφύλλης με την επιφανειακή θερμοκρασία της θάλασσας και την πίεση στη μέση στάθμη θάλασσας και θετικές με την ταχύτητα του ανέμου, το ύψος κύματος και τον υετό. Οι συσχετίσεις βρέθηκαν έντονα εξαρτώμενες από την εποχή του χρόνου, με αυτές μεταξύ της βροχόπτωσης και της χλωροφύλλης να χαρακτηρίζουν την περίοδο χαμηλής παραγωγικότητας.