OBSERVATIONS OF BIO-OPTICAL SURFACE FEATURES IN THE MEDITERRANEAN AND BLACK SEA 

Vittorio Barale

Institute for Environment and Sustainability, Joint Research Centre of the EC, Ispra, Italy - vittorio.barale@jrc.it

Abstract

Optical observations of the Mediterranean and Black Sea have been used to assess water constituents’distribution and abundance. A set

of SeaWiFS images (1998-2001) was processed to obtain chlorophyll-like pigment concentration, tracing coastal plumes and filaments,

fronts, mesoscale eddies and gyres. Small (coastal) features are transient, while larger (basin-scale) patterns are recurrent, over longer

periods. Although scales and structures are similar in the basins considered, the average concentration of water constituents presents high

variability between different seasons or areas. This can be interpreted in terms of the known oceanographic traits of the observed basins.

Keywords: Mediterranean Sea, Black Sea, bio-optical properties

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

83

Introduction

In the last three decades, orbital sensors have generated a novel

view of the Mediterranean and Black Sea, expanding both

synoptically and statistically the punctual information previously

available from in situ data alone (1). Optical observations can be used

to characterize basic ecological processes in the sea, over a wide range

of space and time scales. In the following, the Sea-viewing Wide-

Field-of-View Sensor (SeaWiFS) data set will be discussed, while

analogous data, from the Coastal Zone Color Scanner (CZCS)

historical archive, will be used to evaluate the SeaWiFS performance.

An assessment of bio-optical features will be made, in terms of the

known oceanographic traits of the observed basins.

Historical data sets

Observations performed by the SeaWiFS, in the visible spectrum,

have been used to detect optical properties of surface waters, which

depend on the distribution and abundance of water constituents. About

1800 SeaWiFS Local Area Coverage (LAC) scenes, covering southern

Europe and northern Africa, in the period 1998-2001, compose the

time series. Each individual image, taken when favorable

meteorological conditions occurred over at least part of the

Mediterranean basin, was processed to apply sensor calibration, to

correct for atmospheric contamination, and to estimate Chlorophyll-

like Pigment Concentration (CPC). The whole data set was processed

using the SeaDAS software package (2), with additional modifications

(3) (4). The CPC images, with a resolution at nadir of 1.1 km, were

re-mapped on an equal-area projection grid (pixel size 2 km),

covering the whole Mediterranean region. Composite fields, at ten-

day and monthly scales, were derived from the re-mapped images,

using simple weighted averaging techniques. Image data originated

by the CZCS were also used, for comparison with SeaWiFS. About

2500 individual full-resolution (0.825 km at nadir) CZCS scenes,

from the period 1979-1985, compose the time series (5), from which

climatological CPC images (annual and monthly means) were derived

(6).

Bio-optical features

The comparison of SeaWiFS images with those of the historical

CZCS archive demonstrates a remarkable consistency of absolute

values and bio-optical features, in the two periods considered. The

SeaWiFS-derived CPC values are consistent with the CZCS-derived

climatological means, even though they tend to be systematically

lower in near-coastal areas. Such difference is due to the improved

algorithms used for the SeaWiFS, with respect to those used for the

CZCS – which tended to overestimate CPC within plumes and coastal

waters, where the optical properties are in?uenced not only by

planktonic pigments, but also by dissolved organic matter and

suspended inorganic particles (7). The patterns in the SeaWiFS-

derived CPC field are also similar to those in the CZCS climatology.

In the Mediterranean Sea, complex structures (i.e. coastal plumes and

filaments, frontal structures, mesoscale eddies, basin-wide gyres) can

be found from local to basin scales. Normally, such patterns are traced

by CPC higher than the background value, due to some event that

produces mixing and/or enrichment of surface waters with nutrients

coming from deeper layers or coastal margins. The result is a

localized increase in pigments of bio-organic origin, which act as a

marker of the event itself. A systematic analysis of the SeaWiFS

archives suggests that small-scale (coastal) features, linked to local

dynamical processes, are transient and appear only in individual

images for a few days, while large-scale patterns, linked to basin-wide

bio-geo-chemical processes, are recurrent and can persist over much

longer time scales. Local transient structures, such as coastal filaments

and eddies, develop along the shorelines, from pronounced headlands

and over bathymetric relief interacting with the prevailing currents.

The lifetime of such features varies from a few days to a few weeks.

In the Black Sea, coastal plumes and fronts form similar structures,

mostly as a result of interactions between river discharges over a

shallow shelf and the basin’s cyclonic circulation. The long-term CPC

composites show large-scale features, with a lifetime of many months.

This is the case of the main river plumes, of the surface in?ow from

the Atlantic Ocean, forming the gyre system in the Alboran Sea, and

of the in?ow from the Marmara Sea, forming a plume in the northern

Aegean Sea. Other features appear to have a more pronounced

seasonality, such as the blooming cycle in the Ligurian-Provençal Sea,

the giant filament of Capo Passero, anchored at the southernmost

headland of Sicily, and the Rhodes gyre in the eastern Mediterranean.

Conclusion

The features traced by CPC, in the SeaWiFS images, can be used to

differentiate between geographical provinces of the Mediterranean

and Black Sea shaped by bio-geo-chemical and dynamical processes

(8). Although scales and structures of bio-optical features are rather

similar in the Mediterranean sub-basins and in the Black Sea, the

actual concentration of water constituents presents high variability

between different seasons (as in the north-western Mediterranean) or

between different areas (as in the south-eastern Mediterranean,

regularly displaying an oligotrophic nature, and in the Black Sea,

always characterized by extremely high pigments). In future work,

this should be interpreted in terms of different geographical setting

and climate, freshwater input and nutrient supply, water circulation

and exchanges.

References

1-Barale, V., 2001. The Mediterranean and Black Sea as observed from

space. Pp. 1539-1546. In: Proceedings of the Fifth International

Conference on the Mediterranean Coastal Environment, MEDCOAST 01,

Vol. 3, E. Ozhan ed., MEDCOAST, METU, Ankara (TR).

2-Fu, G., K.S. Baith, and C.R. McClain, 1998. SeaDAS: The SeaWiFS

Data Analysis System. Pp. 73-79. In: Proceedings of the 4th Pacific Ocean

Remote Sensing Conference, Qingdao (China), 28-31 Jul 1998.

3-Melin, F., B. Bulgarelli, N. Gobron, B. Pinty, and R. Tacchi, 2000. An

integrated tool for SeaWiFS operational processing. European

Commission Publication, No. EUR 19576 EN.

4-Sturm, B., and G. Zibordi, 2002. SeaWiFS atmospheric correction by

an approximate model and vicarious calibration. International Journal of

Remote Sensing, 23(3): 489-501.

5-Barale, V., D. Larkin, L. Fusco, J.M. Melinotte, and G. Pittella, 1999.

‘OCEAN’Project: the European archive of CZCS historical data.

International Journal of Remote Sensing, 20(7): 1201-1218.

6-Sturm, B., V. Barale, D.J. Larkin, J.H. Andersen, and M. Turner, 1999.

OCEANcode: the complete set of algorithms and models for the level-2

processing of European CZCS historical data. International Journal of

Remote Sensing, 20(7): 1219-1248.

7-Barale, V., and D.J. Larkin, 1998. Optical remote sensing of coastal

plumes and run-off in the Mediterranean region. Journal of Coastal

Conservation, 4: 51-68.

8-Barale, V., and I. Zin, 2000. Impact of continental margins in the

Mediterranean Sea: hints from the surface colour and temperature

historical record. Journal of Coastal Conservation,6: 5-14.