THE ANNUAL CYCLE OF SEA LEVEL IN THE WESTERN MEDITERRANEAN SEA

Catherine Bouzinac

1

, Jordi Font

2 *

, Johnny Johannessen

3

1

ESA-ESTEC, Postbus 299, 2200-AG Noordwijk ZH, The Netherlands - catherine.bouzinac@esa.int

2

Institut de Ciències del Mar CSIC, Passeig Maritim 37-49, 08003 Barcelona, Spain - *jfont@icm.csic.es

3

Nansen Environmental and Remote Sensing Centre, Edv. Griegsvei 3a, 5059 Bergen, Norway - johnny.johannessen@nersc.no

Abstract

An estimation of the annual sea level variations in the different basins of the western Mediterranean has been addressed using sea level

anomalies derived from satellite altimeters and sea surface temperatures from infrared imagery. Empirical orthogonal function analysis on

SLA allows estimating the seasonal dynamic height and the steric effect. The remaining signal is used to examine the annual cycles of sea

level due to water mass budget variations, mesoscale oceanic variability and atmospheric forcing.

Keywords: Sea level variations, altimetry, SST, EOF

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

86

Satellite altimetry has become a powerful tool to understand the dyna-

mics of the surface circulation in the Mediterranean Sea (1). At any

location, the sea surface height is the sum of various components:

geoid, astrophysical tides, mean dynamic topography, atmospheric

forcing, steric effect, water mass budget and circulation variations.

Annual cycles in sea level can be expected because the primary dri-

ving forces of ocean circulation, momentum and surface ?uxes, have

strong seasonal changes. As shown with altimetric data (2), the annual

cycle of the Mediterranean Sea level has an amplitude of about 10 cm.

The sea level variability in the Algerian basin is in 80 % due to the

annual cycle, while standard deviations of 5 cm correspond to high

mesoscale activity (3). The steric effect seems to play a significant

role in the seasonal variation of the surface circulation between the

Tyrrhenian and Ligurian basins (4).

This study aims at separating and evaluating the annual cycles of

the western Mediterranean sea level variability due to the steric effect

and seasonal dynamic height variations. The data used are sea level

anomaly maps (SLA) derived from TOPEX/POSEIDON and ERS-1/2

altimeters (5) and sea surface temperatures (SST) from

NOAA/AVHRR (6), obtained between 1992 and 1998. The annual

variability in SLA and SST has been extracted with empirical ortho-

gonal function (EOF) analyses. The EOF results and the combination

of SST and climatological hydrology allow an estimation of the steric

effect, taking into account the temporal and spatial variations of the

temperature in the mixed layer despite a few uncertainties on the

mixed layer thickness.

The time response of the steric effect is about 40 days and the con-

tribution of the intermediate and deep layers is not significant except

in some particular areas. The choice of the mixed layer thickness is an

important parameter for the estimation of the steric effect. A better

knowledge of the mixed layer, whose temporal and spatial evolution

depends mainly on sea surface ?uxes and local turbulent mixing, is

clearly necessary. The use of thermocline depth values from a mixed

layer model should give more reliable estimations than the paramete-

risation used here.

The largest dynamic height annual variation and steric effect (> 6

cm) are found in the Catalan and Tyrrhenian seas while the lowest

amplitudes (< 3 cm) occur on the path of the Atlantic Water (AW) cir-

culation, where the steric effect is expected to be weaker due to the

smaller annual temperature variability. The annual cycles in the

Alboran sea appear to be more complex than in the rest of the western

Mediterranean. The large annual sea level variation observed there is

likely due to other forcing effects such winds and AW in?ow, inducing

circulation variability, which could be only partially sampled by the

seasonal climatology used.

After removing the dynamic height annual variation and the steric

effect in the mixed layer, the remaining annual signal still represents

about 50% of the residual sea level variability. The EOF analysis

shows that one part of this signal is spatially homogeneous (3.5 cm)

and can therefore be associated with the annual variation of water

mass budget and some remaining annual steric and dynamic signal not

correctly removed because of the too simple parameterisation of the

mixed layer. The other part of the signal is mainly observed along the

north African coast and could be associated with the annual variation

of winds and ?uxes at the Straits of Gibraltar and Sicily, and their

impact on the regional mesoscale activity. To improve these results the

mean sea level used to get the SLA should be computed on a time

scale longer than 3 years to avoid any local persistent anomalies due

to long-lasting eddies.

An extended version of this study has been published in Journal of

Geophysical Research(7).

Fig. Western Mediterranean sea level anomaly standard deviation

between 22 October 1992 and 30 December 1998 with a contour interval

of 1 cm.

References

1-Ayoub N., Le Traon P.Y., and De Mey P., 1998. A description of the

Mediterranean surface variable circulation from combined ERS-1 and

TOPEX/POSEIDON altimetric data,. J. Mar. Sys., 18: 3-40.

2-Larnicol, G., Le Traon P.Y., Ayoub N., and De Mey P., 1995. Sea Level

Variability in the Mediterranean Sea from two years of Topex/Poseidon

data. J. Geophys. Res., 100: 25163-25177. 

3-Bouzinac C., Vazquez J. and Font J., 1998. CEOF analysis of ERS-1

and TOPEX/POSEIDON combined altimetric data in the region of the

Algerian current, J. Geophys. Res., 103: 8059-8071.

4-Vignudelli S., Cipollini P., Astraldi M., Gasparini G.P., and Manzella

G., 2000. Integrated use of altimeter and in-situ data for understanding the

water exchange between the Tyrrhenian and Ligurian seas, J. Geophys.

Res., 105: 19649-19663.

5-Le Traon P.Y., Nadal F., and Ducet N., 1998. An improved mapping

method of multisatellite altimeter data. J. Atmosph. Oceanic Technol., 15:

522-534.

6-Vazquez J., Perry K., and Kilpatrick K., 1998. Sea surface temperatu-

re data set. User’s reference manual, JPL Publ. D-14070

7-Bouzinac C., Font J., and Johannessen J., 2003. The annual cycles of

sea level and sea surface temperature in the western Mediterranean Sea, J.

Geophys. Res.,108: 3059, 10.1029/2002JC001365.