THE INFLUENCE OF ATMOSPHERIC PRESSURE VARIATIONS ON THE CIRCULATION

IN THE LEVANTINE BASIN

Stephen Brenner

1,2

* and Zvi Rosentraub

2

1

Department of Geography, Bar Ilan University, Ramat Gan 52900 Israel

2

National Institute of Oceanography, Israel Oceanographic and Limnological Research, PO Box 3080, Haifa 31080 Israel

* sbrenner@mail.biu.ac.il

Abstract

An analysis of the results from a previous high-resolution climatological simulation of the circulation in the southeastern Levantine Basin

indicated that the model was able to reproduce the predominant alongshore direction of the ?ow and typical magnitude of the speed of the

observed currents at various points along the shelf and slope, but missed the timing of the seasonal cycle of the speed. In order to identify

the source of this problem, a coarser resolution basinwide model was run with atmospheric pressure forcing included. This additional

surface forcing factor partially rectified this deficiency.

Keywords: coastal circulation, inverse barometer effect, eastern Mediterranean, numerical models

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

88

Introduction

Within the framework of the Mediterranean Forecasting System

Pilot Project (MFSPP) (1), a high-resolution (2 km horizontal grid, 30

layer) model was run with climatological forcing for the southeastern

corner of the Levantine Basin (2). The model was one-way nested in

a coarser resolution (5 km, 30 layer) model of the Levantine, Aegean

and part of the Ionian basins (3). Long term measurments at various

points along the continental shelf and slope (4) indicate that the

circulation in this regions is mainly alongshore (northward) with a

distinct seasonal cycle in the current speed. Typical monthly mean

values range from around 10 cm/s over the inner shelf to 20 cm/s and

more over the outer shelf and slope. The inner shelf current speed had

two maxima – in February and in July – while the outer shelf currents

had a single pronounced peak in June/July. A comparison between the

model results and the observed currents showed that he model was

able to reporduce the predominant direction of the ?ow throughout the

year as well as typical speeds. However there was a lag of one to two

months in the simulated seasonal cycle of the speed. One possible

factor that may account for this discrepency is the absence of

atmospheric pressure forcing (the inverse barometer effect) in the

simulations.

Model description and experiments

Atmospheric pressure forcing is not simply a localized affect due to

the relatively large spatial scale of synoptic pressure systems. To

properly account for this process the basinwide circulation must be

studied. Therefore for the purposes of this investigation we used a

model that covered the entire Levantine and part of the Ionian basins

(the region east of 24°E and south of 37°N). The model used was the

Princeton Ocean Model (POM) which is a three dimensional,

primiitve equations, free surface model with a terrain following

vertical (sigma) coordinate (5). The horizontal grid spacing was 0.05°

(4.6 – 5.5 km) and 24 sigma layers were used in the vertical. Surface

forcing consisted of monthly mean climatological wind stress and

heat ?uxes based on the 15 year ECMWF reanalysis as well as the

monthly mean climatological fresh water ?ux as computed in (3).

Monthly mean atmospheric pressure was computed from the same

meteorological data set. Lateral boundary conditions at the open

boundaries were specified from the eighth year of a climatological

simulation with the MFSPP full Mediterranean model – the OGCM

(1). Our model was first run for four years using initial conditions

taken from 10 Jan of the OGCM simulation using the climatological

wind stress and heat ?ux. In the control run, this simulation was

continued for an additional two years. In the second simulation the

model was also initialized from the end of the fourth year of the spin

up run and again integrated for two years as in the control run but with

the addition of the atmospheric pressure forcing.

Results

In both the high-resolution simulations of (2) and the coarser

resolution runs of (3) the models were able to reproduce many of the

obsrved climatological features of the circulation in this region

including sub-basin scale features as welll as some of the mesoscale

variability. Of particular interest were the variations in the free surface

height with contrasts between cyclonic and anticyclonic eddies of as

much as 10 – 20 cm. In the case of the inverse barometer effect an

increase (decrease) of 1 hPa in atmospheric pressure corresponds to a

lowering (rising) of the free surface of the sea by roughly 1 cm.

Across the Levatine basin monthly mean horizontal pressure contrasts

range from 1 – 2 hPa in the winter to as much as 5 – 6 hPa in the

summer. Thus we would expect the in?uence of the atmospheric

pressure forcing to be most pronounced during the months of July and

August. Upon comparing the final year of our control and pressure

forcing runs we find that indeed the largest domain wide mean and

root mean square (rms) free surface differences occur in July with

values of 2.8 and 4.7 cm, respectively. Over our previous high-

resolution model domain in the southeastern corner the maximum

mean and rms differences also occur in July with values of 2.2 and 3.3

cm, respectively. Furthermore, the mean free surface height

differences between the eastern and western halves of the full domain

were larger in the atmospheric pressure forcing run than in the control

run throughout the year. Due to the lower pressure in the east, these

differences were as much as 3 cm larger in the month of July. Finally,

the simulated seasonal cycle of the current speed over the southeastern

shelf and slope is in closer agreement with the observations than in

our previous high-resolution simulations.

References

1-Pinardi, N., Allen, I., and Demirov, E., 2003. The Mediterranean Ocean

Forecasting System: the first phase of implementation. Annal. Geophys.,

21: 3-20.

2-Brenner, S., 2003. High-resolution nested model simulations of the

climatological circulation in the southeastern Mediterranean Sea. Annal.

Geophys., 21: 267-280.

3-Korres, G. and A. Lascaratos, 2003. A one-way nested eddy resolving

model of the Aegean and Levantine basins: implementation and

climatological runs. Annal. Geophys., 21: 205-220.

4-Rosentraub, Z. and S. Brenner, 2003. Circulation over the southeastern

continental shelf and slope of the Mediterranean Sea: direct current

measurements. To be submitted.

5-Blumberg, A.F. and Mellor, G.L., 1987. A description of a three-

dimensional coastal ocean circulation model. Pp. 1-16. In: Heaps, N. (ed.),

Coastal Ocean Circulation Models. American Geophysical Union,

Washington DC.