Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

128

DECADAL SCALE CLIMATIC WARMING AND ITS IMPACTS ON ECOLOGICAL REGIME 

OF THE BLACK SEA DURING 1990S

Temel Oguz

Institute of Marine Sciences, Middle East Technical University, Erdemli, Turkey - oguz@ims.metu.edu.tr

Abstract

The Black Sea is shown to experience intensive warming of its surface waters during 1990s at a rate of ~0.25°C per year. Following a

strong cooling phase in early1990s, the most intense warming event with ~2°C increase in the SST took place during winters of the 1994-

1996 period. This event was accompanied by 4 cm yr-1 net sea level rise in the basin, and two-fold increase of the annual mean net fresh

water ?ux, as well as a gradual depletion of the Cold Intermediate Layer (characterized by T<8°C) throughout the basin. Consequently,

from 1996 onwards, upward nutrient supply to surface waters was reduced substantially, giving rise to bottom-up limited unfavorable

phytoplankton growth, and reduced stocks of mesozooplankton, gelatinous macrozooplankton and pelagic fishes. The climate-induced

changes therefore had a strong impact on dramatic reduction of pelagic fish stocks observed during the second half of 1990s.

Key words: Black Sea, climatic warming, ecological changes

Changes in large scale atmospheric pressure and precipitation

patterns cause interannual-to-multidecadal scale climatic variations

both locally and in remote areas via teleconnection patterns in the

form of the quasi-periodic sea level changes, warming and cooling

cycles of the sea surface temperature, and ultimately impose

significant impacts on ecology and economical wellfare of societies.

Even it is an isolated and relatively small sea, far from direct impacts

of major oceans, the Black Sea is found to possess a strong climatic

signature at interannual-to-multidecadal scales. The most recent

example of such climatic effects emerges in the form of a warming

cycle of the entire upper layer waters since 1994 (1).

The basin-averaged winter (December-March)-mean and annual-

mean sea surface temperature (SST) data, derived from 9 km monthly,

gridded NOAA/NASA AVHRR Oceans Pathfinder data set, reveal an

intense cooling period of the early 1990s, evident by the minimum

winter-mean SST of 6.8 

o

C in 1993 followed by an equally strong

winter warming phase characterized by an almost 2 

o

C rise during

1994-1996. The winter warming phase is maintained during the rest

of the 1990s by a more gradual temperature variations by retaining at

least their 1997 level of warming, and occasionally having values as

high as ~10 

o

C in 2001. These warmer winter SSTs were correlated

with milder winters characterized by relatively higher air

temperatures, weaker heat loss to the atmosphere and weaker wind

stress forcing exerted on the sea surface . The warming trend is also

well-pronounced in the annual-mean data in the form of linear SST

rise by about 2

o

C from 1993 to 2001. The annual-mean tended to

increase linearly SSTs from 14.2 

o

C in 1993 at a rate of 0.25 

o

C per

year, with the highest annual mean value of ~16.4 

o

C measured during

2001. The subsurface signature of the warming can be traced from the

structure of the Cold Intermediate Layer (CIL), characterized

traditionally by temperatures colder than 8 

o

C. This cold water mass,

convectively generated every winter within the upper 50-75 m of the

water column, preserves its identity between the seasonal and

permanent thermoclines during rest of the year. As shown for a station

along the northeastern coast, off Gelendzhik, the average winter CIL

temperature shows a linear trend of increase from its minimum value

of 6.2 

o

C in 1993 to around 7.7 

o

C during the winters of 2000 and

2001. This trend follows quite closely the air temperature variations at

the same site. Moreover, approximately 5-10 m rise of the anoxic

interface level during the second half of 1990s might reflect

destabilization of the permanent pycnocline as a consequence of

warming of the surface waters.

As pointed out by Stanev and Peneva (2), the warming period may

well be teleconnected to changes in the North Atlantic Oscillation

(NAO) cycle, and the climatic warming trend of the Northern

Hemisphere. Their analysis has indicated that the constant sea level

rise of ~12 cm in the Black Sea from 1993 to 1996 is correlated with

the increased net fresh water ?ux into the basin, which in turn is

correlated with the dramatic decrease of the NAO index (from +2 to

–2) during the same period. These changes in the physical climate of

the sea imply disintegration of the prevailing basinwide cyclonic

circulation cell (3), and weakening of the associated upward motion

within the interior part of the basin after 1995.

The intimate relationship between climatic warming and form of

the annual phytoplankton production can be inferred by the composite

ocean color data set representing the monthly mean chlorophyll

contcentrations since 1996 onwards. It indicates steady winter 

values of about 0.5 mg m

-3

in contrast to a well-pronounced peak of

~2.0mgm

-3

in the data set prior to the mid-90s. Weaker turbulent

mixing and stronger stratification during mild winters of all these

years should be responsible for more limited nutrient supply from the

nutricline, and consequently erosion of the late winter-early spring

peak of the annual surface chlorophyll distribution by more than half

after the mid-90s. Such a poor new production-based biological

activity in February-March is followed by equally poor regenerated

production during rest of the spring season. The annual structure

acquires only a weak autumn peak of about 0.75 mg m

-3

comparable

to its counterpart in the former data set.

The measurements also reveal similar adverse changes in the

annual mesozooplankton biomass distributions after 1995. The early-

spring mesozooplankton bloom is no longer a dominant feature of

their annual structure due to the bottom-up resource limitations in the

spring primary production. The autumn mesozooplankton biomass

distributions after the mid-1990s are also somewhat lower than those

of the early 1990s. These changes are re?ected at higher trophic levels

in the form of decreasing trends in both the gelatinous carnivore

biomass and the anchovy catch data during the second half of the

1990s. As warming prevails longer, both mesozooplankton and

pelagic fish stocks are expected to decline further due to stronger

bottom-up limitation associated with continual loss of nutrients from

the euphotic zone against their more limited supply from subsurface

levels. From the fishery perspective, a closer look at future evolution

of plankton community structure is therefore of critical economical

importance, and may ultimately serve for predicting timing of the

forthcoming shift of the present warming cycle by a cooling cycle and

subsequent increase in fish stocks. 

References

1-Oguz, T., Cokacar, T., Malanotte-Rizzoli, P., and Ducklow, H.W., 2003.

Climatic warming and accompanying changes in the ecological regime of

the Black Sea during 1990s. Global Biogeochem.Cycles, in press.

2-Stanev, E.V., and Peneva, E. L., 2002. Regional sea level response to

global climatic change: Black Sea examples. Global and Planetary

Changes,32: 33-47.

3-Korotaev, G., Oguz, T., Nikiforov, A., and Koblinsky, C., 2003.

Seasonal, interannual and mesoscale variability of the Black Sea upper

layer circulation derived from altimeter data. J. Geophys. Res.,108: 3122,

doi:10.1029/2002JC001508.