Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

142

MONITORING THE SAHARAN DUST DISPERSION IN THE MEDITERRANEAN SEA 

WITH A NUMERICAL MODEL (2001-2002)

S. Sofianos*, A. Lascaratos, and V. Vervatis

Ocean Physics and Modelling Group, University of Athens, University Campus, 15784 Athens, Greece

Abstract

A modeling system has been developed to monitor the Saharan dust cycle in the Mediterranean Sea. It is based on the Princeton Ocean

Model, modified to include the physics of dust dispersion and deposition onto the ocean ?oor. It is shown that the atmospheric deposition

has a highly episodic character, which affects gravely the patterns of oceanic distribution as well as the bottom deposition of dust. The

oceanic circulation plays an important role in the dust distribution and deposition onto the sea bed.

Key-words: Saharan dust, Mediterranean Sea, Modelling

Introduction

Suspended particulate matter in the ocean plays a significant role in

different biogeochemical processes and is a crucial parameter in

determining the water quality (1). The case of the Mediterranean Sea

is of particular interest since it borders the Saharan desert, the world’s

largest source of aeolian soil dust (2), and its northern coasts are

located in the industrialized and semi-industrialized regions of

Southern Europe, which are important sources of anthropogenic

aerosols. Since direct observations of dust deposition and transport

into the ocean are very difficult and costly to obtain, modelling studies

become a very important monitoring tool.

Methods

The distribution and deposition of Saharan dust onto the sea bed in

the Mediterranean Sea has been simulated using the Princeton Ocean

Model. The horizontal resolution of the model is 1

o

/8x1

o

/8 degrees,

with 25 sigma levels in the vertical. The oceanographic model was

coupled with the SKIRON/Eta atmospheric model (3). 

To simulate the transport and diffusion of Saharan dust in the ocean

an additional advection-diffusion equation has to be solved by the

model, introducing also a settling velocity of the dust in the sea water

(due to its density difference from the sea water). The dust that

reaches the lowest level of the model evacuates the water column and

is deposited onto the seabed. During the first phase of the

experiments, the atmospheric input of Saharan dust includes only one

class of particles with diameter of 2µm. More realistic experiments,

with four classes of particles, are also being performed.

Results and Discussion

The model has been integrated with atmospheric dust deposition for

the period April 2000 to December 2002, and the results of the last

two years are presented here. Although the Saharan dust cycle does

not reach a steady state, basic characteristics of the cycle are already

evident. 

The daily atmospheric deposition of Saharan dust on the surface of

the Mediterranean Sea is plotted in Figure 1a. The annual deposition

over the Mediterranean for 2001 is 1.22 g m

-2

and 2.13 g m

-2

for 2002.

The dust deposition on the sea surface of the Eastern Mediterranean is

much larger than the dust deposition on the sea surface of the western

Mediterranean, in agreement with previous observational and

modeling studies (1). Another important conclusion is the highly

episodic character of the atmospheric deposition. A few episodes

account for the biggest part of Saharan dust deposited on the sea

surface. It is characteristic that two episodes during spring 2002

account for 44% of the total deposition on the sea for this year. It is

interesting to note that this episodic character can create patches of

water very rich in dust with considerable effects on the area’s biology

and water quality. 

The effects of oceanic circulation on the dust distribution and

deposition onto the sea bed were found to be very important. The dust

concentration is mainly defined by advection and diffusion, while the

particles’settling velocity, being very small, contributes very little in

the dispersion of dust into the water column. The general eastward

surface ?ow along the African coast is currying large amounts of dust

uptaken in areas of high atmospheric deposition (close to the source),

thus further increasing the contrast between the western and eastern

sub-basins. Other oceanic features tend to trap the Saharan dust

atmospheric input creating large patches of high concentration. Figure

1b shows the mean Saharan Dust concentration for the eastern,

western and the whole Mediterranean basin. 

Figure 1c presents the bottom deposition for the eastern, western

Mediterranean and the whole basin. The bottom deposition rate for the

Mediterranean Sea is 115.8 mgr m

-2

and 198.6 mgr m

-2

per year for

2001 and 2002, respectively. The difference between the eastern and

the western Mediterranean is again apparent. The deposition rate

presents its highest values during winter. The highest values of

Saharan dust deposition are encountered in the continental shelf of the

African coast, the coasts of the southern Adriatic Sea, the Cyclades

Plateau in the Aegean Sea, the Gulf of Lions and the northeastern

coast of Spain. Some areas of intense local bottom deposition are

associated with strong events taking place in coastal and generally

shallow locations.

Fig. 1. (a) Atmospheric deposition of Saharan dust, (b) Saharan dust

concentration in the Eastern Mediterranean (thin line), Western

Mediterranean (dashed line) and whole basin (thick line), and (c) cumu-

lative bottom deposition in the Eastern Mediterranean (thin line),

Western Mediterranean (dashed line) and whole basin (thick line).

References

1-Goudie, A. S. and N. J. Middleton, 2001. Saharan dust storms: nature

and consequences. Earth-Science Rev., 56: 179-204.

2-Swap, R., S. Ulanski, M. Gobbett, and M. Garstang, 1996. Temporal

and spatial characteristics of Saharan dust outbreaks. J. Geophys. Res.,

101(D2): 4205-4220.

3-Kallos, G., S. Nickovic, A. Papadopoulos, D. Jovic, O. Kakaliagou, N.

Misirlis, L. Boukas, N. Mimikou, G. Sakellaridis, J. Papageorgiou, E.

Anadranistakis and M. Manousakis, 1997. Theregional weather

forecasting system Skiron: An overview, Proc. Symp. On Regional

Weather Prediction on Parallel Computer Environments, Athens, Greece:

109-122.