A COMBINED APPROACH TO STUDY INTERANNUAL VARIABILITY OF PIGMENTS 

IN THE FIRST OPTICAL LENGTH IN MEDITERRANEAN SEA

Alessandro Crise*, Guido Crispi, Valentina Mosetti

Department of Oceanography, Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale, Borgo Grotta Gigante 42/c, 

34010 Sgonico (TS), Italy . 

Abstract 

The aim of this work is to provide evidence of the interannual variability of the pigments in the upper ocean up to the first optical length.

The approach is twofold: a 3D eco-hydrodynamical model describing the nitrogen cycle in the Mediterranean Sea has been integrated for

the period 1980-86 to obtain estimates of monthly mean chlorophyll concentrations. Seasonal cycles are computed both from model results

and CZCS monthly means obtained from JRC. The analysis of normalized relative anomalies show that in both cases the seasonal signal

usually accounts for more than 80% of the energy of total signal.

Keywords: nitrogen cycle, interannual variability, chlorophyll content, CZCS.

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

184

Introduction 

The interannual-to-decadal variability of circulation of upper and

intermediate layer over the Mediterranean Sea has been appraised by

many authors.Variability studies of the pelagic biogeochemical

cycles on multiannual scales is instead hampered by the scarcity of the

data sets. These studies are mainly located in selected areas such as

the NW Mediterranean [1]. Here a coupled eco-hydrodynamical

model is used to capture a basin-wide multiannual variability in the

Mediterranean Sea. An estimate of relative importance of interannual

variability versus seasonal cycle for the chorophyll content in the first

optical length in Mediterranean area. Independently, the same

estimates are obtained from the analysis of pigments concentration as

derived by CZCS images. The comparison of satellite images with the

model diagnosed chlorophyll fields demonstrates the robustness of the

estimates. 

Materials and methods: model experiments and remotely sen-

sed chlorophyll concentration field processing.

Here the model protocol is firstly presented, and then the analysis

of chorophyll concentration as derived from CZCS optical sensor.

The model is composed by two modules: a 1/4 degreee 31 level

MOM 1.0 OGCM plus Nitrogen-Phytoplankton-Detritus-Chlorophyll

(NPD-Chl) nitrogen cycle described through a set of advection-

diffusion-reaction non-linear equations. Details on the functional

forms of the equations, parametrization, numerics and forcings of the

coupled model are provided in [2,3]. 

The model is in this case forced with NMC/NCEP annually varying

monthly means along the period 1980-86. Chlorophyll-a was

diagnostically computed from model outputs using an empirical non-

linear model [4].The pheopigments concentration (ugChl/dm

3

) in the

first optical length was detected by CZCS sensor in the period 1979-

1985. The original data set used here, reanalyzed by EU Joint

Research Center of Ispra, was converted and regridded to a 2kmx2km

resolution. A bathymetric mask was applied to regions shallower than

200m to wipe out coastal signals from the pelagic region both in

model outputs and images. 

Results

To obtain a synthetic estimate of the relative importance of

interannual variability, the Hovmoller diagram of meridionally

integrated (between 30.5N and 45N) chlorophyll fields are computed

from both model and images. In this way, the well known zonal

trophic gradient (presentet also in chlorophyll concentration), is

preserved.

Both model and images show that the response of the basin is

locked to the seasonal cycle all over the Mediterranean except for

Alboran Sea which seems instead controlled by permanent upwelling

conditions combined with baroclinic dynamics. The clear west-to-east

negative gradient in chlorophyll concentration indicates the averaged

increasing oligotrophy of the surface waters. Permanent maxima are

connected to subbasin scale circulation, more evident in the western

areas. Weaker signals are evident in the Eastern Mediterranean where

the fertilization effects of Rhodes Gyre are barely visible at surface.

Chlorophyll content shows energetic maxima in 1981 and 1983 years

in Western Mediterranean. The model exibits stronger relative

variability in the Eastern Mediterranean where winter maxima appear

overestimated. Seasonal anomalies found in the Western

Mediterranean during Autumn 1981 and 1982 are present both in

images and model outputs (but not 1982 winter anomaly) as well as

the 1983 winter peak (more spread in the CZCS). Summer deep

chlorophyll maxima (in particular in the eastern basin) are too deep to

be capture by satellite images but are well represented by the model.

The explanation of the normalized variance of the signal integrated

over the East and West Mediterranean Sea is shown in Fig. 1: the

seasonal cycle explains about 80% of the variance, except for January

where the model only predicts slightly higher variability.

Interestingly, similar figures were obtained in East Mediterranean

from an EOF analysis of SST diagnosed from AVHRR radiometer [5].

Fig.1. Breakdown of normalized chlorophyll variance expressed in terms

of seasonal and interannual variability along the climatological year cal-

culated in the period 1980-86. CZCS results are shaded while model out-

puts are plotted with thicker lines.

Acknowledgments. This research is partially funded by the project

SINAPSI in the frame of Italian CNR Program ‘Ecosistemi marini’. 

References

1-Marty J.-C. (ed.) 2002. Studies at the DYFAMED (French-JGOFS)

Time-Series Station, N.W. Mediterranean Sea. Deep-Sea Res. II, 49: 11,

1963-2192.

2-Crise A. , Crispi G. and Mauri E., 1998. A seasonal three-dimensional

study of the nitrogen cycle in the Mediterranean Sea. Part I. Model

implementation and numerical results, J. Mar. Systems.,18, 1-3: 287-312.

3-Crispi G., Crise A. and Mauri E., 1999. A seasonal three-dimensional

study of the nitrogen cycle in the Mediterranean Sea. Part II. Verification

of the energy constrained trophic model. J. Mar. Systems., 20, 1-4: 357-

380.

4-Cloern J.E., Grenz C. and Vidergar-Lucas L., 1995. An empirical

model of the phytoplankton chlorophyll:carbon ratio – the conversion

factor between productivity and growth rate. Limnol. Oceanogr., 40, 7:

1313-1321.

5-Marullo, S., R. Santoleri, P. Malanotte-Rizzoli and Bergamasco A.,

1999. The sea surface temperature field in the Eastern Mediterranean from

advanced very high resolution radiometer [AVHRR] data Part II.

Interannual variability, J. Mar. Systems, 20: 83-112.