Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

229

MODELLING THE VERTICAL BIOGEOCHEMICAL STRUCTURE OF THE BLACK SEA

Temel Oguz

Institute of Marine Sciences, Middle East Technical University, Erdemli, Turkey

Abstract

A vertically resolved, coupled physical-biogeochemical model is developed to describe the food web structure, nitrogen cycling and redox

processes taking place near the oxic-anoxic interface zone of the Black Sea. The model thus provides a unified representation of dynamically cou-

pled oxic-suboxic-anoxic system which allows to simulate a realistic yearly succession of diatom, dino?agellate, Emiliania huxleyi blooms, as well

as basic features of the suboxic zone dynamics, and the way in which it is controlled by upward and downward material ?uxes from the interior

of the anoxic layer and chemocline zone of the surface layer, respectively. 

Key words: Black Sea, phytoplankton blooms, suboxic zone, redox reactions, modeling

The major processes controlling the food web structure, recycling

of nutrients, and oxidation/reduction reactions taking place nears the

anoxic interface of the Black Sea is studied by a coupled physical-bio-

geochemical model. It relates the annual cycle of plankton production

in the form of a series of successive phytoplankton, mesozooplankton

blooms to organic matter generation and to the remineralization-

ammonification-nitrification-denitrification chain of the nitrogen

cycle as well as to anaerobic sulfide oxidation through a series of reac-

tions catalyzed by dissolved and particulate manganese. 

The ecosystem model includes three most dominant phytoplankton

taxonomic groups in the Black Sea comprising Bacillariophyta

(diatoms, P

d

), Dinophyta (dino?agellate, P

f

), Chrysophyta (coccol-

ithophore E. huxleyi, P

e

). The fourth group comprises small phyto-

plankton community (P

s

) representing phytoflagellates and

picopyhtoplankton. The zooplankton community is represented by

microzooplankton (Z

s

), and mesozooplankton (Z

l

) groups. They con-

sume different phytoplankton groups with different preferences, as

specified in their grazing terms. All plankton biomass are expressed in

nitrogen units; nitrogen is considered to be the most important limit-

ing nutrient for the interior Black Sea ecosystem. Silicate and phos-

phate are abundant elements in the Black Sea with respect to total

dissolved inorganic nitrogen even though their anthropogenic suppy

have been reduced in 1990s after the dam constructions along the

River Danube; thus, silicate and phosphorus do not limit diatom and

E. huxleyiproductions, respectively. Even though E. huxleyiare

grown in the Black Sea under nitrogen limited conditions, the model

is supported by a simplified phosphorus cycle in order to explore its

competitiveness under phosphorus limitation. The simplified nitrogen

and phosphorus cycles involve labile pelagic detrital nitrogen (D

n

)

and phosphorus (D

p

), as well as dissolved inorganic nitrate (N

n

),

ammonium (N

a

), and phosphate (N

p

). In addition, the model includes

attached and detached coccolith concentrations as two additional

prognostic variables. 

The annual phytoplankton community structure simulated by the

model involves a diatom-based bloom during the late winter-early

spring period. It is strongest bloom of the year and followed by a

series of successive other bloom events mainly dominated by subsur-

face summer productions of dino?agellates, and subsequently a weak-

er, mixed assemblage of diatom and dino?agellate community

development in autumn months. They are robust features of the annu-

al phytoplankton structure, and appear as distint signals in the month-

ly composite chlorophyll data. The signature of the intense late winter

diatom bloom is high chlorophyll concentration of more than 2 mg 

m

-3

distributed uniformly over the 40-50 m thick euphotic zone. The

autumn bloom is less intense and relatively shallower characterized by

chlorophyll concentrations of around 1 mg m

-3

within the surface

mixed layer of 25-30 m. These two blooms are linked to the weaker

summer subsurface bloom confined at deeper part of the euphotic

zone below the seasonal thermocline. It is characterized by chloro-

phyll concentrations in the range of 0.3-to-1.0 mg m

-3

. The simula-

tions have further suggested E. huxleyias yet another essential

element of the annual phytoplankton community structure during

summer months within the shallow surface mixed layer. The summer

E. huxleyibloom typically initiates during mid-May, attains its

strongest phase throughout June, and finally terminates by mid-July. 

Almost continuous particulate organic matter production associat-

ed with the year-long biological activity supports an efficient nitrogen

cycling within approximately the upper 75 m of the water column,

where dissolved oxygen generated photosynthetically and by air-sea

interactions is depleted due to consumption during aerobic particulate

matter decomposition. The layer below could not be ventilated even

for the conditions of exceptionally high winter cooling due to the

presence of a strong density stratification. Even with a highly simpli-

fied representation of the redox processes, the model provided a

quasi-steady state suboxic-anoxic interface zone structure similar to

observations. It was able to give quantitative evidence for the presence

of an oxygen depleted and non-sulfidic suboxic. This model pointed

out the crucial role of the downward supply of nitrate from the over-

lying nitracline zone and the upward transport of dissolved man-

ganese from the anoxic pool below for maintenance of the suboxic

layer. The model is also used to test the assumption of isopycnal

homogeneity of the SOL properties and their independence from the

circulation features, as asserted previously. It is found that the SOL

properties do not possess isopycnal uniformity throughout the basin,

and vary depending on the intensity of vertical diffusive and advective

oxygen ?uxes across the oxycline. Anticyclones, with downwelling

and downward diffusion (i.e, with stronger net downward supply of

oxygen), attain a thinner suboxic layer at a deeper part of the water

column relative to cyclones. The position of the upper boundary of the

SOL changes from 

s

t~15.6 kg m

-3

in cyclonic to 15.9 kg m

-3

in anti-

cyclonic regions, whereas its position in the peripheral Rim Current

transition zone occurs at intermediate density values. Re-analysis of

the existing data provides firm evidence for such differences.