Rapp. Comm. int. Mer Médit., 36,2001

131

Recent decades have seen a degradation of the environmental quality in

various basins of the world’s oceans, caused by eutrophication and pollu-

tion problems, with an amplitude depending on the ability of the damaged

marine area to be able to adapt to new circumstances. As a result of their

small inertia related to their geometry, the various semi-enclosed seas and

enclosed inland bodies are particularly sensitive to natural and anthro-

pogenic perturbations of their environment. Also, among the various basins

of the world’s oceans, the environmental degradation in the Black Sea, and

in particular of its north-western continental shelf into which rivers such as

the Danube ?ow, is the most severe, as re?ected by the dramatic changes

in its ecosystem and living resources. The management of the basin in a

sustainable development perspective requires the identification and mod-

elling of the Black Sea’s physical and biogeochemical structures and pro-

cesses that determine the mixing, transport and distribution of pollutants

and biogeochemical constituents discharged by the rivers.

Model

The GHER General circulation model which has been used in this study

of the Black Sea seasonal ecohydrodynamics is three-dimensional, non-

linear, baroclinic and uses a refined turbulent closure scheme (the classical

k-l model) (e.g.1, 2, 3, 4). The ecosystem model is defined by a simple

nitrogen cycle based on the functional role played in the trophic dynamics

by planktonic populations. It is described by a limited number of aggre-

gated variables sufficient to reveal the cogent effects of the three-dimen-

sional time dependent macroscale and mesoscale hydrodynamics on bio-

logical fields. Six compartments are defined: the phytoplankton and zoo-

plankton biomasses without reference to species, total detritus (lumping

together dissolved and particulate organic matter), nitrate, ammonium and

benthic detritus. In the transitional layer between oxygenated and anoxic

waters, redox reactions prevent nutrients issued from the deep waters to

reach the surface layer, thus constituting one of the main mechanisms

whereby the Black Sea basin act as ‘nutrients traps’. This implies that the

modeling of the pelagic ecosystem will be made without the representation

of the complex chemical processes occurring in the deep waters.

The model is forced by monthly mean climatological forcing functions.

In particular, this includes the large scale free surface gradients along the

Bosphorus strait, the wind stress at the air-sea interface and the out?ow of

the Danube and the Dnepr rivers on the north-western shelf. The spin-up

time of the hydrodynamic model is of about 10 years. The ecosystem

model is solved conjointly with the hydrodynamic model. After two years

of integration, quasi-equilibrium is almost obtained for the ecosystem

model, and the results of an additional annual simulation, which are repre-

sentative of a situation typical of the mean Black Sea's climatological state,

are compared with in-situ and satellite observations collected in the area. 

Discussion

The nitrogen cycle in the north-western shelf waters and in the open sea is

analysed and compared. The results illustrate a highly complex spatial va 

r 

i-

ability in the phytoplankton annual cycle imparted by the horizontal and ve 

r-

tical variations of the physical and chemical properties of the water column. 

In particular, the frontal instabilities of the main boundary current and

the seasonal variability of the north-western shelf circulation, induced by

seasonal variations in the Danube discharges and wind stress intensity

which result in an important modification of the transport of nutrient rich

Danube waters, have been found to play a key role in the space-time dis-

tribution of the primary production. Annual nitrogen ?uxes computed on

the shelf area and in the deep sea show the relative importance of transport

versus biogeochemical processes. Computing the nitrate ?uxes through the

shelf break, it has been found that, with respect to the deep sea the margin

acts as a source of nitrate most of the time. In agreement with observations,

the model results indicated a rapid and efficient recycling of particulate

organic matter in the oxygenated layer of the water column. More than

90% of the particulate organic nitrogen produced in the euphotic zone is

shown to recycle in the upper 100 m of the water column and about 79%

in the euphotic layer.

The comparison of the phytoplankton biomass computed by the model

with satellite-derived estimates of the surface chlorophyll field suggests

that the model reproduces quite well the seasonal plankton productivity

cycle in the different areas of the Black Sea but underestimates the phyto-

plankton biomass in the Danube's discharge area.

References

1. Nihoul J.C.J., Deleersnijder E. and Djenidi S., 1989.Modelling the general

circulation of shelf seas by 3D k-_ models, Earth Science Reviews, 26, 163-

189.

2. Beckers J.M., 1991 Application of a 3D model to the Western

Mediterranean.Journal of Marine Systems,1, 315-332.

3. Delhez E., Grégoire M., Nihoul J.C.J. and Beckers J.M., 1999. Dissection

of the GHER Turbulence Closure Scheme. Journal of Marine Systems, 21. ,

pp 379-397

4. Grégoire M., Beckers J.M., Nihoul J.C.J. and Stanev E., 1998.

Reconnaissance of the main Black sea’s ecohydrodynamics by means of a 3D

interdisciplinary model. Journal of Marine Systems, 16, 85-105.

MODELLING NITROGEN FLUXES IN A SEMI-ENCLOSED ENVIRONMENT (THE BLACK SEA) : 

TRANSPORTVERSUS BIOGEOCHEMICAL PROCESSES AND 

QUANTIFICATION OF THE EXCHANGES ATTHE SHELF BREAK

Gregoire M

.1

*, Beckers J.M.

1

, KostianoyA.

2

, Nezlin N.

2

and Nihoul J.

1

1

G.H.E.R., University of Liège, Belgium -mgregoire@ulg.ac.be, jm.beckers@ulg.ac.be, j.nihoul@ulg.ac.be .

2

P.P. Shirshov Institute of Oceanology, Moscow, Russia. - kostianoy@online.ru, nezlin@biology.ucla.edu

Abstract

A three-dimensional coupled biogeochemical-hydrodynamical model has been developed to get a better understanding of the

biogeochemical functioning of the Black Sea. The in?uence on the ecodynamics of hydrodynamical and biogeochemical processes is

quantified. Nitrogen inputs from the rivers, from the sediments and from the deep sea are estimated and compared in terms of potential

fertilization. The exchanges between the north-western shelf and the deep sea are quantified. The results illustrate a highly complex spatial

variability of the phytoplankton annual cycle and thus, stress the importance of using a 3D model to capture the essential physical-

biological interactions that explain the data. 

Keywords : Black Sea, Circulation Models, Primary Production, Mesoscale Phenomena, Ocean Colours.

Figure 2 : CZCS estimates

of the surface chlorophyll

field for the 22

nd

of June

1980 (mg m

-3

)

Figure 1 : Simulated phytoplankton distribution at 10 m at the end of

May (in micro atgN/l)