Meereswissenschaftliche Berichte No 119 2021 - Marine Science Reports No 119 2021
http://doi.io-warnemuende.de/10.12754/msr-2021-0119
doi:10.12754/msr-2021-0119
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Hydrographic-hydrochemical assessment of the Baltic Sea 2020

Naumann, Michael; Gräwe, Ulf; Mohrholz, Volker; Kuss, Joachim; Kanwischer, Marion; Osterholz, Helena; Feistel, Susanne; Hand, Ines; Waniek, Joanna J.; Schulz-Bull, Detlef E.

Abstract. Die Arbeit beschreibt die hydrographisch-hydrochemischen Bedingungen in der westlichen undzentralen Ostsee im Jahr 2020. Basierend auf den meteorologischen Verhältnissen werden diehorizontalen und vertikalen Verteilungsmuster von Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff/Schwefelwasserstoff und Nährstoffen mit saisonaler Auflösung dargestellt.Für den südlichen Ostseeraum ergab sich im Winter 2019/2020 an der Station Warnemünde fürdie Lufttemperatur eine Kältesumme von 0 Kd. Im Langzeitvergleich setzt er damit einen neuenRekord als wärmster Winter seit Beginn der Aufzeichnungen im Jahr 1948 und wird als extremmild klassifiziert. Der Sommer 2020 nimmt mit einer Wärmesumme von 234,3 Kd den 14. Platz inder 72jährigen Datenreihe ein und liegt weit unter dem Rekordwert von 2018 (394,5 Kd). DasLangzeitmittel liegt bei 159,7 +/- 75,1 Kd.Die Situation in den Tiefenbecken der Ostsee war weiterhin geprägt durch stagnierendeBedingungen mit ausgedehnten Sauerstoffmangelgebieten. Kleinere Einstromereignisseereigneten sich im November 2019 sowie Januar und Februar 2020 in der westlichen Ostsee undprägten das Tiefenwasser im Arkona Becken und Bornholm Becken. Ein weiterer schwacherEinstrom folgte Mitte bis Ende Oktober. Anhand der Temperatur und Salinitätsverhältnisse anden Schlüsselstationen Bornholm Tief und Stolper Rinne hat keines dieser Ereignisse die StolperSchwelle gequert. Das Bodenwasser in der Stolper Rinne blieb mit 9,1 - 9,5 °C im Jahresverlaufdeutlich wärmer im Vergleich zur Temperaturentwicklung im Bornholm Becken, das durch dieWintereinströme geprägt war (Jahresmittel 8,4 °C). Das Tiefenwasser im östlichen GotlandBecken war immer noch geprägt von den warmen Einströmen in den Vorjahren und mitBodenwerten von 7,2 °C deutlich erhöht.Aufgrund der Daten von 9 Referenzstationen wurde ermittelt, dass die Winterkonzentrationender Nährstoffe Nitrat und Phosphat im Oberflächenwasser der westlichen und zentralen Ostsee2020 etwas niedriger als im Jahr 2019 lagen. Eine Ausnahme bildete die Mecklenburger Bucht,die eine höhere Nitratkonzentration als in 2019 aufwies. Ein klarer Trend über die letzten Jahrezeichnete sich aber nicht ab. Auffällig war noch das Verhältnis des gelösten anorganischenStickstoffs und Phosphors im Oberflächenwasser im Winter, das in der Mecklenburger Buchtüber 11 und in der westlichen Gotlandsee bei immerhin 8 lag, deutlich höher als in denvergangenen Jahren. Dies könnte die Bedeutung der Cyanobakterien in den Seegebieten etwaszurückgedrängt haben.Die euxinischen Bedingungen im Tiefenwasser der zentralen Ostsee verschärften sich im Jahr2020 weiter. Dies bestimmte auch die Nährstoffsituation in den Baltischen Tiefs entlang desTalwegs. Im Bornholmtief nahmen die Phosphat und Ammonium Konzentrationen noch leicht ab.Im Gotlandtief, Landsorttief und Karlsötief akkumulierten diese Nährstoffe weiter, sogar bis aufüber 5 μmol/l Phosphat und etwa 20 μmol/l Ammonium im Gotlandtief in 2020. Eine leichteErholung zeigte das Fårötief, das in 2020 einen Schub sauerstoffhaltiges Wasser erhielt. Dadurchnahmen die Schwefelwasserstoffkonzentration und die Nährstoffkonzentrationen leicht ab.Unter den herrschenden euxinischen Bedingungen wurde im Tiefenwasser kein Nitrat mehrvorgefunden. Eine Ausnahme bildete das Bornholmtief, das im Jahresmittel noch 0,9 ml/lSauerstoff und damit auch eine hohe Nitratkonzentration von etwa 8 μmol/l aufwies. So konnte hier noch kein Ammonium nachgewiesen werden und die Phosphatkonzentration lag mit etwa 3μmol/l in einem normalen Bereich für oxisches Tiefenwasser.In diesem Bericht sind die während des Ostsee-Umweltmonitorings im Januar/Februar 2020ermittelten Oberflächenwasserkonzentrationen und -sedimentgehalte für chlorierteKohlenwasserstoffe (CHC) und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (U.S. EPA PAH),sowie Oberflächensedimentgehalte für Organozinnsubstanzen (OT) zusammengefasst.Für alle im Oberflächenwasser untersuchten Schadstoffe zeigt sich ein Konzentrationsgradientvon der westlichen Ostsee im Bereich der Kieler Bucht/Fehmarnbelt (ΣDDTsum: 5,72 pg/L,ΣPCBICES,SUM: 7,20 pg/L, HCBSUM: 4,90 pg/L, ΣPAKSUM: 4660 pg/L) bis zur östlichenGotlandsee (ΣDDTsum: 1,96 pg/L, ΣPCBICES,SUM: 1,22 pg/L, HCBSUM: 3,43 pg/L, ΣPAKSUM:1344 pg/L) mit zudem auffälligen Konzentrationen im Bereich der Pommerschen Bucht(ΣDDTsum: 13,06 pg/L, ΣPCBICES,SUM: 5,15 pg/L, HCBSUM: 9,30 pg/L, ΣPAKSUM: 5626 pg/L).Die Daten lassen darauf schließen, dass die Oder eine Quelle für Schadstoffe in der Ostsee ist,besonders für partikulär gebundene. Die höchsten CHC- und PAH-Gehalte imOberflächensediment wurden für das Arkonabecken nachgewiesen (ΣDDT: 90,7 ng/g TOC,ΣPCBICES: 9 1,3 n g/g T OC, H CB: 5,0 n g/g TOC, ΣPAH: rd. 37000 ng/g TOC), während höchsteOrganozinngehalte in der Mecklenburger Bucht detektiert wurden (ΣOT: 275 ng/g TOC).Die Bewertung der Daten auf Grundlage der UQN der Wasserrahmenrichtlinie zeigt, dass eineschädliche Wirkung auf marine Organismen durch die Konzentrationen des hochmolekularenPAK Benzo(b)fluoranthen für die Bereiche Kieler Bucht/Fehmarnbelt, östliche und westlicheGotlandsee zu erwarten sind. Die Gehalte für Anthracen im Oberflächensediment überstiegenden Grenzwert des HELCOM-Indikators PAH an der Station N1 im Fehmarnbelt. DieOberflächensedimentgehalte von Tributylzinn überstiegen an allen untersuchten Stationen denGrenzwert des HELCOM-TestindikatorsTBT and imposex.Die Zeitreihenanalysen der Oberflächenwasserdaten zurückliegend zum Teil bis zum Jahr 2001zeigen abnehmende Trends der Konzentrationen für PCBICES sowie DDT und seine Metabolite;die der Oberflächensedimentdaten zeigen keine Trends im betrachteten Zeitraum.

Abstract. The article summarizes the hydrographic-hydrochemical conditions in the western and central Baltic Sea in 2020. Based on the meteorological conditions, the horizontal and verticaldistribution of temperature, salinity, oxygen/hydrogen sulphide and nutrients are described ona seasonal scale. For the southern Baltic Sea area, the Warnemünde station recorded in the winter 2019/2020 a“cold sum” of the air temperature of 0 Kd leading to a classification of an extreme mild winterseason, setting a new record as warmest winter since the beginning of the time-series in 1948. The summer “heat sum” of 234.3 Kd ranks on the 14th position over the past 72 years and is farbelow the record of 394.5 Kd during 2018. The long-term average is 159.7 +/- 75.1 Kd. The situation in the deep basins of the Baltic Sea was mainly characterized by stagnation andwidespread hypoxic to euxinic areas. In wintertime 2019/2020 three weak inflow phasesoccurred in November, January and February which dominated the situation in the deep water of Arkona Basin and Bornholm Basin. A next weak inflow pulse occurred from mid to end of October. Comparing of temperature and salinity measurements at the key stations Bornholm Deep and Slupsk Channel, none of these events crossed the Slupsk Sill. The deep water temperature in theSlupsk Sill stayed warm between 9.1 to 9.5 °C whereas an annual mean of 8.4 °C was found the Bornholm Deep, which was influenced by colder water of the winterly inflow pulses. The deepwater at the eastern Gotland Basin was still influenced by the warm inflows of previous years andwith bottom temperatures of 7.2 °C above average. The winter nutrient concentrations of nitrate and phosphate in surface water in the western andcentral Baltic Sea were slightly lower in 2020 compared to 2019 according to 9 reference stations. An exception was the Mecklenburg Bight that showed an elevated nitrate concentration in 2020. However, a clear trend over the last years could not be registered. It may be emphasized that thedissolved inorganic nitrogen/phosphorus ratio in winter in surface water was above 11 in the Mecklenburg Bight and almost 8 in the western Gotland Sea, significantly higher compared torecent years. This might have reduced the cyanobacteria abundance in 2020 in these areas. The euxinic conditions in the deep water of the Baltic proper continued to intensify in the year 2020. This determined the nutrient situation in the Baltic Deeps along the Thalweg. In the Bornholm Deep phosphate and nitrate concentrations still slightly declined. The Gotland, Landsort and Karlsö Deeps showed ongoing accumulation, with a maximum in the Gotland Deepof about 5 μmol/l phosphate and 20 μmol/l ammonium in 2020. A slight improvement was documented for the Fårö Deep that received some oxygenated water. So hydrogen sulphideconcentration and nutrient accumulation were reduced there. Under the prevailing euxinicconditions nitrate was depleted in deep waters. An exception was the Bornholm Deep, thatshowed an annual average of 0.9 ml/l oxygen and consequently a high annual average nitrateconcentration of 8 μmol/l. So, no ammonium could be detected and the phosphateconcentration was determined at 3 μmol/l, a quite normal value for oxic deep water.This report summarizes surface water concentrations and sediment contents for chlorinatedhydrocarbons (CHC) and polycyclic aromatic hydrocarbons (U.S. EPA PAH), as well as surface sediment contents for organotin substances (OT) which were determined during the Baltic Seamonitoring in January/February 2020.Seawater concentration gradients for the analysed contaminants ranging from the western BalticSea in the area of the Kiel Bight/Fehmarn Belt (ΣDDTsum: 5.72 pg/L, ΣPCBICES,SUM: 7.20 pg/L,HCBSUM: 4.90 pg/L, ΣPAKSUM: 4660 pg/L) to the eastern Gotland Sea (ΣDDTsum: 1.96 pg/L,ΣPCBICES,SUM: 1.22 pg/L, HCBSUM: 3.43 pg/L, ΣPAKSUM: 1344 pg/L) with noticeableconcentrations in the Pomeranian Bight (ΣDDTsum: 13.06 pg/L, ΣPCBICES,SUM: 5.15 pg/L,HCBSUM: 9.30 pg/L, ΣPAKSUM: 5626 pg/L). The data suggest that the Odra River is a source ofpollution in the Baltic Sea, especially for particulate contaminants. The highest CHC and PAHlevels in the surface sediment were detected for the Arkona Basin (ΣDDT: 90.7 ng/g TOC,ΣPCBICES: 9 1.3 n g/g T OC, H CB: 5 .0 n g/g T OC, ΣPAH: a bout 37000 ng/g TOC); while highestorganotin levels were detected in the Mecklenburg Bight (ΣOT: 275 ng/g TOC).The assessment of the data based on the EQS of the Water Framework Directive shows that aharmful effect on marine organisms must be expected from concentrations of the high molecularweight PAH benzo(b)fluoranthene for the Kiel Bight/Fehmarn Belt, eastern and western GotlandSea areas. Contents for anthracene in surface sediment exceeded the threshold value of theHELCOM indicator PAH at station N1 in the Fehmarn Belt. Surface sediment contents of tributyltinexceeded the threshold value of the HELCOM test indicator TBT and imposex at all sites studied.Time series data for surface water back to year 2001 show decreasing trends for concentrationsof PCBICES and DDT and its metabolites. No trends can be observed for surface sediment timeseries data within the studied time period.

Citation

Michael Naumann, Ulf Gräwe, Volker Mohrholz, Joachim Kuss, Marion Kanwischer, Helena Osterholz, Susanne Feistel, Ines Hand, Joanna J. Waniek, Detlef E. Schulz-Bull: Hydrographic-hydrochemical assessment of the Baltic Sea 2020. Meereswiss. Ber.,Warnemünde, 119 (2021), doi:10.12754/msr-2021-0119

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