Hydrographic-hydrochemical assessment of the Baltic Sea 2021

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

Abstract. The article summarizes the hydrographic-hydrochemical conditions in the western and central Baltic Sea in 2021. Based on the meteorological conditions, the horizontal and vertical distribution of temperature, salinity, oxygen/hydrogen sulphide and nutrients are described on a seasonal scale. After the record warm winter 2019/20 (cold sum 0 Kd) are a “cold sum” of 32.7 Kd recorded for wintertime 2020/21 at station Warnemünde. It is classified as a mild winter on 17th position of warm winters over the past 73 years (1948-2021). The summer “heat sum” of 284.7 Kd is far above the long-term average of 159.7 +/- 75.1 Kd and above the previous year 2020 of 234,3 Kd. In the course of the year 2021 no larger inflow events occurred, but the deepwater of the Arkona Basin and Bornholm Basin was ventilated by weak inflow events. The oxygen decline since the last Major Baltic Inflow (2014-2016) generally continued in the central Baltic Sea deep basins. However slight improvements in certain years occured, but didn't change the general bad situation and the trend. So the situation in the deep water of the Fårö Deep was a little better in 2020 with regard to present hydrogen sulphide and the western Gotland Sea (Landsort and Karlsö Deep) somehow better in 2021. However, in 2021 a pulse of oxygenated water brought some oxygen to the southern Gotland Sea in the halocline range that was distributed further North. The winter nutrient concentrations of phosphate and nitrate in surface water were clearly higher in 2021 as in a couple of previous years and moved further away from HELCOM target values that appeared within reach for nitrate in recent years. For the Gotland Sea the winter nutrient concentrations of surface water in January/February 2021 were within the range of recent years. Only for the Karlsö Deep a clearly higher nitrate concentration in surface water is documented for winter 2021 in surface water. In the deep water, a worsening of the situation of the major nutrients phosphate and ammonium occured in the year 2021 in agreement with the development of negative oxygen (hydrogen sulphide). Highest values for 2021 were determined for phosphate in the deep water of the Gotland Deep (5.4 μmol/l), Fårö Deep (4.4 μmol/l), and Karlsö Deep (4.0 μmol/l) since 2017. Nitrate was depleted in euxinic condition and ammonium accumulated to maxima in 2021 in the Bornholm Deep (4.0 μmol/l), Gotland Deep (22.8 μmol/l), Fårö Deep (12.2 μmol/l) and Landsort Deep (10.3 μmol/l) at least since 2017. The concentrations of particulate organic carbon (POC) and nitrogen (PON) were in surface waters notably increased in March and July induced by photosynthetic primary production. Especially at coastal and shallow stations like at Warnemünde, at the Darss Sill and Fehmarn Belt this signal was measured down to the mixed deep-water from March to July. The ratio of particular C/N were significant below the long-term means at the deep-water and surface layer, whereas POC concentrations were lowered only in surface waters. This report summarizes surface water concentrations determined during the Baltic Sea environmental monitoring in January/February 2021 for the chlorinated hydrocarbons (CHC) dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) and its metabolites, polychlorinated biphenyls (PCBICES) and hexachlorobenzene (HCB), as well as polycyclic aromatic hydrocarbons (U.S. EPA PAH). Seawater samples were collected in study areas from Kiel Bight to the Gotland Sea by transect sampling during the expedition EMB256. Concentrations ranging from 4.0 to 14.7 pg/L (median: 5.8 pg/L) were determined for DDT and its metabolite (ΣDDTsum); the highest concentration of 14.7 pg/L for the Pomeranian Bight. As in previous years, too, concentrations of the long-lived degradation product p,p'-DDE were higher as compared to p,p'-DDT. This implies that there are currently no significant new DDT inputs. Concentrations ranging from 2.4 to 7.5 pg/L (median: 2.8 pg/L) and from 5.1 to 8.1 pg/L (median: 5.6 pg/L) were detected for PCBs (ΣPCBICES,sum) and HCB (HCBsum). Highest concentrations were detected for the Pomeranian Bight. Surface water PAH concentrations (ΣPAHsum) ranged from 3665 pg/L to 6939 pg/L (median: 5414 pg/L). In contrast to the CHC, highest PAH concentrations were determined in the areas of the Central Baltic Sea to the Eastern Gotland Sea. The data obtained for the Pomeranian Bight point to the river Odra as a source of the studied pollutants, in particular for the particle bound ones (ΣDDTpart: 7 .2 p g/L, Σ PCBICES,part: 4.4 pg/L, HCBpart: 1.3 pg/L, ΣPAKpart: 1872 pg/L). Analysis of time series data show continuing decreasing trends for concentrations of PCBICES as well as DDT and its metabolites. The evaluation of the determined data on the basis of the environmental quality standards (EQS) of the Water Framework Directive shows that especially the concentrations of the high molecular PAH benzo(b)fluoranthene are of concern for the marine organisms, mainly in the areas from the Pomeranian Bight to the Gotland Sea. Here the annual average EQS values are exceeded.

Abstract. Die Arbeit beschreibt die hydrographisch-hydrochemischen Bedingungen in der westlichen und zentralen Ostsee im Jahr 2021. Basierend auf den meteorologischen Verhältnissen werden die horizontalen und vertikalen Verteilungsmuster von Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoff/ Schwefelwasserstoff und Nährstoffen mit saisonaler Auflösung dargestellt. Nach dem warmen Rekordwinter 2019/20 (Kältesumme 0 Kd) belegt der Winter 2020/21 mit einer Kältesumme von 32,7 Kd, gemessen in Warnemünde, den 17. Platz der wärmsten Winter der Datenreihe seit dem Jahr 1948. Die Wärmesumme des Sommers 2021 ist mit 284,7 Kd deutlich über dem Mittelwert von 159,7 +/- 75,1 Kd und über dem Vorjahr 2020 mit 234,3 Kd. Im gesamten Jahresverlauf 2021 blieben intensive Einstromereignisse aus. Kleinere Ereignisse sorgten für die Belüftung des Tiefenwassers im Gebiet des Arkona Beckens bis Bornholm Beckens. In den tiefen Becken schreitet die Sauerstoffabnahme seit dem letzten “Major Baltic Inflow” (2014-2016) grundsätzlich weiter voran. Es treten in einzelnen Jahren auch immer mal wieder kurzzeitige Verbesserungen auf, die aber weder die schlechte Situation noch den Trend entscheidend verändern. So war der Zustand des Fårötiefs in 2020 und die westliche Gotlandsee (Landsort- und Karlsötief) in 2021 bezüglich des vorhandenen Schwefelwasserstoffs etwas besser. Allerdings gab es auch einen Schub von sauerstoffhaltigem Wasser bis in die südliche Gotlandsee im Bereich der Haloklinen, der sich danach weiter nördlich ausbreitete. Die Winter-Nährstoffkonzentrationen von Phosphat und Nitrat im Oberflächenwasser waren deutlich höher als in den Jahren davor und entfernten sich von den HELCOM Zielwerten, die zumindest für Nitrat erreichbar schienen. In der Gotlandsee entsprachen die Werte für das Oberflächenwasser im Januar/Februar 2021 den Ergebnissen der vorigen Jahre. Nur für das Karlsötief war ein deutlich höherer Winternitratwert des Oberflächenwassers für 2021 dokumentiert. Im Tiefenwasser verschlechterte sich die Situation der Hauptnährstoffe Phosphat und Ammonium entsprechend zur Entwicklung von negativem Sauerstoff (Schwefelwasserstoff) weiter. Höchste Konzentrationen wurden in 2021 für Phosphat im Tiefenwasser des Gotlandtiefs (5,4 μmol/l), des Fårötiefs (4,4 μmol/l) und des Karlsötiefs (4,0 μmol/l) seit 2017 gemessen. Nitrat war bei den euxinischen Bedingungen verbraucht und Ammonium akkumulierte zu Maxima in 2021 im Bornholmtief (4,0 μmol/l), Gotlandtief (22,8 μmol/l), Fårötief (12,2 μmol/l) und im Landsorttief (10,3 μmol/l) mindestens seit 2017. Die Konzentrationen des partikulär gebundenen organischen Kohlenstoffs (POC) und Stickstoffs (PON) waren im Jahr 2021 im Oberflächenwasser besonders in März und Juli, induziert durch photosynthetische Primärproduktion, erhöht. Besonders an den sehr flachen Stationen vor Warnemünde, auf der Darßer Schwelle und im Fehmarn Belt war das Signal von März bis Juli bis in die unteren, durchmischten Wasserschichten sichtbar. Die partikulären C/N Verhältnisse lagen im Tiefen- und Oberflächenwasser signifikant unter den Langzeitmitteln, während nur die POC Konzentration an der Oberfläche unter dem Langzeitmittel blieb. In diesem Bericht sind die während des Ostsee-Umweltmonitorings im Januar/Februar 2021 ermittelten Oberflächenwasserkonzentrationen für die chlorierten Kohlenwasserstoffe (CKW) Dichlordiphenyltrichlorethan (o,p‘-DDT, p,p‘-DDT) und die Metabolite p,p‘-DDE und p,p‘-DDD, polychlorierte Biphenyle (PCBICES) und Hexachlorbenzol (HCB) sowie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (U.S. EPA PAH) zusammengefasst. Für die Summe von DDT und Metabolite (ΣDDTsum) wurden Konzentrationen von 4,0 - 14,7 pg/L (Median: 5.8 pg/L) ermittelt; die höchste Konzentration von 14,7 pg/L für die Pommersche Bucht. Wie auch in den vergangenen Jahren waren die Konzentrationen des langlebigen Abbauproduktes p,p‘-DDE höher im Vergleich zum p,p‘-DDT. Dies deutet darauf hin, dass aktuell keine wesentlichen neuen DDT-Einträge erfolgten. Für PCBICES und HCB wurden Konzentrationen von 2,4 - 7,5 pg/L (Median: 2,8 pg/L) für ΣPCBICES,SUM bzw. 5,1 - 8,1 pg/L (Median: 5,6 pg/L) für HCBSUM ermittelt. Auch hier wurden die jeweils höchsten Konzentrationen für die Pommersche Bucht nachgewiesen, d.h. 7,5 μg/L ΣPCBICES,SUM und 8,1 μg/L HCBSUM. Für die Belastung des Oberflächenwassers mit PAH (ΣPAHSUM) wurden Konzentrationen von 3665 pg/L - 6939 pg/L (Median: 5414 pg/L) detektiert. Im Gegensatz zu den CKW wurden für die PAH die höchsten Konzentrationen in den Untersuchungsgebieten Central Baltic Sea (6639 pg/L) und Eastern Gotland Sea (South: 6939 pg/L, North: 6000 pg/L) (Abb. 6) verzeichnet. Die für die Pommersche Bucht ermittelten Daten verweisen auf die Oder als Quelle für den Eintrag der hier untersuchten Schadstoffe, im Besonderen partikulär gebundener Schadstoffe (ΣDDTpart: 7,17 pg/L, ΣPCBICES,part: 4,36 pg/L, HCBpart: 1,27 pg/L, ΣPAHpart: 1873 pg/L). Die Zeitreihenanalysen der Oberflächenwasserdaten, zum Teil zurückliegend bis zum Jahr 2001, zeigen anhaltende abnehmende Trends der Konzentrationen für PCBICES sowie DDT und dessen Metabolite. Die Auswertung der ermittelten Daten anhand der Umweltqualitätsnormen (UQN) der Wasserrahmenrichtlinie zeigt, dass vor allem die Konzentrationen des hochmolekularen PAK Benzo(b)fluoranthen für Meeresorganismen besorgniserregend sein könnten, hauptsächlich in den Gebieten von der Pommerschen Bucht bis zur Gotlandsee. Hier wurden die Jahresdurchschnitts-UQN überschritten.

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