http://doi.io-warnemuende.de/10.12754/msr-2023-0123-01
doi:10.12754/msr-2023-0123-01
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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 centralBaltic Sea in 2021. Based on the meteorological conditions, the horizontal and verticaldistribution of temperature, salinity, oxygen/hydrogen sulphide and nutrients are described ona seasonal scale.After the record warm winter 2019/20 (cold sum 0 Kd) are a “cold sum” of 32.7 Kd recorded forwintertime 2020/21 at station Warnemünde. It is classified as a mild winter on 17th position ofwarm winters over the past 73 years (1948-2021). The summer “heat sum” of 284.7 Kd is farabove 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 ArkonaBasin and Bornholm Basin was ventilated by weak inflow events.The oxygen decline since the last Major Baltic Inflow (2014-2016) generally continued in thecentral Baltic Sea deep basins. However slight improvements in certain years occured, but didn'tchange the general bad situation and the trend. So the situation in the deep water of the FåröDeep was a little better in 2020 with regard to present hydrogen sulphide and the westernGotland Sea (Landsort and Karlsö Deep) somehow better in 2021. However, in 2021 a pulse ofoxygenated water brought some oxygen to the southern Gotland Sea in the halocline range thatwas distributed further North.The winter nutrient concentrations of phosphate and nitrate in surface water were clearly higherin 2021 as in a couple of previous years and moved further away from HELCOM target values thatappeared within reach for nitrate in recent years. For the Gotland Sea the winter nutrientconcentrations 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 forwinter 2021 in surface water.In the deep water, a worsening of the situation of the major nutrients phosphate and ammoniumoccured in the year 2021 in agreement with the development of negative oxygen (hydrogensulphide). Highest values for 2021 were determined for phosphate in the deep water of theGotland 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 theBornholm Deep (4.0 μmol/l), Gotland Deep (22.8 μmol/l), Fårö Deep (12.2 μmol/l) and LandsortDeep (10.3 μmol/l) at least since 2017.The concentrations of particulate organic carbon (POC) and nitrogen (PON) were in surface watersnotably increased in March and July induced by photosynthetic primary production. Especially atcoastal and shallow stations like at Warnemünde, at the Darss Sill and Fehmarn Belt this signalwas measured down to the mixed deep-water from March to July. The ratio of particular C/N weresignificant below the long-term means at the deep-water and surface layer, whereas POCconcentrations were lowered only in surface waters.This report summarizes surface water concentrations determined during the Baltic Seaenvironmental 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 transectsampling during the expedition EMB256.Concentrations ranging from 4.0 to 14.7 pg/L (median: 5.8 pg/L) were determined for DDT and itsmetabolite (ΣDDTsum); the highest concentration of 14.7 pg/L for the Pomeranian Bight. As inprevious years, too, concentrations of the long-lived degradation product p,p'-DDE were higheras 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 weredetected 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 ofthe 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 studiedpollutants, 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 aswell 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 molecularPAH benzo(b)fluoranthene are of concern for the marine organisms, mainly in the areas from thePomeranian Bight to the Gotland Sea. Here the annual average EQS values are exceeded.

Abstract. Die Arbeit beschreibt die hydrographisch-hydrochemischen Bedingungen in der westlichen undzentralen Ostsee im Jahr 2021. Basierend auf den meteorologischen Verhältnissen werden diehorizontalen 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 einerKältesumme von 32,7 Kd, gemessen in Warnemünde, den 17. Platz der wärmsten Winter derDatenreihe seit dem Jahr 1948. Die Wärmesumme des Sommers 2021 ist mit 284,7 Kd deutlichüber 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 Ereignissesorgten für die Belüftung des Tiefenwassers im Gebiet des Arkona Beckens bis BornholmBeckens.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 wiederkurzzeitige Verbesserungen auf, die aber weder die schlechte Situation noch den Trendentscheidend verändern. So war der Zustand des Fårötiefs in 2020 und die westliche Gotlandsee(Landsort- und Karlsötief) in 2021 bezüglich des vorhandenen Schwefelwasserstoffs etwasbesser. Allerdings gab es auch einen Schub von sauerstoffhaltigem Wasser bis in die südlicheGotlandsee im Bereich der Haloklinen, der sich danach weiter nördlich ausbreitete.Die Winter-Nährstoffkonzentrationen von Phosphat und Nitrat im Oberflächenwasser warendeutlich höher als in den Jahren davor und entfernten sich von den HELCOM Zielwerten, diezumindest für Nitrat erreichbar schienen. In der Gotlandsee entsprachen die Werte für dasOberflächenwasser im Januar/Februar 2021 den Ergebnissen der vorigen Jahre. Nur für dasKarlsötief war ein deutlich höherer Winternitratwert des Oberflächenwassers für 2021dokumentiert.Im Tiefenwasser verschlechterte sich die Situation der Hauptnährstoffe Phosphat undAmmonium 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 zuMaxima 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 durchphotosynthetische Primärproduktion, erhöht. Besonders an den sehr flachen Stationen vorWarnemünde, auf der Darßer Schwelle und im Fehmarn Belt war das Signal von März bis Juli bisin die unteren, durchmischten Wasserschichten sichtbar. Die partikulären C/N Verhältnisselagen im Tiefen- und Oberflächenwasser signifikant unter den Langzeitmitteln, während nur diePOC Konzentration an der Oberfläche unter dem Langzeitmittel blieb.In diesem Bericht sind die während des Ostsee-Umweltmonitorings im Januar/Februar 2021ermittelten 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 aromatischeKohlenwasserstoffe (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 höchsteKonzentration von 14,7 pg/L für die Pommersche Bucht. Wie auch in den vergangenen Jahrenwaren die Konzentrationen des langlebigen Abbauproduktes p,p‘-DDE höher im Vergleich zump,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,SUMbzw. 5,1 - 8,1 pg/L (Median: 5,6 pg/L) für HCBSUM ermittelt. Auch hier wurden die jeweils höchstenKonzentrationen für die Pommersche Bucht nachgewiesen, d.h. 7,5 μg/L ΣPCBICES,SUM und 8,1 μg/LHCBSUM. Für die Belastung des Oberflächenwassers mit PAH (ΣPAHSUM) wurden Konzentrationenvon 3665 pg/L - 6939 pg/L (Median: 5414 pg/L) detektiert. Im Gegensatz zu den CKW wurden fürdie 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 Eintragder 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 dessenMetabolite.Die Auswertung der ermittelten Daten anhand der Umweltqualitätsnormen (UQN) derWasserrahmenrichtlinie zeigt, dass vor allem die Konzentrationen des hochmolekularen PAKBenzo(b)fluoranthen für Meeresorganismen besorgniserregend sein könnten, hauptsächlich inden Gebieten von der Pommerschen Bucht bis zur Gotlandsee. Hier wurden dieJahresdurchschnitts-UQN überschritten.

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