Understanding the problems of inland waters: case study

[9] Zhao, Y., Camberlin, P. and Richard, Y., 2005. Validation of a coupled GCM and projection of summer 
rainfall change over South Africa, using a statistical downscaling method. Climate research, 28(2), 
pp.109-122. 
[10]
 
https://www.meteo.unican.es 
70

---

Interannual variability of the Caspian Sea hydrometeorological parameters 
(the 1990
th
 – 2017) 
 
Ginzburg, A.I. & A.G. Kostianoy  
 
Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences, Moscow, 117997, Russia 
 
Keywords: Caspian Sea level, river discharge, sea surface temperature, atmospheric 
precipitation, air temperature 
 
Introduction  
The Caspian Sea is the largest enclosed water basin of the world. The changes in its natural 
state are determined to a large extent by climatic factors and characterized by considerable 
interannual variability. This long-term variability of the Caspian Sea regime, as well as need of 
control of an ecological condition of the sea  necessitates comprehensive monitoring of 
changes in its main parameters (sea level, sea surface temperature (SST), ice cover) as well as 
the determining factors (river discharge, air temperature, atmospheric precipitation, etc.). 
With a sharp decrease of  the number of ship-borne measurements  and the number of 
hydrometeorological stations on the Caspian Sea coast since the beginning of the 1990th, the 
known data systems using satellite measurements and modeling became a reliable source of 
regular information on various parameters of the Caspian Sea. In the present study, long-term 
dynamics of different hydrometeorological parameters of the Caspian Sea based on such data 
bases  and available instrumental measurements is  considered, namely, changes in sea level 
(1993-2017),  Volga river discharge  (1992-2016),  SST  (2003-2017),  surface air temperature 
(2003-2017), and atmospheric precipitation (2003-2017). Trends of the listed parameters for 
the indicated time intervals are compared with those obtained earlier (Kostianoy et al., 2014) 
for the period from the beginning of the 1980s to 2009-2012.  
 
Materials and methods  
- Data on the variability of the level of the Caspian Sea and Kara-Bogaz-Gol (KBG) Bay were 
obtained from the DAHITI (Database for Hydrological Time Series of Inland Waters) (
Schwatke 
et al., 2015).
 
- Data on annual discharge (km
3
) in the delta apex of the Volga river mouth are provided by 
L.P. Ostroumova (N.N. Zubov State Oceanographic Institute).  
- The Caspian Sea monthly SST time series are produced with the Giovanni online data system 
using measurements with Modis-Aqua radiometer.  These data are analyzed for the three 
regions of the Caspian Sea (Northern, Middle and Southern) and the KBG Bay separately.  
-  Time series of basin-averaged  monthly  surface air temperature and total atmospheric 
precipitation (mm/month) are taken also from the Giovanni online data system using MERRA-2 
Model.  
 
Results  
The variability of the  Caspian  Sea  level  (CSL)  according to the altimetry  data of the DANITI 
system was traced from September 28, 1992 to March 24, 2018. The performed comparison of 
these data with those obtained earlier using the software of the Geophysical Center of the 
Russian Academy of Sciences for the period 1993-2012 (Kostianoy et al., 2014) showed that, 
with the same character of the interannual variability, CSL values in the DAHITI system were 
overestimated by approximately 0.4 m. Average rate of the Caspian Sea level decrease during 
the 25-year period 1993-2017 has appeared to be about -5 cm/year. The highest rate of fall of 
71

---

the level of about 16 cm/s was observed in the period from 2010 to 2015. In 2016 and 2017, 
CSL practically was not changed. The character of the interannual variability of the KBG Bay 
level since 1996 (the completion of the refilling of the bay after the destroying the dam 
separating it from the sea) was the same as in the Caspian Sea.
 
The level of the KBG Bay was 
about 0.5 m lower than in the Caspian Sea.  
       Annual discharge of the Volga River, which accounts for 80%  of the river inflow to the 
Caspian Sea, during the period 1992-2016  corresponding to the period of altimetry 
observations of CSL changed within 68 km
3
 ranging from a maximum of 346 km
3
 in 1994 to a 
minimum of 178 km
3
 in 1996. The negative trend of the discharge in 24-year time interval was 
about -2.46 km
3
/year.  
      
The time series of the monthly mean SST have shown that warming of the Caspian Sea and 
the KBG Bay, on the average, occurred in 2003-2017. Positive SST trends during this 15-year 
period in the Northern, Middle, Southern Caspian Sea and the KBG Bay were about 0.05, 0.07, 
0.09 and 0.11 °C/year, respectively. 
      The trend of surface air temperature during the period 2003-2017 was found to be +0.04 
°C/year.  The lowest winter air  temperatures were observed in the  winters  2007-2008  and 
2011-2012, the highest winter temperature was related to the winter 2015-2016. The highest 
summer temperature was observed in 2010, the lowest one was in 2009. 
      The trend of atmospheric precipitation during the same period appeared to be about -0.22 
mm/month/year. Thus, precipitation over the Caspian Sea from 2003 to 2017 has dropped by 
about 10%. 
 
Discussion 
Over the 25-year period from January 1993 to December 2017, the average level of the 
Caspian Sea dropped at a rate of approximately 5 cm/year on the background of alternating 
periods of CSL rise and drop. This rate exceeds the value of -2.78 cm/year obtained for the 
period 1993-2012  (Kostianoy et al., 2014).  In  2013-2017,  CSL  changed within 1.3 m from  a 
maximum  of  about  -26.6 m BS in 1995 to a minimum of about -27.9 m in 2015-2017.  The 
character of the annual variability of CSL did not correspond to the interannual variability of 
the Volga  discharge, except for a period of sharp rise in the level and an increase in river 
discharge in 1993-1994. The sharp drop in the level of the Caspian Sea in 2010-2015 occurred 
with an alternating increase and a decrease in the Volga discharge in the range from 234 to 
184 km
3
. 
       During the period from 1992 to 2016, Volga discharge decreased by an average of 59 km
3
, 
which for a sea area of 371,000 km
2
 corresponded to a mean drop in the sea level of about 16 
cm.  The maximum discharge  of 346 km
3
  was observed in 1994, the minimum 178 km
3
 
corresponded to 1996.  
      The trend of the amount of precipitation from January 2003 to December 2017 (-0.22 
mm/month/year) turned out to be an order of magnitude greater than that determined earlier 
for the period 1979-2010 (-0.01 mm/month/year) (Kostianoy et al., 2014). The average amount 
of precipitation in 2003-2017 decreased by 38 mm/year.  
     Thus, both components of the incoming part of the water balance of the Caspian Sea during 
the period of CSL drop from 1994 to 2015 decreased. However, the proportion of precipitation 
in the water balance is much lower than that of the Volga  River. Therefore, significant 
decrease of precipitation in the last 15 years (and, in particular, in the period of 2010-2015), 
with a relatively small negative trend of the Volga's flow in this period, does not explain the 
sharp drop in CSL  in 2010-2015. Apparently, the main role here was played by increasing 
surface  evaporation  which is  the main component of the expenditure  part of the water 
balance. This assumption is supported by an increase in SST trend in the Middle and Southern 
Caspian Sea from 0.06 and 0.05 °C/year, respectively, in 1982-2009 up to 0.07 and 0.09 °C/year
 
72

---