Understanding the problems of inland waters: case study

Analysis and assessment of the current changes of the Caspian Sea climate 
S.K.Monakhov O.I. Kholina 
"Research Center of Southern Seas Ecology" Ltd. 
Key words: Caspian Sea, current climate change, analysis and assessment, methods and 
results 
Introduction 
Currently the 2nd Report on the State of the Caspian Sea environment is being prepared 
under the umbrella of the Interim Secretariat of the Tehran Convention. One of the Report 
sections will be devoted to the current changes of the Caspian Sea climate change.  In this 
respect, the publication of the relevant materials on the website of the Coordinating 
Committee on Hydrometeorology of the Caspian Sea (CASPCOM) is timely and can be used 
for the preparation of the 2nd Report. The objective of the report is to give an overview of 
the approach used in CASPCOM materials for the analysis and assessment of climate change, 
and to present some of the results obtained while implementing the approach. 
Materials and methods 
The materials for the analysis and assessment of the current climate change were based on 
annually updated CASPCOM data catalogues: catalogues of air and water temperature, 
surface runoff and sea level, most of which date back to 1961 (some of them even earlier). 
CASPCOM data catalogues include the data provided by hydrometeorological services of all 
the five Caspian littoral states.     
In the course of the analysis, the time series were smoothed by moving 30 year periods (1st 
derived series), then annual anomalies were calculated as a difference between the mean 
(monthly and/or annual) value of a parameter in the current year and for the previous 30 
years (2nd derived series).  The next step was to determine the annual increments as a 
difference between the following and the previous values (3rd derived series) and smoothing 
of this series by moving 30 year periods (4th derived series). To analyse the changes in the 
amplitude of annual anomalies and increments, them modulo series were used (5th and 6th 
derived series).  
All the derived series were visualized and approximated by linear and non-linear (polynomial) 
trends. The statistical validity of the linear trends was assessed by Student's and Fisher's 
methodologies using different significance levels (0.1; 0.05; 0.01). To assess annual anomalies 
and increments, it is important to calculate quartiles, which allows  subdividing  them into 
weak, moderate and strong.  Conducting comparative assessment of the growth rate of the 
climatic parameters can be implemented for n years, where n equals 0, 15, 20, 25, 30, 40, 
and 50 years  
Results and discussion 
According to CASPCOM data, the ongoing global warming has affected the Caspian Sea area, 
where the average air temperature for the past 30 years (1987 -  2006) has grown in 
comparison to the mean temperature for 1961-1990 from 9.9 to 10.7 
о
С in Astrakhan, from 
12.2 to 12.5 
о
С in Makhachkala and from 12.7 to 13.5 
о
С in Derbent.  In the first thirty-year 
intervals of the period under study, the average temperature fell slightly (by 0.1 -  0.2
о
С).  
Long-term positive linear trend of air temperature (an example is set by the graph made by 
observations 
data 
in 
Derbent) 
http://www.caspcom.com/files/climate/climate_en/Air_temperature/Derbent/1_air_temp.p
df
 is statistically valid, but the significance level is low (р=0.10).  
81

---

CASPCOM materials contain data on annual air temperature anomalies on the Caspian Sea 
coast starting from 1991. According to  CASPCOM data, air temperature anomaly was 
generally positive in all the years starting from mid 1990s.  In some years (1997, 2003, 2011) 
the  anomaly  was  close  to  zero  (weakly  positive  or  weakly  negative),  but  in  Derbent,  for 
instance, it was positive during all the years starting from 
1995.
http://www.caspcom.com/files/climate/climate_en/Air_temperature/Derbent/2_anom
alia.pdf
 We should also note positive air temperature anomaly during 2012-2016, though its 
value in these years was not so significant as in 2010.  
Smoothed by moving 30-year periods, the rate of air temperature increment is increasing. 
The  linear  trend  which  approximated  this  increase  is  statistically  valid  at  p=0.01  
http://www.caspcom.com/files/climate/climate_en/Air_temperature/Derbent/6_temp_30.p
df
 According to the data of Derbent HMS, the average rate of air temperature increment for 
the past 30 years amounted to 0.07
о
С.  An  obvious  fact  is  that  when the averaging period 
increases (up to the past 50 years) or reduces (to the past 10 years), the mean rate of air 
temperature increment decreases, and it is negative for the 5 past years (2012-2016) 
http://www.caspcom.com/files/climate/climate_en/Air_temperature/Derbent/7_temp_n.pd
f
It points to the deceleration of the Caspian Sea climate warming in the recent years. 
According to CASPCOM data, the Caspian Sea water temperature in 1961-2016 was rising as 
fast as the air temperature above the sea area (CASPCOM data catalogues include the data of 
coastal observations of the temperature of the sea water surface layer).  In particular, in 
Makhachkala area in 1986-2015, it measured on average 12.9
о
С, which is by 0.4
о
С more than 
the average for the period of 1961-1990. 
http://www.caspcom.com/files/climate/climate_en/Water_temperature/Makhachkala/1_w
ater_temp.pdf
  The positive linear trend is statistically valid at р=0.01 (by Student) and р=0.1 
(by Fisher). 
However the time series of water temperature anomalies is different from that of the air 
temperature. Stable positive anomalies of water temperature were observed only 
throughout 1997-2007; before and after this period positive anomalies alternated with 
negative ones. 
http://www.caspcom.com/files/climate/climate_en/Water_temperature/Makhachkala/1_w
ater_temp.pdf
 
Smoothed by moving 30-year periods, the rates of water temperature increment, despite the 
positive linear trend, are not so convincing as the rates of air temperature increase (which is 
confirmed by the statistical estimate).  Only the 30-year periods which fell in 1968-2009 
interval were characterized by positive water temperature increment rate. Before and after 
this period the increment rate varied from positive to negative and vice 
versa
http://www.caspcom.com/files/climate/climate_en/Water_temperature/Makhachkala/
6_temp_30.pdf
  
 According to the data of Makhachkala HMS, the average rate of sea water temperature 
increment for the past 30 years amounted to 0.06
о
С. Similarly to air temperature, when the 
averaging period increases (up to the past 50 years) or reduces (to the past 10 years), the 
mean rate of water temperature increment falls, and it is negative for the past 5 and 10 
years.
http://www.caspcom.com/files/climate/climate_en/Water_temperature/Makhachkala
/7_temp_n.pdf
 This fact points to the deceleration of the Caspian Sea climate warming in the 
recent years. 
Throughout 1961-2015, the curve of the Volga flow smoothed by moving 30-year periods 
points to its continuous growth and the following decrease, though the linear trend 
82

---