Oxygen measurement in the Labrador Sea : profiling oxygen floats as new observation method

Kihm, Christoph

The aim of this study was to analyze the annual cycle of dissolved oxygen (O2) in the central Labrador Sea on the basis of oxygen data observed by autonomous profiling floats during the period September 2003 and August 2006. The Labrador Sea in one of just a few regions where open-ocean deep winter convecion occurs reaching depths of 2000 m and more. The seasonal and interannual cycles of temperature, salinity, and oxygen are affected by physical and biological factors. The published separation of the seasonal freshwater pulse between March and September into two freshening periods as well as a slight increase of maximum sea surface temperature by 0.3°C to 0.8°C was confirmed. The seasonal oxygen cycle of the mixed layer is highly dynamic varying from moderate undersaturation during late winter to marked supersaturation in spring and early summer. The published climatological picture for oxygen was largely confirmed whereby the smoothing effect of the climatology becomes obvious. The mixed layer depth was determined using an O2 difference criterion of 5 mumol L-1 which seems to be a reasonable threshold for this region. Convective deepening of the mixed layer is associated with a strong increase of the upper ocean O2 inventory which was estimated at 8.3 to 15.1 mol O2 m-2. This inventory increase is correlated with the maximum depth of the winter mixed layer. Hence the increase found during winter 2003/2004 was largest at 15.1 mol O2 m-2. There is indication that the North Atlantic Oscillation (NAO index) affects the deep ventilation in the Labrador Sea as a correlation was found between the NAO index and the winter increase of the deep O2 inventory (710-1350 m) with a time lag of 1 year. Also, an increase of the maximum summer oxygen concentration by 17.4 mumol L-1 in surface waters was observed which is indicative of a stronger or more rapid primary production. The oxygen dataset was also used to estimate the air-sea gas transfer coefficient of oxygen as a function of wind speed. The results in general agree well with prominent published parameterizations. They fall, however, on the high end of the wind speed dependence. Best fits were found using cubic or even biquadratic functions which points at the strong importance of very high wind speed for air-sea gas exchange. Finally, the vertical flux of particulate organic matter (POC) was estimated by vertical integration of carbon remineralization rates. The latter were derived during the summer/fall period for the central Labrador Sea and the adjacent slope region from oxygen utilization rates in the mesopelagial. The data are indicative of more rapid remineralization in the slope region. The "b" parameter of the famous Martin curve for the vertical POC flux was estimated. The value for the central Labrador Sea agrees very well with more recently published values for the North Atlantic Bloom Experiment in the subpolar North Atlantic.

Die Zielsetzung dieser Arbeit war es, den Jahresgang von Sauerstoff (O2) in der zentralen Labradorsee mit Hilfe von Daten zu untersuchen, die von autonom profilierenden Tiefendriftern (Floats) über den Zeitraum September 2003 bis August 2006 gewonnen wurden. Die Labradorsee ist eine von wenigen Regionen, in denen Tiefenkonvektion stattfindet, die bis zu 2000 m und tiefer reichen kann. Die jahreszeitlichen und zwischenjährlichen Schwankungen in Temperatur, Salzgehalt und Sauerstoff werden von physikalischen und biologischen Faktoren bestimmt. Die in der Literatur dokumentierte Aufteilung des jährlichen Süßwasserpulses zwischen März und September in zwei Pulse sowie ein leichter Anstieg von 0.3°C bis 0.8°C der Oberflächentemperatur wurden bestätigt. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Arbeiten gut überein. Der O2-Jahresgang in der Deckschicht ist von hoher Dynamik geprägt und variiert zwischen erheblicher winterlicher Untersättigung und kräftiger frühsommerlicher Übersättigung. Das publizierte klimatologische Bild wurde weitgehend bestätigt, wobei der glättende Effekt der Klimatologie offenkundig ist. Die Deckschichttiefe wurde mit Hilfe eines O2-Differenzkriteriums von 5 mumol L-1 bestimmt, was ein angemessener Schwellenwert für diese Region zu sein scheint. Durch Konvektion bedingte Vertiefung der Deckschicht ist mit einer Zunahme des O2-Inventars von jährlich 8.3 bis 15.1 mol O2 m-2 verbunden. Hierbei korreliert die Inventarzunahme in etwa mit der maximalen winterlichen Konvektionstiefe und erreicht somit im Winter 2003/2004 den größten Wert von 15.1 mol O2 m-2. Es gibt Anzeichen dafür, dass die tiefe Ventilation in der Labrardorsee von der Nordatlantischen Oszillation (NAO-Index) beeinflusst wird. So wurde eine Korrelation zwischen dem NAO-Index und der winterlichen Zunahme des tiefen O2-Inventars (710-1350 m) mit einer Zeitverschiebung von einem Jahr gefunden. Ferner wurde ein Ansteig des O2-Konzentrationsmaximums im Sommer um 17.4 mumol L-1 beobachtet, welcher auf erhöhte oder schneller akkumulierende Primärproduktion hinweist. Die gewonnenen Sauerstoffdaten wurden außerdem genutzt, um den Gasaustauschkoeffizienten von Sauerstoff als Funktion der Windgeschwindigkeit zu bestimmen. Im Allgemeinen zeigten unsere Ergebnisse eine gute Übereinstimmung mit prominenten Parameterisierungen. Dabei liegen sie jedoch am oberen Ende der Windgeschwindigkeitsabhängigkeit. Die Daten konnten mit einer kubischen oder sogar biquadratischen Funktion am besten repräsentiert werden, was auf den überproportionalen Einfluss hoher Windgeschwindigkeiten zurückzuführen ist. Im letzten Teil der Arbeit wurde der Vertikalfluss von partikulärem organischen Kohlenstoff (POC) durch vertikale Integration der Kohlenstoffremineralisationsraten bestimmt. Letztere konnten aus den beobachteten sommerlichen Sauerstoffzehrungsraten im Mesopelagial der zentralen Labradorsee und angrenzenden Kontinentalhangregion gewonnen werden. Er gibt Hinweise auf eine raschere Remineralisation des organischen Materials in der Kontinentalhangregion. Es wurde der "b"-Parameter der prominenten Martin-Funktion für den vertikalen POC-Fluss ermittelt. Dieser stimmt für die zentrale Labradorsee hervorragend mit dem in der jüngeren Literatur angegebenen Wert für das North Atlantic Bloom Experiment im subpolaren Nordatlantiküberein.

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Kihm, Christoph: Oxygen measurement in the Labrador Sea : profiling oxygen floats as new observation method.

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