Oxygen Variability and Eddy-drivenMeridional Oxygen Supply in the TropicalNorth East Atlantic Oxygen Minimum Zone

Hahn, Johannes

The distribution of the mean oceanic oxygen concentration results from a balance between ventilation and consumption and, in particular, reveals extended oxygen minimum zones (OMZ) in the eastern tropical Pacific and Atlantic at intermediate depth (300m - 700m). It has been recently shown that OMZs expand in size and are subject to a significant oxygen decrease, where the OMZ in the Tropical North East Atlantic (TNEA) holds the most significant and largest oxygen trend. This study analyzes hydrographic and velocity data from shipboard and moored observations which were acquired along the 23°W section cutting meridionally through the TNEA OMZ, in order to (i) quantify regional differences in the oxygen variability, (ii) identify the role of two mixing processes (mesoscale stirring and diapycnal mixing) in the production of oxygen variance based on the extended Osborn-Cox model and (iii) estimate the role of mesoscale eddies in the meridional ventilation of the TNEA OMZ. Enhanced oxygen variability is found at the boundaries of the OMZ which is predominantly generated by mesoscale stirring along isopycnals and diapycnal mixing across isopycnals. South of the OMZ core (which is located at about 11°N), mesoscale stirring dominates the generation of oxygen variance, whereas above the OMZ core within the deep oxycline (located at about 300m depth) both processes, mesoscale stirring and diapycnal mixing, are found to be of similar importance. Meridional eddy fluxes of oxygen are estimated by using (i) a diffusive flux parameterization based on a lateral eddy diffusion coefficient and the mean isopycnal oxygen gradient, and (ii) a correlation method based on velocity and oxygen time series from moored observations. At the mooring positions 5°N, 23°W and 8°N, 23°W, the results of both methods are in good agreement in the depth range of the OMZ core, yielding a northward oxygen flux from the well-ventilated equatorial region toward the OMZ core. The divergence of the meridional oxygen flux, as obtained from the diffusive flux parameterization, yields an eddy-driven meridional oxygen supply from the south into the OMZ of about 2.4 μmol kg−1 yr−1 at its core depth. Above the OMZ core, mesoscale eddies act to redistribute low-oxygen and high-oxygen waters associated with latitudinally alternating westward and eastward currents. Locally, absolute values of the eddy-driven meridional oxygen supply are greater than 10 μmol kg−1 yr−1 which is likely balanced by mean zonal advection. Combining the above results with recent studies about oxygen consumption, diapycnal oxygen supply and oxygen tendency, a refined oxygen budget for the TNEA OMZ is derived. The eddy-driven meridional oxygen supply accounts for more than 50% of the supply required to balance the estimated oxygen consumption. The oxygen tendency in the TNEA OMZ, as given by the multidecadal oxygen decline, is at maximum slightly above the OMZ core and represents a substantial imbalance of the oxygen budget reaching up to 20% of the magnitude of the eddy-driven oxygen supply. Oxygen data from moored observations was acquired with optode oxygen sensors. To achieve a high quality of these measurements, an in situ calibration procedure is proposed which yields an average measurement error of 4.6 μmol kg−1 with 95% confidence (evaluated for water masses in the upper 1000m of the Tropical Atlantic in combination with onboard lab calibrations against zero oxygen). On the one hand, this calibration procedure yields calibration errors that are worse by roughly a factor of 2 in comparison to sophisticated laboratory calibrations, but on the other hand this simple method is not affected by severe sensor drifts that are frequently observed at some time before or after the field deployment. In case of profiling systems (shown here for a CTD/O2 cast), a time constant correction improves the quality of the measured oxygen profile which is of particular interest for the application in gliders or floats.

Die charakteristische Sauerstoffverteilung im Ozean resultiert aus einem Gleichgewicht zwischen Ventilation und Sauerstoffzehrung, was die Ausbildung von Sauerstoffminimumzonen (SMZ) auf intermediärer Tiefe (300m - 700m) im Tropischen Ost-Pazifik und Tropischen Ost-Atlantik zur Folge hat. Neue Studien belegen, dass sich SMZs sowohl in ihrer Größe ausdehnen als auch einer signifikanten Verringerung ihrer Sauerstoffkonzentration unterworfen sind, wobei die Sauerstoffminimumzone im Tropischen Nord-Ost Atlantik (TNOA) hierbei den stärksten Trend aufweist. In dieser Arbeit werden hydrographische Daten sowie Geschwindigkeitsmessungen aus Schiffs- und Verankerungsbeobachtungen analysiert, die entlang des 23°W Schnittes durch die SMZ des TNOA aufgezeichnet wurden. Ziel der Arbeit ist (i) die Quantifizierung regionaler Unterschiede der Sauerstoffvariabilität, (ii) die Identifikation von zwei Vermischungsprozessen (mesoskalige Verwirbelung und diapyknische Vermischung) in deren Einfluss auf die Erzeugung von Sauerstoffvarianz mit Hilfe des erweiterten Osborn- Cox-Modells und (iii) die Abschätzung des Beitrags mesoskaliger Wirbel zur meridionalen Ventilation der SMZ im TNOA. Es zeigt sich eine erhöhte Sauerstoffvariabilität an den Rändern der SMZ, welche in erster Linie durch mesoskalige Verwirbelung des mittleren Sauerstoffgradienten entlang von Isopyknen sowie durch diapyknische Vermischung des mittleren Sauerstoffgradienten über Isopyknen hinweg erzeugt wird. Südlich des Kerns der SMZ (welcher bei 11°N gelegen ist) wird der Hauptteil der Sauerstoffvarianz durch mesoskalige Verwirbelung erzeugt, wohingegen am oberen Rand der SMZ (welcher durch die tiefe Oxykline auf etwa 300m gegeben ist) beide Prozesse eine adäquate Bedeutung in der Erzeugung von Sauerstoffvarianz aufweisen. Die Abschätzung des wirbelgetriebenen meridionalen Sauerstoffflusses erfolgt durch (i) eine Diffusions-Parametrisierung, die über einen lateralen Austauschkoeffizienten und den mittleren isopyknischen Sauerstoffgradienten definiert ist und (ii) Korrelation von Geschwindigkeits- und Sauerstoffzeitserien aus Verankerungsbeobachtungen. Der Vergleich beider Methoden an den Verankerungspositionen 5°N, 23°W und 8°N, 23°W zeigt eine gute Übereinstimmung der berechneten Sauerstoffflüsse auf Tiefe des SMZ-Kerns. Hierbei wird ein nordwärts gerichteter Sauerstofffluss vom gut ventilierten äquatorialen Regime hin zum Kern der SMZ beobachtet. Aus der Divergenz des meridionalen Sauerstoffflusses, die sich mittels Diffusions-Parametrisierung bestimmen lässt, ergibt sich die meridionale Sauerstoffversorgung der SMZ durch mesoskalige Wirbel (auf der Tiefe des SMZ-Kerns) zu etwa 2.4 μmol kg−1 yr−1. Oberhalb des SMZ-Kerns führen mesoskalige Wirbel zu einer Umverteilung von sauerstoffarmem und sauerstoffreichem Wasser, welches von westwärtigen bzw. ostwärtigen Strömen transportiert wird. Dies führt lokal zu wirbelgetriebenen meridionalen Sauerstoffflüssen mit einem Absolutbetrag von etwa 10 μmol kg−1 yr−1, welche sehr wahrscheinlich durch die Zonalströmungen bilanziert werden. Auf Basis obiger Resultate und in Kombination mit den Ergebnissen anderer kürzlich veröffentlichter Studien über Sauerstoffzehrung, diapyknische Sauerstoffversorung bzw. den langjährigen Sauerstofftrend wird ein detaillierteres Sauerstoffbudget für die SMZ des TNOA abgeleitet. Es zeigt sich, dass mesoskalige Wirbel zu einer Sauerstoffversorgung der SMZ führen, die über 50% der Sauerstoffzehrung bilanziert. Prinzipiell bedeutet der substantielle Sauerstofftrend der SMZ ein unausgeglichenes Sauerstoffbudget, was betragsmäßig bis zu 20% der wirbelgetriebenen meridionalen Sauerstoffversorgung entspricht. Sauerstoffmessungen aus Verankerungsbeobachtungen wurden mittels Optoden aufgezeichnet. Um eine gute Genauigkeit der Messungen zu gewährleisten, wird eine Methode zur in situ Kalibration vorgeschlagen, womit sich ein mittlerer Kalibrationsfehler von 4.6 μmol kg−1 (95% Konfidenz) ergibt (basierend auf Kalibrierungen in Wasser aus den oberen 1000m des Tropischen Atlantiks in Kombination mit Labor-Kalibrierungen an Bord gegen Wasser mit 0% Sauerstoffsättigung). Einerseits zeigt die Methode einen etwa Faktor 2 größeren Fehler im Vergleich zu einer vollständigen Laborkalibration. Der entscheidende Vorteil ist jedoch deren simple Anwendung sowie die Vermeidung des Einflusses einer starken Sensordrift auf die Kalibration. Im Fall von profilierenden Systemen (hier am Beispiel eines CTD/O2 -Profils gezeigt) verbessert eine Zeitkonstantenkorrektur die Qualität des gemessenen Sauerstoffprofils, was insbesondere für die Anwendung in Glidern oder Floats von Interesse ist.

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Hahn, Johannes: Oxygen Variability and Eddy-drivenMeridional Oxygen Supply in the TropicalNorth East Atlantic Oxygen Minimum Zone. 2013.

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