Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

220

NITROGEN AND AOU: USEFUL TOOLS FOR SHORT-TERM PREDICTION 

OF END SUMMER HYPOXIC EVENT IN THE NORTH ADRIATIC SEA BOTTOM LAYER

M. Marini

1

, A. Russo

2

, R. Signell

3

, F. Grilli

1

, A. Campanelli

1

, A. Artegiani

1

*, D. Bigazzi

2

1

CNR – Institute of Marine Science (ISMAR), Ancona, Italy

2

University of Ancona, Dept. of Marine Science, Italy

3

SACLANT Undersea Research Centre, La Spezia, Italy

Abstract

During late summer 2002 three oceanographic cruises carried out in the North Adriatic Sea allowed analysis of a hypoxic event in the

bottom layer . Physical and chemical parameters (Nitrogen and AOU: apparent oxygen utilization) were studied to define an approach for

prediction of hypoxic events in the North Adriatic Sea. A 1D equation was formulated to predict the evolution of bottom dissolved oxygen

content. The utilized methodology is supported by the weak circulation in the bottom layer of the hypoxic area during the period.

Keywords: Chemical oceanography, dissolved oxygen, nitrogen, hypoxia, Adriatic Sea

The Adriatic is a continental basin of the Eastern Mediterranean

Sea, located between the Italian peninsula and the Balkans; it is

elongated in the SE-NW direction.

The northern sub-basin is vary shallow and gently sloping, with an

average bottom depth of about 35 m. River runoff is particularly

strong in this area and affects the circulation through buoyancy input

and the ecosystem by introducing large amounts of organic matter. Po

river, with an average annual discharge of 1500 m

3

s

-1

, accounts for

about 50 % of the total northern Adriatic river runoff (1).

The bottom water layer most frequently exposed to hypoxic events

(2) is often in?uenced by a cyclonic circulation gyre governed by the

Po plume, trapping its fresh waters at surface (3). Low current

velocities at the gyre centre, enhanced stratification (reducing vertical

mixing) and high turbidity (stopping sunlight in the first meters) due

to the fresh water, high production and sedimentation are some of the

factors that cause hypoxic events in this area (typically occurring

between Sept.-Nov.). 

Three oceanographic cruises were conducted in the northern

Adriatic Sea (more than 600 CTD casts) from 16 September to 16

October 2002 by the R/V G. Dallaporta and R/V Alliance. Both

utilized CTD probes were SBE 911plus, equipped with redundant T-

C sensors, SBE 43 dissolved oxygen (DO) and other ancillary sensors,

and coupled with SBE Carousel water samplers. Water samples were

collected to analyze nutrient salts (4) and DO with potentiometric

titration method (5) were used to verify the probe DO sensors.

The bottom layer currents were examined through the ROMS ocean

model, initialised by the CTD data and forced by the LAMI

meteorological model.

During the period of investigation, the hypoxic area increased on

the bottom layer (Fig. 1). In some stations dissolved oxygen reached

about 30 % of saturation.

Fig. 1. Bottom dissolved oxygen (expressed as % of saturation) distribu-

tion; sampling dates are reported within each map.

The average AOU:N(NO

2

+NO

3

) ratio obtained on 30 bottom

stations, in the hypoxic area, during the total period studied whose 35

±22, in agreement with Zavatarelli et al.(6) and Degobbis (7). High

standard deviation associated with this ratio re?ected the high

variability of the data and of the biological and physical processes

controlling the nutrient levels in the North Adriatic basin. Also the

linear correlation coefficient between the paired data used to compute

the ratio was calculated; the linear relationship are statistically

acceptable: p<0.01. 

The oxygen saturation values found on the bottom stations are used

to calculate a prediction equation of hypoxic event in the time in this

area. The daily consume found is: 0.7825%, the kinetics is:

O

2

%

sat

=O

2

% 

initial value

– 0.7825t

day

r=0.604; n=49 statistically acceptable at p< 0.01. It represents a good

tool to predict the temporal evolution of bottom hypoxic events at the

end of summer in stable weather conditions. Model simulations

demonstrated that the bottom layer of the hypoxic area was in?uenced

only by weak currents, and bottom waters inside the hypoxic area

were nearly stagnant. This fact justifies the stationary hypothesis

assumed for the equation. The observed AOU:Nitrogen ratio is normal

for this region hence supporting the general validity of this kinetics.

In conclusion this equation can be assumed generally valid during

conditions when cooling and mixing events are not sufficiently strong

to mix the entire water column.

References

1-Poulain P.M. & Raicich F., 2001. Forcing. Pp. 45-65. In: Cushman-

Rosin B. et al. (eds.), Physical Oceanography of the Adriatic Sea. Kluwer

Academic Publisher. Netherlands.

2-Justic D., 1991. An analysis of factors affecting oxygen depletion in the

northern Adriatic Sea. Acta Adriat.32 (2): 741-752.

3-Artegiani A., Gacic M., Michelato A., Kovacevic V., Russo A., Paschini

E., Scarazzato P. and Smircic A., 1993. The Adriatic Sea hydrography and

circulation in spring and autumn (1985-1987). Deep-Sea Res.II 40 (2):

1143-1180.

4-Strickland J.D.H. & Parsons T.R., 1972. A practical handbook of sea-

water analysis. Bull. Fish. Res.Bd. Can. 167:1-310.

5-Winkler L.W., 1888. Bestimmung des im Wasser gelosten Sauerstoffes.

Ber. Dt. Chem. Ges., 21: 2843-2855.

6-Zavatarelli M., Raicich F., Bregant D., Russo A. & Artegiani A.,1998.

Climatological biogeochemical characteristics of the Adriatic Sea. J. Mar.

Sys.18: 227-263.

7-Degobbis D., 1990. A stoichiometric model of nutrient cycling in the

northern Adriatic Sea and its relation to regeneration processes. Mar.

Chem. 29, 235–253.