Memoria de tesis doctoral presentada por Ignasi Berenguer Vallès Casanova para obtener el título de Doctor en Ciències del Mar por la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), realizada bajo la dirección del Dr. Josep Lluís Pelegrí del Institut de Ciències del Mar (ICM-CSIC).-- 143 pages, figures, appendix, [EN] In the tropical Atlantic, the upper ocean circulation is the area of confluence of two major vertical cells: the large-scale overturning Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) and the regional relatively shallow Subtropical Cells (STCs). Both meridional cells interact in a complex system of zonal currents driven by fluctuations of the trade winds. The thermocline waters that subduct in the subtropical South Atlantic join the northward AMOC limb in the western boundary North Brazil Current (NBC). When the NBC crosses the equator it retroflects forced by fluctuations in the easterly winds. These changes in the wind field are part of coupled ocean-atmosphere variations that span across the entire Atlantic and cover a wide range of timescales. The present thesis aims at describing the NBC retroflection in the equatorial band and improving our current knowledge on the upper-ocean circulation in the tropical Atlantic and its interaction with the climate variability.
The NBC system carries warm and highly saline waters from the subtropical gyre to the tropics, for a total of 38.5 Sv and 2.0 PW, in what represents the main AMOC cross-equatorial pathway. This subtropical-tropical transfer accounts for water-mass and heat contributions coming from the eastern subtropical boundary (14.9 Sv, 0.82 PW) and the interior subtropical gyre (7.4 Sv, 0.28 PW). As an opposite path, shallow tropical waters transfer 1.4 Sv and 0.14 PW to the subtropics. Adding interior pathways and tropical recirculation transports, a total of 20.6 Sv and 1.0 PW are effectively exported northward through 5°S.
As the NBC crosses the equator, 11.4±1.3 Sv of South Atlantic waters retroflect into the eastward Equatorial Undercurrent (EUC) at 32°W, which join 2.8±0.4 Sv arriving from the northern hemisphere. The NBC-EUC retroflection takes place at different latitudinal bands. Most of the waters turn eastward south of 3°N (7.2±0.6 Sv) but a substantial amount does so north of this latitude (5.1±0.4 Sv). The variability of the EUC transport at 32°W is characterized by principal spring and secondary fall monthly-mean maximum, with the fall maximum only present in the northern retroflection. At interannual scales the EUC transport shows a weak yet significant correlation with the Atlantic Niño index, and reflects a major increase in the contribution from the South Atlantic tropical waters during 2008-2016 as compared with 1997-2007.
The NBC retroflection occurs within an area where changes in Sea Surface Height (SSH) anomalies (SSHA) respond to the two main modes of Tropical Atlantic Variability (TAV): the Meridional Mode (MM) and Equatorial Mode (EM). During the development of warm (cold) MM events, all North Equatorial Countercurrent (NECC), EUC and north South Equatorial Current (nSEC) intensify (weaken). Conversely, during the decaying phase, anomalous wind curl north of the equator, triggers a downwelling (upwelling) Rossby wave that propagates westward and is reflected at the South American coast. The resultant downwelling (upwelling) Kelvin wave reverses the equatorial zonal gradients in boreal summer, weakening (strengthening) both equatorial nSE and EUC. The activation of the RW-reflected mechanisms shifts the zonal SSHA, enhancing (weakeking) the nSEC and favoring the termination of the EM event. Remarkably, the EUC displays a non-linear response probably as a result of external forcings and/or the intrinsic diversity of the EM. The development of warm EM is accompanied by an anomalous reduction (intensification) of equatorial nSEC and NECC during boreal spring.
The diversity of EM has been studied by applying an empirical orthogonal function (EOF) analysis of a sample of 22 time series of warm EM events (referred as Atlantic Niño). This technique reveals four different types of spatio-temporal distributions of SST anomalies (SSTA) in the equatorial Atlantic in the period 1982-2019. Early-terminanting and persistent categories are associated with different dissipation times for the Atlantic Niño. While early-onset and late-onset refers to the diverse Atlantic Niño timings found in the sample. These four different types of Atlantic Niño are associated with different climatic response on the surrounding continents. Interestingly, early-terminating, persistent and early-onset Atlantic Niño seem to be preceded by local (i.e: MM) and remote (i.e: ENSO) forcings in boreal spring. While, late-onset Atlantic Niño is more related with internal variability, [CAT] La circulació oceànica a les capes superiors de l’Atlàntic tropical es caracteritza per la confluència de dos importants sistemes de circulació meridional: la circulació meridional de gran escala de l’Atlàntic (AMOC, per les seves sigles en anglès) i el sistemes regionals de cèl·lules subtropicals (STCs). Ambdues cèl·lules circulatòries interactuen en un complex sistema de corrents zonals governat pel patró de vents alisis. Les aigües que convergeixen al subtròpic de l’Atlàntic Sud per bombament d’Ekman es situen a la termoclina i retornen cap a l’equador, juntament amb la branca de retorn de la AMOC. Les dos aigües conflueixen al marge occidental constituint el sistema de corrents nord del Brasil (NBUC/NBC). Quan la NBC creua l’equador esdevé inestable per l’absència de Coriolis i es sotmesa als gradients d’altura de la superfície del mar (SSH) associats amb el sistema de vents de component est. Part de la NBC es desenganxa del talús per alimentar les diferents corrents zonals esdevenint un important sistema de retroflexió. La variabilitat d’aquesta retroflexió està per tant lligada a les oscil·lacions del camp de vent predominant i les modificacions associades dels gradients de SSH. Aquestes fluctuacions formen part d’un complex sistema acoblat entre l’atmosfera i l’oceà que es presenta a diferents escales temporals i espacials. L’objectiu d’aquesta tesi és descriure el sistema de retroflexió a la banda equatorial i millorar el nostre coneixement sobre la interacció entre aquest sistema de corrents de les capes superficials i termoclina amb diferents modes de variabilitat climàtica.
El sistema NBC/NBUC transporta un total de 38.5 Sv i 2.0 PW d’aigües relativament salines del gir subtropical de l’Atlàntic Sud que representen el principal camí de retorn de la AMOC. Aquesta transferència subtropical-tropical conté aigües del marge meridional (14.9 Sv, 0.82 PW) i aigües interiors de la conca subtropical (7.4 Sv, 0.28 PW). Per altra banda, aigües de capes superficials provinents del gir tropical es traspassen al gir subtropical amb un total de 1.4 Sv i 0.14 PW. Tenint en compte aquest traspàs, i la recirculació tropical, el resultat es un transport net en direcció nord de 20.6 Sv i 1.0 PW a 5°S. Un cop la NBC creua l’equador 11.4 ± 1.3 Sv de l’Atlàntic Sud alimenten la corrent equatorial situada a la capa de la termoclina (EUC) a 32°W. Aquestes aigües es sumen als 2.8 ± 0.4 Sv provinents de l’hemisferi nord. La retroflexió NBC-EUC es dona lloc a diferents bandes latitudinals al voltant de l’equador. La majoria d’aigües giren en direcció est per sota els 3°N (7.2 ± 0.6 Sv) però una important contribució es dona lloc més al nord (5.1 ± 0.4 Sv). La variabilitat de la EUC a 32°W està caracteritzada per dos màxims a la primavera i tardor boreal. Però el màxim de tardor només es troba present en les aigües del gir més septentrional. A escala interanual, el transport de la EUC mostra una correlació negativa dèbil però significativa amb l’índex de l’Atlàntic Niño i curiosament presenta una tendència positiva entre el període 2008 al 2016 en comparació amb el període 1997-2007.
La retroflexió de la NBC es dona lloc en una àrea on canvis anòmals en l’altura de la superfície del mar (SSHA) responen als dos modes principals de variabilitat climàtica interanual de l’Atlàntic tropical (TAV): el mode meridional (MM) i el mode equatorial (EM), aquest últim conegut també com Atlantic Niño/Niña. Durant el desenvolupament d’un episodi positiu (negatiu) de MM la contracorrent nord equatorial (NECC), EUC i la branca nord de la corrent sud-equatorial (nSEC) s’intensifiquen (es debiliten). Contràriament, durant el decaïment del MM el mecanisme de reflexió d’ona Rossby (RW) al marge occidental esdevé en ona Kelvin que es propaga cap a l’est al llarg de l’equador. Quan arriba al marge oriental de l’Atlàntic tropical la situació es reverteix desenvolupant una zona de convergència o divergència respectivament que equivaldria a EM positiu (negatiu). Tant la corrent superficial nSEC com la NECC es debiliten en situacions de EM positiu, contràriament la EUC no mostra una resposta linear indicant possibles forçaments externs o una alta diversitat dels episodis de EM.
En aquest sentit la diversitat d’episodis positius de EM, anomenats també Atlantic Niño, han estat estudiats aplicant anàlisi de funcions ortogonals en una sèrie temporal de 22 casos. Els resultats mostren quatre tipus de distribució en l’espai-temps d’anomalies de temperatura superficial del mar (SSTA) a l’Atlàntic equatorial. La classificació és en funció del temps en que apareixen i la seva extensió temporal i espacial. Cada un d’aquest quatre tipus d’Atlàntic Niño està associat a una resposta climàtica a les zones continentals del nord-est d’Amèrica del Sud i l’Àfrica Occidental. Curiosament, tres dels quatre tipus s’expliquen per les condicions prèvies locals (i.e: MM) i remotes (i.e: ENSO) durant la primavera anterior, The development of this thesis have been funded by:
• FPI contract BES2015-071314 as part of VADERETRO project. Ministerio de Economia y Competitividad
• VADERETRO. Western boundary retroflections. Ref.: CTM2014-56987-P. Ministerio de Economia y Competitividad.
• Pati Científic. Development of a citizen monitoring program for the Barcelona coastal waters, www.paticientific.org. Ref. 19S01645-006. Institut de cultura de Barcelona. Ajuntament de Barcelona.
• SAGA. South Atlantic Gate-Away. Ref.: RTI2018-100844-B-C33. Ministerio de Economia y Competitividad.
• CLIMATE-COVID19. Ref.: PIM-E-202030E222, Peer reviewed