Retroflections in the tropical Atlantic Ocean

Abstract

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 and Undercurrent system (NBC/NBUC). When the NBC crosses the equator the Coriolis force vanishes and it becomes unstable, therefore it retroflects forced by fluctuations in the easterly winds and associated zonal sea surface height (SSH) gradient . These changes are part of coupled ocean-atmosphere variations that cover a wide range of timescales. A total net transport of 20.6 Sv and 1.0 PW are effectively exported equatorward through the NBC/NBUC system as a result transfer pathways between tropical and subtropical gyres in the South Atlantic. Once at the equator, 11.4 Sv of South Atlantic waters retroflect from the NBC into the eastward Equatorial Undercurrent (EUC) at thermocline layer which join 2.8 Sv arriving from the northern hemisphere. The NBC-EUC retroflection takes place at different latitudinal bands between 3 degrees south and 12 degrees north. A boreal fall maximum is only present in the northernmost retroflection coinciding with the seasonal cycle of the North Equatorial Countercurrent (NECC). At interannual scales the EUC reflects a major increase in the contribution from the South Atlantic tropical waters during 2008-2016 as compared with 1997-2007. The NBC-EUC retroflection occurs within an area where changes in SSH anomalies respond to the two main modes of tropical Atlantic variability: the Meridional Mode and Equatorial Mode. During the development of both events the zonal SSH gradient is modified by the activation of the Rosbby wave (RW) reflected mechanism. Consequently, the zonal current system is altered. Concretely, during a positive Meridional Mode NECC, EUC and north South Equatorial Current (nSEC) intensify, or weaken during negative phase. The associated RW-reflected mechanism results to a Kelvin wave (KW) which reverses the equatorial zonal gradients developing an Equatorial Mode-like pattern. The ocean currents response is not than robust compared with the Meridional Mode. Concretely, the EUC displays a non-linear response probably as a result of external forcings and/or the intrinsic diversity of the Equatorial Mode. The diversity of Equatorial Mode has been studied by applying an empirical orthogonal function (EOF) analysis of a sample of 22 time series of warm Equatorial Mode (or Atlantic Niño) events. This technique reveals four different types of spatio-temporal distributions of SST anomalies (SSTA) in the equatorial Atlantic in the period 1982-2019. These four different types are preceded by different local and remote forcings (i.e: ENSO). Moreover, they are associated with different climatic response on areas in the surrounding continents: northeast region in South America and Western Africa.

Dos importants sistemes de circulació meridional conflueixen a l'Atlàntic tropical. La circulació meridional de l'Atlàntic (AMOC, per les seves sigles en anglès) i el sistema regional de cèl·lula subtropicals (STCs). Ambdues cèl·lules circulatòries interactuen en un complex sistema de corrents zonals governat pel patró de vents alisis. Les aigües de la termoclina que s'enfonsen als subtròpics per bombament d'Ekman retornen cap a l'equador mentre es troben amb la branca de retorn de la AMOC al marge occidental, concretament al sistema de la corrent Nord del Brasil (NBC/NBUC). Quan la NBC creua l'equador esdevé inestable per l'absència de Coriolis i dona lloc a un sistema de retroflexió forçat per canvis en els gradients zonals d'altura dinàmica del mar (SSH) associat a fluctuacions de vents dominants de l'est. Aquestes oscil·lacions formen part d¿un complex sistema acoblat entre la atmosfera i oceà que es presenta a diferents escales temporals. Un transport net de 20.6 Sv i 1.0 PW, com a resultat de la transferència entre el gir tropical i subtropical de l'Atlàntic Sud, arriba a l'equador a través del sistema NBC/NBUC. Un cop a l'equador, la retroflexió de la NBC alimenta amb 11.4 Sv d'aigües de l'Atlàntic Sud a la corrent equatorial situada a la capa de la termoclina (EUC) que es sumen a 2.8 Sv provinents de l'¿hemisferi nord. El transport de la retroflexió NBC-EUC es troba repartit en diferents bandes latitudinals entre 3 graus sud i 12 nord que presenten diferents patrons estacionals. Les aigües més septentrionals que tomben cap a l'est mostren un màxim a la tardor boreal que coincideix amb la formació de la contracorrent nord-equatorial (NECC). A escala interanual, el transport la EUC mostra un creixent transport entre el període 2008 al 2016 en comparació amb el període 1997-2007 que es manifesta bàsicament en un increment de les aigües de procedència tropical de l'Atlàntic Sud. La retroflexió de la NBC-EUC succeeix en una àrea on canvis en anomalies de SSH responen als dos modes principals de variabilitat climàtica interanual de l'Atlàntic tropical, el Mode Meridional i el Mode Equatorial. Durant el desenvolupament dels dos modes, el gradient zonal de SSH es veu modificat per l'activitat de la reflexió d'ones Rossby (RW) al marge occidental i en conseqüència el sistema de corrents zonal. Concretament, en situacions de Mode Meridional positiu, la NECC, la EUC i la branca nord de la corrent sud-equatorial (nSEC) s'intensifiquen mostrant una resposta contraria durant el mode negatiu. El sistema de reflexió RW es propaga cap a l'est en forma d'ona Kelvin provocant un canvi de signe en el gradient anòmal zonal de la SSH. El resultat és el desenvolupament d'una situació de mode equatorial del mateix signe. Tanmateix, durant el mode equatorial la resposta de les corrents zonals és menys clara, sobretot per la EUC al marge oriental, indicant la presència d'altres forçaments o la diversitat intrínseca del Mode Equatorial. Mitjançant la tècnica d'anàlisi de funcions ortogonals en mapes de temperatures anòmales de la superfície del mar (SSTA) en l'Atlàntic equatorial s'obté diferents tipus de Mode Equatorial positiu, conegut també com Atlàntic Niño. Concretament entre 1982 i 2019 se'n deriven quatre tipus d'Atlàntic Niño. Cada un d'aquests tipus presenta diferents precondicions que intervenen en el seu desenvolupament, com per exemple teleconnexions atmosfèriques provinents de situacions de Niño en el Pacífic. Addicionalment, els diferents tipus d'Atlàntic Niño estan associats a diferents respostes en el règim de precipitacions tant en el marge nord-est d'Amèrica del Sud com a l'Àfrica Occidental.