The North Atlantic thermohaline circulation simulated by the GISS climate model during 1970–99

Abstract

Evidence based on numerical simulations is presented for a strong correlation between the North Atlantic Oscillation (NAO) and the North Atlantic overturning circulation. Using an ensemble of numerical experiments with a coupled ocean‐atmosphere model including both natural and anthropogenic forcings, it is shown that the weakening of the thermohaline circulation (THC) could be delayed in response to a sustained upward trend in the NAO, which was observed over the last three decades of the twentieth century, 1970–99. Overall warming and enhanced horizontal transports of heat from the tropics to the subpolar North Atlantic overwhelm the NAO‐induced cooling of the upper ocean layers due to enhanced fluxes of latent and sensible heat, so that the net effect of warmed surface ocean temperatures acts to increase the vertical stability of the ocean column. However, the strong westerly winds cause increased evaporation from the ocean surface, which leads to a reduced fresh water flux over the western part of the North Atlantic. Horizontal poleward transport of salinity anomalies from the tropical Atlantic is the major contributor to the increasing salinities in the sinking regions of the North Atlantic. The effect of positive salinity anomalies on surface ocean density overrides the opposing effect of enhanced warming of the ocean surface, which causes an increase in surface density in the Labrador Sea and in the ocean area south of Greenland. The increased density of the upper ocean layer leads to deeper convection in the Labrador Sea and in the western North Atlantic. With a lag of four years, the meridional overturning circulation of the North Atlantic shows strengthening as it adjusts to positive density anomalies and enhanced vertical mixing. During the positive NAO trend, the salinity‐driven density instability in the upper ocean, due to both increased northward ocean transports of salinity and decreased atmospheric freshwater fluxes, results in a strengthening overturning circulation in the North Atlantic when the surface atmospheric temperature increases by 0.3°C and the ocean surface temperature warms by 0.5° to 1°C.

Résumé

[Traduit par la rédaction] Nous présentons des preuves basées sur des simulations numériques d'une forte corrélation entre l'oscillation nord‐atlantique (ONA) et la circulation de renversement dans l'Atlantique Nord. Au moyen d'un ensemble d'expériences numériques avec un modèle couplé océan‐atmosphère qui inclut à la fois les forçages naturel et anthropique, nous montrons que l'affaiblissement de la circulation thermohaline pourrait être retardé par suite d'une tendance à la hausse soutenue dans l'ONA, tendance qui a été observée au cours des trois dernières décennies du vingtième siècle, soit la période 1970–1999. Le réchauffement général et l'augmentation des transports horizontaux de chaleur des tropiques vers l'Atlantique Nord subpolaire font plus que compenser le refroidissement causé par l'ONA des couches supérieures de l'océan à cause de l'augmentation des flux de chaleur latente et sensible, de sorte que l'effet net des températures plus élevées de la surface de l'océan fait augmenter la stabilité verticale de la colonne océanique. Cependant, les forts vents d'ouest entraînent une évaporation accrue à la surface de l'océan, ce qui mène à un flux d'eau douce réduit dans la partie ouest de l'Atlantique Nord. Le transport horizontal vers le pôle des anomalies de salinité à partir de l'Atlantique tropical est le principal contributeur de l'accroissement de salinité dans les régions de plongée d'eau de l'Atlantique Nord. L'effet des anomalies positives de salinité sur la densité de la surface océanique annule l'effet opposé du réchauffement accru de la surface océanique, ce qui entraîne un accroissement de la densité à la surface dans la mer du Labrador et dans la région de l'océan au sud du Groenland. La densité accrue des couches supérieures de l'océan occasionne une convection plus profonde dans la mer du Labrador et dans l'ouest de l'Atlantique Nord. Avec un retard de quatre ans, la circulation de renversement méridienne dans l'Atlantique Nord se renforce en réponse aux anomalies de densité positives et au mélange vertical accru. Durant la tendance positive de l'ONA, l'instabilité de densité (liée à la salinité) dans la couche supérieure de l'océan, qui résulte à la fois de l'augmentation des transports océaniques de salinité vers le nord et de la diminution des flux d'eau douce atmosphériques, entraîne un renforcement de la circulation de retournement dans l'Atlantique Nord quand la température atmosphérique à la surface augmente de 0,3 Ĉ et que la température de surface de l'océan s'élève de 0,5 à 1,0 ^Ĉ.

Notes

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