Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океанаИзвестия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана0002-3515The Russian Academy of Sciences1883010.31857/S0002-3515556157-170Research ArticleThe thermohaline structure of the North Atlantic waters in different phases of the Atlantic multidecadal oscillationDianskyN. A.nikolay.diansky@gmail.comBagatinskyV. A.nikolay.diansky@gmail.comLomonosov Moscow State UniversityMarchuk Institute of Numerical Mathematics of the RASZubov State Oceanographic Institute211220195561571702112201921122019Copyright © 2019, Russian academy of sciences2019<p>The meridional structure of climatic trends and anomalies of potential temperature and salinity in the North Atlantic waters in different periods of the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) in 19482017 are studied based on the EN4 and WOA2013 objective analyses data. An analysis of these different data sets allowed us to reveal almost identical patterns of variability of the thermohaline fields of the North Atlantic, which increases the reliability of the results. Long-term temperature and salinity trends simulated over the period 19482017 show that warming and salinization of water occur in the upper ~1 km layer of the North Atlantic. On the contrary, cooling and freshening of deep waters are observed, which is associated with the melting of the Greenland ice sheet, transport of fresher waters from the Arctic Ocean, and deepening of these cold and fresher waters into the deeper layers. Composite analysis of the zonally averaged temperature and salinity anomalies of the North Atlantic waters after removing the trends showed that in the warm AMO periods warming and salinization of waters are observed in the upper 1-km layer of the North Atlantic when compared to the cold periods based both on the EN4 and WOA2013 data. Below the 1-km layer, significant regions of cooling and freshening are observed; this distribution is more pronounced in the EN4 data. Analysis of the dynamics of zonally averaged temperature and salinity anomalies in the successive periods associated with the temporal variability of the AMO index revealed that these anomalies propagate along the zonally averaged meridional thermohaline circulation. To show this using the Institute of Numerical Mathematics Ocean Model (INMOM), the stream function of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) was simulated. It is shown that positive and negative anomalies of both temperature and salinity circulate along the water motion in the AMOC around its core, descending down into the deep ocean layers approximately at 60 N and ascending to the surface at 25 N, replacing each other with a period of about 60 years. It can be assumed that due to this process both the warm and cold phases of the AMO are formed.</p>Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO)North Atlanticthermohaline circulationclimateАтлантическая мультидекадная осцилляция (АМО)Северная Атлантикатермохалинная циркуляцияклимат[Schlesinger M. E. , Ramankutty N. An oscillation in the global climate system of period 65–70 years // Nature. 1994. V. 367. P. 723–726.][Kushnir Y. Interdecadal variations in North Atlantic sea surface temperature and associated atmospheric conditions // J. Clim. 1994. V. 7. P. 141–157.][Kerr R. A. A North Atlantic climate pacemaker for the centuries // Science. 2000. V. 288. P. 1984–1985.][Enfield D. B. , Mestas-Nunez A. M. , Trimble P. J. The Atlantic multidecadal oscillation and its relation to rainfall river flows in the continental U. S // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28. P. 2077–2080.][Knight J. R. , Folland C. K. , Scaife A. A. Climate impacts of the Atlantic multidecadal oscillation // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33. L17706.][Панин Г. Н. , Дианский Н. А. , Соломонова И. В. , Гусев А. В. , Выручалкина Т. Ю. Оценка климатических изменений в Арктике в XXI столетии на основе комбинированного прогностического сценария // Арктика: экология и экономика. 2017. Т. 2. № 26. С. 35–52.][Панин Г. Н. , Дианский Н. А. Колебания уровня Каспийского моря и климата Северной Атлантики // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 3. С. 304–316.][Панин Г. Н. , Соломонова И. В. , Выручалкина Т. Ю. Режим составляющих водного баланса Каспийского моря // Вод. ресурсы. 2014. Т. 41. № 5. С. 488–495.][Trenberth K. E. , Shea D. J. Atlantic hurricanes and natural variability in 2005 // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33. L12704.][Liu Z. Dynamics of interdecadal climate variability: A historical perspective // J. Clim. 2012. V. 25. P. 1963–1995.][Delworth T. , Manabe S. , Stouffer R. J. Interdecadal variations of the thermohaline circulation in a coupled atmosphere-ocean model // J. Clim. 1993. V. 6. P. 1993–2011.][Timmermann A. , Latif M. , Voss R. , Grotzner A. Northern hemispheric interdecadal variability: a coupled air-sea mode // J. Clim. 1998. V. 11. P. 1906–1931.][Knight J. , Allan R. , Folland C. et al. A signature of persistent natural thermohaline circulation cycles in observed climate // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. L20708.][Polonsky A. B. Interdecadal variability in the ocean-atmosphere system // Russian Meteorology and Hydrology. 1998. V. 5. P. 37–44.][Polonskii A. B. Atlantic multidecadal oscillation and its manifestations in the Atlantic-European region // Phys. Oceanogr. 2008. V. 18. № 4. P. 227–236.][Voskresenskaya E. N. , Polonskii A. B. Low-frequency variability of hydrometeorological fields and heat fluxes over the North Atlantic // Phys. Oceanogr. 2004. V. 14. № 4. P. 203–220.][Williams R. G. , Roussenov V. , Smith D. , Lozier M. S. Decadal Evolution of Ocean Thermal Anomalies in the North Atlantic: The Effects of Ekman, Overturning, and Horizontal Transport // Journal of Climate. 2014. V. 27. P. 698–719.][Wang C. , Dong S. , Munoz E. Seawater density variations in the North Atlantic and the Atlantic meridional overturning circulation // Clim. Dyn. 2010. V. 34. P. 953–968.][Volodin E. M. The nature of 60-year oscillations of the Arctic climate according to the data of the INM RAS climate model // Russ. J. Numer. Anal. Math. Modelling. 2018. V. 33. № 6. P. 1–9.][Volodin E. M. , Mortikov E. V. , Kostrykin S. V. et al. Simulation of modern climate with the new version of the INM RAS climate model // Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics. 2017. V. 53. № 2. P. 142–155.][Frankcombe L. M. , Dijkstra H. A. The role of Atlantic – Arctic exchange in North Atlantic multidecadal climate variability // Geophys Res Lett. 2011. V. 38. № 16. L16603.][Volodin E. M. The mechanism of multidecadal variability in the Arctic and North Atlantic in climate model INMCM4 // Environ. Res. Lett. 2013. V. 8. № 3. 035038.][Good S. A. , Martin M. J. , Rayner N. A. EN4: quality controlled ocean temperature and salinity profiles and monthly objective analyses with uncertainty estimates // J. Geophys. Res. Oceans. 2013. V. 118. P. 6704–6716.][Gouretski V. , Reseghetti F. On depth and temperature biases in bathythermograph data: development of a new correction scheme based on analysis of a global ocean database // Deep-Sea Research I. 2010. V. 57. P. 812–834.][Locarnini R. A. , Mishonov A. V. , Antonov J. I. et al. World Ocean Atlas 2013, Volume 1: Temperature // NOAA Atlas NESDIS. 2013. V. 73. P. 1–40.][Zweng M. M, Reagan J. R. , Antonov J. I. et al. World Ocean Atlas 2013, Volume 2: Salinity // NOAA Atlas NESDIS. 2013. V. 74. P. 1–39.][Lin P. , Yu Z. , Lu J. et al. Two regimes of Atlantic Multidecadal Oscillation: cross-basin dependent or Atlantic-intrinsic // Science Bulletin. 2019. V. 64. № 3. P. 198–204.][Atkinson C. P. , Rayner N. A. , Kennedy J. J. , Good S. A. An integrated database of ocean temperature and salinity observations // J. Geophys. Res. Oceans. 2014. V. 119. P. 7139–7163.][Ingleby B. , Huddleston M. Quality control of ocean temperature and salinity profiles – historical and real-time data // J. Mar. Syst. 2007. V. 65. P. 158–175.][Boyer T. P. , Antonov J. I. , Baranova O. K. et al. World Ocean Database 2009 // NOAA Atlas NESDIS. 2009. V. 66. P. 1–216.][Boyer T. P. , Antonov J. I. , Baranova O. K. et al. World Ocean Database 2013 // NOAA Atlas NESDIS. 2013. V. 72. P. 1–209.][McDougall T. J. , Barker P. M. Getting started with TEOS-10 and the Gibbs Seawater (GSW) Oceanographic Toolbox // SCOR/IAPSO WG127. 2011. P. 1–28.][Diansky N. A. , Sukhonos P. A. Multidecadal Variability of Hydro-Thermodynamic Characteristics and Heat Fluxes in North Atlantic // Physical and Mathematical Modeling of Earth and Environment Processes. 2018. P. 125–137.][Dima M. , Lohmann G. A. hemispheric mechanism for the Atlantic multidecadal oscillation // J. Clim. 2007. V. 20. P. 2706–2719.][Stocker T. F. , Qin D. , Plattner G. K. , Tignor M. , Allen S. K. , Boschung J. , Nauels A. , Xia Y. , Bex V. , Midgley P. M. (eds. ). IPCC: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge (UK) and New York (USA): Cambridge University Press. 2013. 1535 p.][Caesar L. , Rahmstorf S. , Robinson A. et al. Observed fingerprint of a weakening Atlantic Ocean overturning circulation // Nature. 2018. V. 556. P. 191–196.][Соколов В. А. , Соков А. В. , Грузинов В. М. О влиянии океана на потепление климата в Северном полушарии // Процессы в геосредах, 2018. Т. 1. № 14. С. 773–779.][Danabasoglu G. , Yeager S. G. , Bailey D. et al. North Atlantic simulations in Coordinated Ocean-ice Reference Experiments phase II (CORE-II). Part I: Mean states // Ocean Modelling. 2014. V. 73. P. 76–107.][Гусев А. В. , Дианский Н. А. Воспроизведение циркуляции Мирового океана и ее климатической изменчивости в 1948–2007 гг. с помощью модели INMOM // Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2014. Т. 50. № 1. С. 3–15.][Володин Е. М. , Гусев А. В. , Дианский Н. А. , Ибраев Р. А. , Ушаков К. В. Воспроизведение циркуляции мирового океана по сценарию CORE-II с помощью численных моделей // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2018. Т. 54. № 1. С. 97–111.][Лаппо С. С. О причинах адвекции тепла на север в Атлантическом океане // Исследование процессов взаимодействя океана и атмосферы. Москва: Гидрометеоиздат. 1984. С. 125–129.][Broecker W. S. The great ocean conveyor // Oceanography. 1991. V. 4. P. 79–89.][Дианский Н. А. Моделирование циркуляции океана и исследование его реакции на короткопериодные и долгопериодные атмосферные воздействия. Москва: Физматлит. 2013. 272 с.][Володин Е. М. , Дианский Н. А. Моделирование изменений климата в 20–22 столетиях с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 42. № 3. C. 291–306.][Володин Е. М. , Дианский Н. А. , Гусев А. В. Воспроизведение современного климата с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана INMCM4. 0 // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 4. С. 448–466.][Володин Е. М. , Дианский Н. А. , Гусев А. В. Воспроизведение и прогноз климатических изменений в 19–21 веках с помощью модели земной климатической системы ИВМ РАН // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49. № 4. C. 379–400.][Дианский Н. А. , Володин Е. М. Воспроизведение современного климата с помощью совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2002. Т. 38. № 6. С. 824–840.][Володин Е. М. , Дианский Н. А. Отклик совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана на увеличение содержания углекислого газа // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2003. Т. 39. № 2. С. 193–210.][Володин Е. М. , Дианский Н. А. Воспроизведение Эль-Ниньо в совместной модели общей циркуляции атмосферы и океана // Метеорология и гидрология. 2004. № 12. С. 5–14.][Taylor K. E. , Stouffer R. J. , Meehl G. A. An overview of CMIP5 and the experiment design // Bull. Am. Met. Soc. 2012. V. 93. P. 485–498.][Griffies S. M. , Biastoch A. , Boening C. et al. Coordinated Ocean-ice Reference Experiments (COREs) // Ocean Modelling. 2009. V. 26. P. 1–46.][Danabasoglu G. , Yeager S. G. , Kim W. M. et al. North Atlantic simulations in Coordinated Ocean-ice Reference Experiments phase II (CORE-II). Part II: Inter-annual to decadal variability // Ocean Modelling. 2016. V. 97. P. 65–90.][Демин Ю. Л. , Ибраев Р. А. , Саркисян А. С. Калибрация моделей циркуляции и воспроизведения климата Мирового океана // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1991. Т. 27. № 10. C. 1054–1067.]