The framework of this dissertation work relies heavily on the water mass transformation theory (WMT). The theory conceptualizes the explicit relationship between mechanical and thermodynamic processes on water masses, and subsequently, on ocean circulation due to surface fluxes, advective transport, and diffusive mixing. Through high-resolution model and reanalyses data, computation of WMT budgets were made possible to study the physical drivers of water mass variability using ocean and climate models. More specifically, I have applied WMT to study: 1) the interannual variability of Weddell-Sea-derived Antarctic Bottom Water; 2) the transformation of North Atlantic Subtropical Mode Water due to eddy-induced lateral mixing in the near surface; and 3) the physical drivers behind the latest marine heatwave (MHW) that occurred in the Gulf of Mexico in summer 2023. The study in Chapter 1 investigates the variability of WMT within the Weddell Gyre (WG). The WG serves as a pivotal site for the meridional overturning circulation (MOC) and ocean ventilation because it is the primary origin of the largest volume of water mass in the global ocean, Antarctic Bottom Water (AABW). Recent mooring data suggest substantial seasonal and interannual variability of AABW properties exiting the WG, and studies have linked the variability to the large-scale climate forcings affecting wind stress in the WG region. However, the specific thermodynamic mechanisms that link variability in surface forcings to variability in water mass transformations and AABW export remain unclear. This study explores how current state of the art data-assimilating ocean reanalyses can help fill the gaps in our understanding of the thermodynamic drivers of AABW variability in the WG via WMT volume budgets derived from Walin’s classic WMT framework. The three ocean reanalyses used are: Estimating the Circulation and Climate of the Ocean state estimate (ECCOv4), Southern Ocean State Estimate (SOSE) and Simple Ocean Data Assimilation (SODA). From the model outputs, we diagnose a closed form of the water mass budget for AABW that explicitly accounts for transport across the WG boundary, surface forcing, interior mixing, and numerical mixing. We examine the annual mean climatology of the WMT budget terms, the seasonal climatology, and finally the interannual variability. Our finding suggests that the relatively coarse resolution of these models did not realistically capture AABW formation, export and variability. In ECCO and SOSE, we see strong interannual variability in AABW volume budget. In SOSE, we find an accelerating loss of AABW during 2005-2010, driven largely by interior mixing and changes in surface salt fluxes. ECCO shows a similar trend during a 4-yr time period starting in late 2007, but also reveals such trends to be part of interannual variability over a much longer time period. Overall, ECCO provides the most useful timeseries for understanding the processes and mechanisms that drive WMT and export variability in the WG. SODA, in contrast, displays unphysically large variability in AABW volume, which we attribute to its data assimilation scheme. We also examine correlations between the WMT budgets and large-scale climate indices, including ENSO and SAM, and find no strong relationships. The goal of Chapter 2 was to gain novel insight to the mechanisms and thermodynamics of North Atlantic Subtropical Mode Water (NASTMW) creation, destruction and transformation in the North Atlantic through the lens of two high-resolution ocean models. This mode water is found throughout the northwestern part of the subtropical gyre, and its formation area is south of the Gulf Stream Extension. Though studies have looked at the variability of NASTMW, the mechanisms for their variations have not been fully explored. Thanks to the eddy-resolving nature of the two datasets from CESM and CM2.6 control runs, and the water mass transformation framework, we were able to quantify the contributions of NASTMW transformations due to surface eddies in the mixed layer of the North Atlantic. Using these models, we confirm previous findings that air-sea fluxes are the main cause of the formation and destruction of surface water masses over the whole basin. We find that in both models, the haline component of lateral mixing at the surface in the Gulf Stream region is a driver of mode water transformation. Chapter 3 aims to understand the mechanisms of the activation and evolution of the marine heatwave (MHW) that occurred in the Gulf of Mexico (GOM) during summer 2023. We quantified contributions of the thermodynamic processes that transformed surface waters in the GOM into an unprecedented large volume of extremely warm water (> 31.8). Through water mass transforma- tion analysis of reanalyses data, we find that the genesis of this MHW was due to the compounding effect of anomalously warm winter surface water priming the region for a MHW, coupled with greater exposure to strong solar radiation. Transformation due to total surface fluxes (sensible and latent heat, solar and longwave radiation) contributed to the MHW volume at a peak rate of 17.7 Sv (106 m3 s−1 = Sv), while mixing countered the effect by 14.6 Sv at its peak. Total transformation during this 2023 MHW peaked at 4.9 Sv.

The Gascoyne continental shelf is located along the north-central coastline of Western Australia between latitudes 21° and 28°S. This study presents CTD and ADCP data together with concurrent wind and satellite imagery, to provide a description of the summer surface circulation pattern along the continental margin, and the hydrography present in the upper 1km of ocean, between latitudes 21° and 35°S. It also discusses the outcome of a numerical modelling study that examined the physical factors contributing to a bifurcation event persistently observed in satellite imagery at Point Cloates. The region comprises a complex system of four surface water types and current systems. The Leeuwin Current dominated the surface flow, transporting lower salinity, warmer water poleward along the shelf-break, and causing downwelling. Its signature ‘aged’ from a warm (24.7°C), lower salinity (34.6) water in the north to a cooler (21.9°C), more saline (35.2) water in the south, as a result of 2-4Sv geostrophic inflow of offshore waters. The structure and strength of the current altered with changing bottom topographies. The Ningaloo Current flowed along the northernmost inner coast of the Gascoyne shelf, carrying upwelled water and re-circulated Leeuwin Current water from the south. Bifurcation of the Ningaloo Current was seen south of the coastal promontory at Point Cloates. Numerical modelling demonstrated a combination of southerly winds and coastal and bottom topography off Point Cloates to be responsible for the recirculation, and indicated that the strength of southerly winds affect recirculation. Hypersaline Shark Bay outflow influenced shelf waters at the Bay’s mouth and to the south of the Bay. The Capes Current, a wind-driven current from south of the study region was identified as a cooler, more saline water mass flowing northward. Results of the hydrography study show five different water masses present in the upper-ocean. Their orientations were affected by the geopotential gradient driven Leeuwin Current/Undercurrent system at the continental margin. The Leeuwin Undercurrent was found at the shelf-slope, carrying (>252 μM/L) Subantarctic Mode Water at a depth of 400m

During the last 21,000 years, the planet underwent major changes. The atmospheric CO2 concentration increased ∼50% (Monnin et al., 2001) and the mean global temperature increased 4.0±0.8°C until pre-industrial times (Annan and Hargreaves, 2013). As a consequence of this warming, the huge ice sheets that covered North America, Northern Europe and part of Eurasia melted and the polar and subpolar ocean surface received a large amount of freshwater from these retracting ice sheets. The input of freshwater alters pressure gradients on the sea surface and also the density of water masses. Since the ocean circulation is partially driven by density differences, the deglacial meltwater has the potential to affect the ocean circulation. In this PhD thesis, the impacts of meltwater input since the Last Glacial Maximum into the high latitudes, especially of the Atlantic Ocean, are studied using the results of a transient simulation of the last 22 thousand years with NCAR-CCSM3. The main results show that: (1) the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) slowed down during freshwater discharge events near dense water formation regions; (2) North Atlantic Deep Water (NADW) was absent in the beginning of the deglaciation, while its intermediate version -- Glacial North Atlantic Intermediate Water (GNAIW) -- was being formed; (3) GNAIW was a fresh and cold water mass, very similar to the Antarctic Intermediate Water (AAIW) in the thermohaline domain; (4) the deep and abyssal Atlantic basin was dominated by AABW in the first half of the simulation; (5) the transition from GNAIW to NADW occurred after the Heinrich Stadial 1; (6) when the NADW appeared, around 12 thousand years ago (ka), AABW retracted and was constrained to lie near the bottom; (7) the presence of a low-salinity layer in the Southern Ocean surface around ∼14,000 years ago prevented the release of heat from deep waters to the atmosphere, warming the AABW; (8) the Antarctic Coastal Current (ACoC) was reinforced by the meltwater discharge from the Antarctic ice sheet. Using the Indian Ocean as a comparison, it was observed that the North Atlantic affected the western tropical Indian through atmosphere, while climatic variations associated with the Southern Hemisphere were transmitted via ocean -- especially through intermediate waters. Although the initial conditions in the glacial and modern ocean are different, this study may be used to foresee the possible responses of the ocean to the accelerated melting of glaciers and ice sheets, which are associated with dramatic climate changes. / Durante os últimos 21.000 anos, o planeta sofreu grandes mudanças. A concentração de CO2 atmosférico aumentou cerca de ∼50% (Monnin et al., 2001) e a temperatura média global aumentou 4,0±0,8°C até a época pré industrial (Annan and Hargreaves, 2013). Como consequência deste aquecimento, os grandes mantos de gelo que cobriam a América do Norte, o norte da Europa e parte da Eurásia derreteram e o oceano polar e subpolar recebeu grandes quantidades de água doce destes mantos em retração. A entrada de água doce altera gradientes de pressão na superfície do mar e também a densidade de massas de água. Como a circulação oceânica é parcialmente forçada por diferenças de densidade, a água de degelo tem o potencial de afetar esta circulação. Nesta tese de Doutorado, os impactos da entrada de água de degelo no oceano desde o Último Máximo Glacial em altas latitudes, especialmente do Oceano Atlântico, são estudados usando os resultados de uma simulação transiente dos últimos 22 mil anos com o modelo NCAR-CCSM3. Os principais resultados mostram que: (1) a circulação de revolvimento meridional do Atlântico enfraqueceu durante eventos de descarga de água doce próxima a regiões de formação de água densa; (2) a Água Profunda do Atlântico Norte (APAN) estava ausente no começo da deglaciação, enquanto sua versão intermediária -- Água Glacial Intermediária do Atlântico Norte (AGIAN) -- era formada; (3) AGIAN era uma massa d\'água doce e fria, semelhante à Água Intermediária Antártica (AIA) no domínio termohalino; (4) as camadas profundas e de fundo da bacia do Atlântico eram dominadas pela Água de Fundo Antártica (AFA) na primeira metade da simulação; (5) a transição de AGIAN para APAN ocorreu após o Heinrich Stadial 1; (6) quando a APAN apareceu, cerca de 12 mil anos atrás (ka), a AFA retraiu e ficou limitada às camadas de fundo; (7) a presença de uma camada de baixa salinidade na superfície do Oceano Austral há ∼14 mil anos impedia a liberação de calor das águas profundas para a atmosfera, aquecendo a AFA; (8) a Corrente Costeira Antártica foi intensificada pela descarga de água de degelo proveniente do manto de gelo Antártico. Usando o Oceano Índico como comparação, foi observado que o Atlântico Norte afetou o Índico oeste tropical através de processos atmosféricos, enquanto variações climáticas associadas ao Hemisfério Sul foram transmitidas via oceano -- especialmente através das camadas intermediárias. Embora as condições iniciais dos oceanos glacial e moderno sejam diferentes, este estudo pode ser usado para prever as possíveis respostas do oceano ao presente derretimento acelerado de geleiras e mantos de gelo associado a mudanças climáticas abruptas.

Na década de 90 surge a primeira tentativa de gerar dados capazes de legitimar um modelo climático mundial detalhado: O Experimento de Circulação Oceânica Global (World Ocean Circulation Experiment - WOCE) Dentro dos diversos subprogramas inseridos no WOCE destaca-se o programa Hidrográfico (WHP). A JAMSTEC (Japan Marine Science and Tecnology Center), após cerca de uma década volta a reocupar algumas estações do WHP-WOCE, com o programa BEAGLE (Blue Earth Global Expedition), tendo como proposta detectar e quantificar alterações correspondentes ao aquecimento global. A I Comissão Oceanográfica Trans-Atlântica (TAI 2009) também constituiu um projeto de reocupação da seção A10, linha central do Oceano Atlântico Sul (~30?S), previamente amostrada pelo WHP-WOCE e BEAGLE, tendo como objetivo identificar alterações espaciais e temporais dos parâmetros oceanográficos nas últimas duas décadas. Considerando os valores de temperatura e salinidade foi evidenciada a presença de pelo menos, cinco massas d\'água: i) Água Tropical de Superfície (ATS) acima da isopícnal ?0= 26,70 ii) Água Central do Atlântico Sul (ACAS) abaixo da isopícnal ?1= 27,05 iii) Água Intermediária Antártica (AIA) abaixo da isopícnal ?2= 27,20 (iv) Água Profunda do Atlântico Norte (APAN) abaixo da isopícnal ?3= 27,70 v) Água Antártica de Fundo (AAF). Nas camadas superficiais dos três programas, notou-se uma proporcionalidade inversa entre as concentrações de nutrientes e oxigênio dissolvido. O Programa TAI ao longo de todo o transecto A10, apresentou as menores concentrações de nutrientes abaixo dos 1000 dbar. O WHP-WOCE foi mais aquecido que os outros programas nas camadas superficiais. Nas profundidades acima da termoclina (~1000 dbar), na bacia leste o Programa BEAGLE apresentou diferenciações que sugerem uma atividade mais intensa de ressurgência, para seu ano de amostragem do que nos anos dos Programas WHP-WOCE e TAI. Porém baseado nos resultados do Programa TAI, na extremidade leste da Bacia do Atlântico Sul, pode-se inferir que há afloramento da Água Central do Atlântico Sul (ACAS), provinda de aproximadamente 900 dbar de profundidade, sobre a Plataforma Continental Sul Africana. / In the 90s comes the first attempt of generate data able to legitimize a comprehensive global climate model: The Wolrd Ocean Circulation Experiment (WOCE). Within various subprograms inserted into the WOCE, highlight the WOCE Hydrographic Program (WHP). The JAMSTEC (Japan Marine Science and Technology Center), after about a decade back to reoccupy some stations of WOCE-WHP, with a program called BEAGLE (Blue Earth Global Expedition), proposing to detect and quantify changes related to global warming. The 1st Trans-Atlantic Oceanographic Commission (TAI 2009) was also created as a project of A10 section reoccupation, aiming to identify spatial and temporal changes in oceanographic parameters after two decades WOCE-WHP and BEAGLE sampling. The A10 section, represents the axis of South Atlantic Ocean (~ 30?S). Considering the values of temperature and salinity the presence of at least five water masses can be inferred: i) Surface Tropical Water (ATS) above isopícnal ?0 = 26.70, ii) South Atlantic Central Water (ACAS) below the isopícnal ?1 = 27.05 iii) Antarctic Intermediate Water (AIA) below the isopícnal ?2 = 27.20, (iv) North Atlantic Deep Water (APAN) below the isopícnal ?3 = 27.70, v) Antarctic Bottom Water (AAF). On the superficial layers of the three programs, it was noted an inverse proportionality between the concentrations of nutrients and dissolved oxygen. The TAI program, throughout the A10 transect, showed the lowest concentrations of nutrients below 1000 dbar. The warmer in the superficial layers was WOCE-WHP. On the layers above the thermocline (~ 1000 dbar), the BEAGLE Program around East Basin, showed some anomalies that suggest its sampling happened during some more intense upwelling activity, for its year than in years of WHP- WOCE and TAI programs. But based on the results of the TAI Program, at the east end of the South Atlantic Basin, it\'s possible to infer that there is upwelling of South Atlantic Central Water (ACAS), coming from about 900 dbar depth on the South African continental shelf.

O Oceano Atlântico Sul tem grande importância no equilíbrio climático global devido ao seu papel na circulação termohalina e no transporte de calor entre os oceanos. Este oceano foi intensamente pesquisado no Programa WOCE, com o transecto A09 (20°S) realizado em 1991, revisitado em 2009 junto ao Programa Trans-Atlântico I, quando foi realizado o subprojeto Traçadores químicos e mudanças globais no Atlântico Sul. Neste último, foram obtidos dados hidrológicos (temperatura e salinidade) e hidroquímicos (oxigênio dissolvido, silicato, fosfato e nitrato). Considerando também, as informações do WOCE (1991) foi possível reconhecer as massas d\'água da região: ATS, ACAS, AIA, APAN e AFA, utilizando parâmetros hidrológicos clássicos e traçadores químicos. O Programa TA-I apresentou algumas diferenças na distribuição dos parâmetros químicos, devidas ao período sazonal de amostragem (WOCE no verão 1991 e TA-I na primavera, 2009) e a consequente influência no padrão de circulação, como também, processos biogeoquímicos predominantes no período. As diferenças observadas foram acompanhadas em perfis verticais de estações com posicionamento quase coincidentes, confirmando as variações, sobretudo entre 500 e 1500 dbar, e maior grau de coincidência dos perfis até 500 dbar. A ressurgência na costa da Namíbia foi caracterizada pela presença de águas ricas em nutrientes, mais frias e ligeiramente menos salinas e pela formação de camada de mínimo de oxigênio acentuada. É importante observar que as diferenças apresentadas não descartam a possível interferência de variações climáticas globais que podem estar atuando no Atlântico Sul. / The South Atlantic Ocean is fundamental in the global climate balance, as well as its role in the thermohaline circulation and in the heat transport between oceans. The transect A09 (20°S) was studied in the WOCE Program in 1991 and revisited in 2009 by the Trans-Atlantic I (TA-I), in the subproject Traçadores químicos e mudanças globais no Atlântico Sul, which gathered hydrological (temperature and salinity) and hidrochemical parameters (dissolved oxygen, silicate, phosphate and nitrate) Combined with the WOCE data, it was possible to identify the water masses behaviors in this region: TW, SACW, AAIW, NADW and AABW, due to the use of the classic parameters and chemical tracers. The TA-I Program showed few differences in the chemical parameters, because of the seasonal period of the cruise (WOCE at the 1991\'s summer, and TA-I at the 2009\'s spring), the influence of the circulation pattern, and also the main biogeochemical processes. The variations observed in the vertical profiles in almost coincident stations, confirmed variations mainly between 500 and 1500 dbar. The largest similarity of the profiles was until 500 dbar. The Namibia coast upwelling was characterized by the presence of nutrients enriched, colder, slightly less saline waters, and by a remarkable oxygen minimum zone. It is important to note that the presented differences do not discard a possible interference of global climate variations that might be acting in the South Atlantic Ocean.

Na década de 90 surge a primeira tentativa de gerar dados capazes de legitimar um modelo climático mundial detalhado: O Experimento de Circulação Oceânica Global (World Ocean Circulation Experiment - WOCE) Dentro dos diversos subprogramas inseridos no WOCE destaca-se o programa Hidrográfico (WHP). A JAMSTEC (Japan Marine Science and Tecnology Center), após cerca de uma década volta a reocupar algumas estações do WHP-WOCE, com o programa BEAGLE (Blue Earth Global Expedition), tendo como proposta detectar e quantificar alterações correspondentes ao aquecimento global. A I Comissão Oceanográfica Trans-Atlântica (TAI 2009) também constituiu um projeto de reocupação da seção A10, linha central do Oceano Atlântico Sul (~30?S), previamente amostrada pelo WHP-WOCE e BEAGLE, tendo como objetivo identificar alterações espaciais e temporais dos parâmetros oceanográficos nas últimas duas décadas. Considerando os valores de temperatura e salinidade foi evidenciada a presença de pelo menos, cinco massas d\'água: i) Água Tropical de Superfície (ATS) acima da isopícnal ?0= 26,70 ii) Água Central do Atlântico Sul (ACAS) abaixo da isopícnal ?1= 27,05 iii) Água Intermediária Antártica (AIA) abaixo da isopícnal ?2= 27,20 (iv) Água Profunda do Atlântico Norte (APAN) abaixo da isopícnal ?3= 27,70 v) Água Antártica de Fundo (AAF). Nas camadas superficiais dos três programas, notou-se uma proporcionalidade inversa entre as concentrações de nutrientes e oxigênio dissolvido. O Programa TAI ao longo de todo o transecto A10, apresentou as menores concentrações de nutrientes abaixo dos 1000 dbar. O WHP-WOCE foi mais aquecido que os outros programas nas camadas superficiais. Nas profundidades acima da termoclina (~1000 dbar), na bacia leste o Programa BEAGLE apresentou diferenciações que sugerem uma atividade mais intensa de ressurgência, para seu ano de amostragem do que nos anos dos Programas WHP-WOCE e TAI. Porém baseado nos resultados do Programa TAI, na extremidade leste da Bacia do Atlântico Sul, pode-se inferir que há afloramento da Água Central do Atlântico Sul (ACAS), provinda de aproximadamente 900 dbar de profundidade, sobre a Plataforma Continental Sul Africana. / In the 90s comes the first attempt of generate data able to legitimize a comprehensive global climate model: The Wolrd Ocean Circulation Experiment (WOCE). Within various subprograms inserted into the WOCE, highlight the WOCE Hydrographic Program (WHP). The JAMSTEC (Japan Marine Science and Technology Center), after about a decade back to reoccupy some stations of WOCE-WHP, with a program called BEAGLE (Blue Earth Global Expedition), proposing to detect and quantify changes related to global warming. The 1st Trans-Atlantic Oceanographic Commission (TAI 2009) was also created as a project of A10 section reoccupation, aiming to identify spatial and temporal changes in oceanographic parameters after two decades WOCE-WHP and BEAGLE sampling. The A10 section, represents the axis of South Atlantic Ocean (~ 30?S). Considering the values of temperature and salinity the presence of at least five water masses can be inferred: i) Surface Tropical Water (ATS) above isopícnal ?0 = 26.70, ii) South Atlantic Central Water (ACAS) below the isopícnal ?1 = 27.05 iii) Antarctic Intermediate Water (AIA) below the isopícnal ?2 = 27.20, (iv) North Atlantic Deep Water (APAN) below the isopícnal ?3 = 27.70, v) Antarctic Bottom Water (AAF). On the superficial layers of the three programs, it was noted an inverse proportionality between the concentrations of nutrients and dissolved oxygen. The TAI program, throughout the A10 transect, showed the lowest concentrations of nutrients below 1000 dbar. The warmer in the superficial layers was WOCE-WHP. On the layers above the thermocline (~ 1000 dbar), the BEAGLE Program around East Basin, showed some anomalies that suggest its sampling happened during some more intense upwelling activity, for its year than in years of WHP- WOCE and TAI programs. But based on the results of the TAI Program, at the east end of the South Atlantic Basin, it\'s possible to infer that there is upwelling of South Atlantic Central Water (ACAS), coming from about 900 dbar depth on the South African continental shelf.

O avanço da tecnologia computacional e a sofisticação da modelagem numérica nos últimos anos tornou possível a realização de diversas simulações do clima terrestre. Essas simulações buscam reproduzir a dinâmica e a variabilidade do clima global, e consequentemente prever o clima futuro. Dentro do sistema climático, o oceano é o compartimento responsável por manter estabilidade do clima. Processos oceânicos como a formação e distribuição de massas de água têm um papel chave no armazenamento e redistribuição de energia pelo sistema. Mudanças nesses fenômenos podem implicar em variações drásticas do clima atual. Considerando isso, o presente trabalho visa descrever a estrutura espaço-temporal das massas de água do Oceano Atlântico Sul e do Oceano Austral. Para isso foram utilizados dados de modelos climáticos que foram utilizados na elaboração do 4° Relatório de Avaliação do Painel Intergovernamental para as Mudanças Climáticas. Os modelos são: ECHAM5/MPI-OM, IPSL-CM4-V1, MIROC3.2 e GFDL CM2.1. Dentre as diversas simulações são comparados os experimentos para o século XX (20c3m) e o experimento que assume a concentração de CO2 aumentando a uma taxa de 1% ao ano até o valor inicial duplicar (1pctto2x). Os resultados mostraram um aumento da temperatura da Água Intermediaria Antártica (AIA) e da Água Profunda Circumpolar (CDW). As densidades delas diminuíram significativamente tanto no cenário 20c3m quanto no 1pctto2x. A Água de Fundo Antártica (AFA) sofreu um resfriamento e passou a ocupar níveis mais profundos em ambos os cenários. As variações registradas no 1pctto2x foram mais intensas do que aquelas observadas no experimento 20c3m. Já variabilidade temporal das massas de água foram bastante divergentes entre os quatro modelos. / The development and sophistication of numerical models in recent years has allowed to perform many climate system\'s simulations. Such simulations aim to reproduce the dynamics and variability of the climate and consequently predict future climate and possible climate changes. Oceanic processes such as formation and distribution of water masses have an important role in understanding the oceans as a reservoir of salt, dissolved gases and heat. Considering that changes in such processes may have great impact in global and regional climate this work aims to describe spatial and temporal variability of water masses in the South Atlantic Ocean and Southern Ocean. Data from the numerical simulations used for the preparation of the Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report (4AR/IPCC) were used. Four climate models were chosen: ECHAM5/MPI-OM, IPSL-CM4-V1, MIROC3.2, NOAA / GFDL CM2.1. Results from the Climate of the 20th Century (20c3m) and the 1% per year CO2 increase (to doubling) experiment (1pctto2x) were analyzed. The four models show a positive trend of temperature and a freshening trend of the Antartic Intemediate Water (AAIW), Circumpolar Deep Water (CDW) and the Antartic Deep Water (AADW). The densities of these water masses become significantly lighter in the 20c3m scenario. In the 1pctto2x scenario in the AAIW and CDW moved to upper layers. Also in this scenario there is a cooling of the AADW, moving this water mass to deeper layers.

During the last 21,000 years, the planet underwent major changes. The atmospheric CO2 concentration increased ∼50% (Monnin et al., 2001) and the mean global temperature increased 4.0±0.8°C until pre-industrial times (Annan and Hargreaves, 2013). As a consequence of this warming, the huge ice sheets that covered North America, Northern Europe and part of Eurasia melted and the polar and subpolar ocean surface received a large amount of freshwater from these retracting ice sheets. The input of freshwater alters pressure gradients on the sea surface and also the density of water masses. Since the ocean circulation is partially driven by density differences, the deglacial meltwater has the potential to affect the ocean circulation. In this PhD thesis, the impacts of meltwater input since the Last Glacial Maximum into the high latitudes, especially of the Atlantic Ocean, are studied using the results of a transient simulation of the last 22 thousand years with NCAR-CCSM3. The main results show that: (1) the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) slowed down during freshwater discharge events near dense water formation regions; (2) North Atlantic Deep Water (NADW) was absent in the beginning of the deglaciation, while its intermediate version -- Glacial North Atlantic Intermediate Water (GNAIW) -- was being formed; (3) GNAIW was a fresh and cold water mass, very similar to the Antarctic Intermediate Water (AAIW) in the thermohaline domain; (4) the deep and abyssal Atlantic basin was dominated by AABW in the first half of the simulation; (5) the transition from GNAIW to NADW occurred after the Heinrich Stadial 1; (6) when the NADW appeared, around 12 thousand years ago (ka), AABW retracted and was constrained to lie near the bottom; (7) the presence of a low-salinity layer in the Southern Ocean surface around ∼14,000 years ago prevented the release of heat from deep waters to the atmosphere, warming the AABW; (8) the Antarctic Coastal Current (ACoC) was reinforced by the meltwater discharge from the Antarctic ice sheet. Using the Indian Ocean as a comparison, it was observed that the North Atlantic affected the western tropical Indian through atmosphere, while climatic variations associated with the Southern Hemisphere were transmitted via ocean -- especially through intermediate waters. Although the initial conditions in the glacial and modern ocean are different, this study may be used to foresee the possible responses of the ocean to the accelerated melting of glaciers and ice sheets, which are associated with dramatic climate changes. / Durante os últimos 21.000 anos, o planeta sofreu grandes mudanças. A concentração de CO2 atmosférico aumentou cerca de ∼50% (Monnin et al., 2001) e a temperatura média global aumentou 4,0±0,8°C até a época pré industrial (Annan and Hargreaves, 2013). Como consequência deste aquecimento, os grandes mantos de gelo que cobriam a América do Norte, o norte da Europa e parte da Eurásia derreteram e o oceano polar e subpolar recebeu grandes quantidades de água doce destes mantos em retração. A entrada de água doce altera gradientes de pressão na superfície do mar e também a densidade de massas de água. Como a circulação oceânica é parcialmente forçada por diferenças de densidade, a água de degelo tem o potencial de afetar esta circulação. Nesta tese de Doutorado, os impactos da entrada de água de degelo no oceano desde o Último Máximo Glacial em altas latitudes, especialmente do Oceano Atlântico, são estudados usando os resultados de uma simulação transiente dos últimos 22 mil anos com o modelo NCAR-CCSM3. Os principais resultados mostram que: (1) a circulação de revolvimento meridional do Atlântico enfraqueceu durante eventos de descarga de água doce próxima a regiões de formação de água densa; (2) a Água Profunda do Atlântico Norte (APAN) estava ausente no começo da deglaciação, enquanto sua versão intermediária -- Água Glacial Intermediária do Atlântico Norte (AGIAN) -- era formada; (3) AGIAN era uma massa d\'água doce e fria, semelhante à Água Intermediária Antártica (AIA) no domínio termohalino; (4) as camadas profundas e de fundo da bacia do Atlântico eram dominadas pela Água de Fundo Antártica (AFA) na primeira metade da simulação; (5) a transição de AGIAN para APAN ocorreu após o Heinrich Stadial 1; (6) quando a APAN apareceu, cerca de 12 mil anos atrás (ka), a AFA retraiu e ficou limitada às camadas de fundo; (7) a presença de uma camada de baixa salinidade na superfície do Oceano Austral há ∼14 mil anos impedia a liberação de calor das águas profundas para a atmosfera, aquecendo a AFA; (8) a Corrente Costeira Antártica foi intensificada pela descarga de água de degelo proveniente do manto de gelo Antártico. Usando o Oceano Índico como comparação, foi observado que o Atlântico Norte afetou o Índico oeste tropical através de processos atmosféricos, enquanto variações climáticas associadas ao Hemisfério Sul foram transmitidas via oceano -- especialmente através das camadas intermediárias. Embora as condições iniciais dos oceanos glacial e moderno sejam diferentes, este estudo pode ser usado para prever as possíveis respostas do oceano ao presente derretimento acelerado de geleiras e mantos de gelo associado a mudanças climáticas abruptas.

O Oceano Atlântico Sul tem grande importância no equilíbrio climático global devido ao seu papel na circulação termohalina e no transporte de calor entre os oceanos. Este oceano foi intensamente pesquisado no Programa WOCE, com o transecto A09 (20°S) realizado em 1991, revisitado em 2009 junto ao Programa Trans-Atlântico I, quando foi realizado o subprojeto Traçadores químicos e mudanças globais no Atlântico Sul. Neste último, foram obtidos dados hidrológicos (temperatura e salinidade) e hidroquímicos (oxigênio dissolvido, silicato, fosfato e nitrato). Considerando também, as informações do WOCE (1991) foi possível reconhecer as massas d\'água da região: ATS, ACAS, AIA, APAN e AFA, utilizando parâmetros hidrológicos clássicos e traçadores químicos. O Programa TA-I apresentou algumas diferenças na distribuição dos parâmetros químicos, devidas ao período sazonal de amostragem (WOCE no verão 1991 e TA-I na primavera, 2009) e a consequente influência no padrão de circulação, como também, processos biogeoquímicos predominantes no período. As diferenças observadas foram acompanhadas em perfis verticais de estações com posicionamento quase coincidentes, confirmando as variações, sobretudo entre 500 e 1500 dbar, e maior grau de coincidência dos perfis até 500 dbar. A ressurgência na costa da Namíbia foi caracterizada pela presença de águas ricas em nutrientes, mais frias e ligeiramente menos salinas e pela formação de camada de mínimo de oxigênio acentuada. É importante observar que as diferenças apresentadas não descartam a possível interferência de variações climáticas globais que podem estar atuando no Atlântico Sul. / The South Atlantic Ocean is fundamental in the global climate balance, as well as its role in the thermohaline circulation and in the heat transport between oceans. The transect A09 (20°S) was studied in the WOCE Program in 1991 and revisited in 2009 by the Trans-Atlantic I (TA-I), in the subproject Traçadores químicos e mudanças globais no Atlântico Sul, which gathered hydrological (temperature and salinity) and hidrochemical parameters (dissolved oxygen, silicate, phosphate and nitrate) Combined with the WOCE data, it was possible to identify the water masses behaviors in this region: TW, SACW, AAIW, NADW and AABW, due to the use of the classic parameters and chemical tracers. The TA-I Program showed few differences in the chemical parameters, because of the seasonal period of the cruise (WOCE at the 1991\'s summer, and TA-I at the 2009\'s spring), the influence of the circulation pattern, and also the main biogeochemical processes. The variations observed in the vertical profiles in almost coincident stations, confirmed variations mainly between 500 and 1500 dbar. The largest similarity of the profiles was until 500 dbar. The Namibia coast upwelling was characterized by the presence of nutrients enriched, colder, slightly less saline waters, and by a remarkable oxygen minimum zone. It is important to note that the presented differences do not discard a possible interference of global climate variations that might be acting in the South Atlantic Ocean.

O avanço da tecnologia computacional e a sofisticação da modelagem numérica nos últimos anos tornou possível a realização de diversas simulações do clima terrestre. Essas simulações buscam reproduzir a dinâmica e a variabilidade do clima global, e consequentemente prever o clima futuro. Dentro do sistema climático, o oceano é o compartimento responsável por manter estabilidade do clima. Processos oceânicos como a formação e distribuição de massas de água têm um papel chave no armazenamento e redistribuição de energia pelo sistema. Mudanças nesses fenômenos podem implicar em variações drásticas do clima atual. Considerando isso, o presente trabalho visa descrever a estrutura espaço-temporal das massas de água do Oceano Atlântico Sul e do Oceano Austral. Para isso foram utilizados dados de modelos climáticos que foram utilizados na elaboração do 4° Relatório de Avaliação do Painel Intergovernamental para as Mudanças Climáticas. Os modelos são: ECHAM5/MPI-OM, IPSL-CM4-V1, MIROC3.2 e GFDL CM2.1. Dentre as diversas simulações são comparados os experimentos para o século XX (20c3m) e o experimento que assume a concentração de CO2 aumentando a uma taxa de 1% ao ano até o valor inicial duplicar (1pctto2x). Os resultados mostraram um aumento da temperatura da Água Intermediaria Antártica (AIA) e da Água Profunda Circumpolar (CDW). As densidades delas diminuíram significativamente tanto no cenário 20c3m quanto no 1pctto2x. A Água de Fundo Antártica (AFA) sofreu um resfriamento e passou a ocupar níveis mais profundos em ambos os cenários. As variações registradas no 1pctto2x foram mais intensas do que aquelas observadas no experimento 20c3m. Já variabilidade temporal das massas de água foram bastante divergentes entre os quatro modelos. / The development and sophistication of numerical models in recent years has allowed to perform many climate system\'s simulations. Such simulations aim to reproduce the dynamics and variability of the climate and consequently predict future climate and possible climate changes. Oceanic processes such as formation and distribution of water masses have an important role in understanding the oceans as a reservoir of salt, dissolved gases and heat. Considering that changes in such processes may have great impact in global and regional climate this work aims to describe spatial and temporal variability of water masses in the South Atlantic Ocean and Southern Ocean. Data from the numerical simulations used for the preparation of the Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report (4AR/IPCC) were used. Four climate models were chosen: ECHAM5/MPI-OM, IPSL-CM4-V1, MIROC3.2, NOAA / GFDL CM2.1. Results from the Climate of the 20th Century (20c3m) and the 1% per year CO2 increase (to doubling) experiment (1pctto2x) were analyzed. The four models show a positive trend of temperature and a freshening trend of the Antartic Intemediate Water (AAIW), Circumpolar Deep Water (CDW) and the Antartic Deep Water (AADW). The densities of these water masses become significantly lighter in the 20c3m scenario. In the 1pctto2x scenario in the AAIW and CDW moved to upper layers. Also in this scenario there is a cooling of the AADW, moving this water mass to deeper layers.