Interannual to decadal variability in the Southern Ocean surface CO2 fluxes in relation with the large-scale atmospheric modes

Abstract

(English) Abstract The Southern Ocean (<35◦S), which encircles Antarctica, plays a disproportionately large role in the global carbon cycle, accounting for nearly half of the ocean’s uptake of anthropogenic CO₂. This critical function has helped mitigate the pace of atmospheric CO₂ accumulation and climate change. However, observations over recent decades have revealed substantial interannual to decadal variability in the Southern Ocean carbon sink, characterized by alternating periods of weakening and reinvigoration. Understanding the drivers of this variability is crucial for improving predictions of the ocean’s future carbon uptake capacity and its feedbacks on the climate system. This thesis investigates the atmospheric and oceanic processes underlying the variability of Southern Ocean CO₂ fluxes, with a focus on the influence of major climate modes including the Southern Annular Mode (SAM), the Pacific-South American (PSA) pattern, and Zonal Wave 3 (ZW3). Through a combination of reanalysis datasets, empirical orthogonal function and wavelet analyses, observation-based CO₂ flux products, and ocean-only numerical simulations, the thesis systematically diagnoses the mechanisms linking atmospheric variability to ocean carbon dynamics. The results identify SAM as the principal driver of CO₂ flux variability on seasonal to decadal timescales, modulating surface wind patterns, Ekman upwelling, and sea surface temperature (SST) anomalies that affect CO₂ exchange. ENSO and ZW3 are shown to exert important secondary effects, introducing regional asymmetries and modulating the physical and biological drivers of CO₂ fluxes, particularly in the Pacific sector. A novel finding is the detection of a delayed warming mechanism, whereby positive SAM phases enhance eddy kinetic energy, amplifying thermal effects on surface pCO₂ and partially offsetting the expected CO₂ uptake from weakened upwelling. The thesis also conducts a comprehensive evaluation of nine observation-based CO₂ products, highlighting uncertainties, mismatches, and shared patterns that improve our understanding of carbon cycle variability. Importantly, the results underscore the need to improve the representation of mesoscale processes, asymmetric climate modes, and atmosphere-ocean coupling in Earth system models to enhance their predictive capability. Overall, this research provides new insights into the drivers of Southern Ocean CO₂ variability, offering a framework to refine predictions of future carbon-climate feedbacks and to better anticipate the ocean’s role in mitigating anthropogenic climate change.

(Català) Resum L’Oceà Austral (<35°S), que envolta l’Antàrtida, exerceix un paper desproporcionadament gran en el cicle global del carboni, ja que representa gairebé la meitat de la captació oceànica de CO₂ antropogènic. Aquesta funció crítica ha ajudat a mitigar el ritme d’acumulació de CO₂ atmosfèric i el canvi climàtic. No obstant això, les observacions de les darreres dècades han revelat una variabilitat substancial interanual i decadal en el pou de carboni de l’Oceà Austral, caracteritzada per períodes alternants d’afebliment i de reinvigoració. Comprendre els factors que impulsen aquesta variabilitat és essencial per millorar les prediccions sobre la capacitat futura d’absorció de carboni de l’oceà i els seus efectes retroactius en el sistema climàtic. Aquesta tesi investiga els processos atmosfèrics i oceànics que subjauen a la variabilitat dels fluxos de CO₂ a l’Oceà Austral, amb un enfocament en la influència dels principals modes climàtics, incloent el Mode Anular del Sud (SAM), el patró Pacífic-Sud-americà (PSA) i l’Ona Zonal 3 (ZW3). Mitjançant una combinació de conjunts de dades de reanàlisi, anàlisis de funcions ortogonals empíriques i de ones (wavelet), productes d’observació de fluxos de CO₂ i simulacions numèriques només oceàniques, la tesi diagnostica de manera sistemàtica els mecanismes que connecten la variabilitat atmosfèrica amb la dinàmica del carboni oceànic. Els resultats identifiquen el SAM com el principal factor de variabilitat dels fluxos de CO₂ a escales temporals estacionals i decadals, modulant els patrons de vent superficial, l’ascensament d’Ekman i les anomalies de temperatura superficial del mar (SST) que afecten l’intercanvi de CO₂. L’ENSO i el ZW3 mostren efectes secundaris importants, introduint asimetries regionals i modulant els impulsors físics i biològics dels fluxos de CO₂, especialment al sector del Pacífic. Un descobriment novedós és la detecció d’un mecanisme de escalfament retardat, segons el qual les fases positives del SAM augmenten l’energia cinètica de les eddies, amplificant els efectes tèrmics sobre el pCO₂ superficial i contrarestant parcialment la captació esperada de CO₂ deguda a l’afebliment de l’ascensament. La tesi també realitza una avaluació exhaustiva de nou productes d’observació de CO₂, destacant incerteses, discrepàncies i patrons compartits que milloren la nostra comprensió de la variabilitat del cicle del carboni. De manera important, els resultats subratllen la necessitat de millorar la representació dels processos a mesoescala, els modes climàtics asimètrics i la interacció atmosfera-oceà en els models del sistema terrestre per millorar-ne la capacitat predictiva. En conjunt, aquesta recerca aporta noves perspectives sobre els impulsors de la variabilitat del CO₂ a l’Oceà Austral, oferint un marc per afinar les prediccions dels futurs efectes retroactius carboni-clima i per anticipar millor el paper de l’oceà en la mitigació del canvi climàtic antropogènic.

(Español) Resumen El Océano Austral (<35°S), que rodea la Antártida, desempeña un papel desproporcionadamente grande en el ciclo global del carbono, representando casi la mitad de la absorción oceánica de CO₂ antropogénico. Esta función crítica ha ayudado a mitigar el ritmo de acumulación de CO₂ atmosférico y el cambio climático. Sin embargo, las observaciones de las últimas décadas han revelado una variabilidad sustancial interanual y decenal en el sumidero de carbono del Océano Austral, caracterizada por períodos alternos de debilitamiento y reactivación. Comprender los factores que impulsan esta variabilidad es fundamental para mejorar las predicciones de la capacidad futura de absorción de carbono por parte del océano y sus retroalimentaciones en el sistema climático. Esta tesis investiga los procesos atmosféricos y oceánicos subyacentes a la variabilidad de los flujos de CO₂ en el Océano Austral, con un enfoque en la influencia de los principales modos climáticos, incluidos el Modo Anular del Sur (SAM), el patrón Pacífico-Sudamericano (PSA) y la Onda Zonal 3 (ZW3). A través de una combinación de conjuntos de datos de reanálisis, análisis de funciones ortogonales empíricas y de wavelets, productos de flujos de CO₂ basados en observaciones y simulaciones numéricas de océano exclusivamente, la tesis diagnostica sistemáticamente los mecanismos que vinculan la variabilidad atmosférica con la dinámica del carbono oceánico. Los resultados identifican al SAM como el principal impulsor de la variabilidad de los flujos de CO₂ en escalas temporales estacionales a decenales, modulando los patrones de viento en superficie, el afloramiento de Ekman y las anomalías de temperatura superficial del mar (SST) que afectan el intercambio de CO₂. Se demuestra que ENSO y ZW3 ejercen efectos secundarios importantes, introduciendo asimetrías regionales y modulando los impulsores físicos y biológicos de los flujos de CO₂, particularmente en el sector del Pacífico. Un hallazgo novedoso es la detección de un mecanismo de calentamiento retardado, mediante el cual las fases positivas del SAM aumentan la energía cinética de los remolinos, amplificando los efectos térmicos sobre la presión parcial de CO₂ en la superficie (pCO₂) y compensando parcialmente la absorción esperada de CO₂ debido al debilitamiento del afloramiento. La tesis también realiza una evaluación exhaustiva de nueve productos de CO₂ basados en observaciones, destacando incertidumbres, discrepancias y patrones comunes que mejoran nuestra comprensión de la variabilidad del ciclo del carbono. De manera importante, los resultados subrayan la necesidad de mejorar la representación de los procesos de mesoescala, los modos climáticos asimétricos y el acoplamiento atmósfera-océano en los modelos del sistema terrestre para potenciar su capacidad predictiva. En general, esta investigación ofrece nuevas perspectivas sobre los impulsores de la variabilidad del CO₂ en el Océano Austral, proporcionando un marco para refinar las predicciones de las retroalimentaciones futuras entre el carbono y el clima, y para anticipar mejor el papel del océano en la mitigación del cambio climático antropogénico.