Lagrangian analysis is a powerful way to analyse the output of ocean circulation models and other ocean velocity data such as from altimetry. In the Lagrangian approach, large sets of virtual particles are integrated within the three-dimensional, time-evolving velocity fields. Over several decades, a variety of tools and methods for this purpose have emerged. Here, we review the state of the art in the field of Lagrangian analysis of ocean velocity data, starting from a fundamental kinematic framework and with a focus on large-scale open ocean applications. Beyond the use of explicit velocity fields, we consider the influence of unresolved physics and dynamics on particle trajectories. We comprehensively list and discuss the tools currently available for tracking virtual particles. We then showcase some of the innovative applications of trajectory data, and conclude with some open questions and an outlook. The overall goal of this review paper is to reconcile some of the different techniques and methods in Lagrangian ocean analysis, while recognising the rich diversity of codes that have and continue to emerge, and the challenges of the coming age of petascale computing.

Abstract The Arctic Ocean is a fundamental node in the global hydrological cycle and the ocean's thermohaline circulation. We here assess the system's key functions and processes: (1) the delivery of fresh and low‐salinity waters to the Arctic Ocean by river inflow, net precipitation, distillation during the freeze/thaw cycle, and Pacific Ocean inflows; (2) the disposition (e.g., sources, pathways, and storage) of freshwater components within the Arctic Ocean; and (3) the release and export of freshwater components into the bordering convective domains of the North Atlantic. We then examine physical, chemical, or biological processes which are influenced or constrained by the local quantities and geochemical qualities of freshwater; these include stratification and vertical mixing, ocean heat flux, nutrient supply, primary production, ocean acidification, and biogeochemical cycling. Internal to the Arctic the joint effects of sea ice decline and hydrological cycle intensification have strengthened coupling between the ocean and the atmosphere (e.g., wind and ice drift stresses, solar radiation, and heat and moisture exchange), the bordering drainage basins (e.g., river discharge, sediment transport, and erosion), and terrestrial ecosystems (e.g., Arctic greening, dissolved and particulate carbon loading, and altered phenology of biotic components). External to the Arctic freshwater export acts as both a constraint to and a necessary ingredient for deep convection in the bordering subarctic gyres and thus affects the global thermohaline circulation. Geochemical fingerprints attained within the Arctic Ocean are likewise exported into the neighboring subarctic systems and beyond. Finally, we discuss observed and modeled functions and changes in this system on seasonal, annual, and decadal time scales and discuss mechanisms that link the marine system to atmospheric, terrestrial, and cryospheric systems.

Abstract Accurate projections and attribution of Arctic Ocean changes in climate models require a good understanding of the mechanisms underlying interannual salinity variability in the region. Although some mechanisms have been extensively studied in idealized setting, in particular for the dynamics of the Beaufort gyre (BG), it remains unclear how applicable they are to more complex systems. This study introduces a new diagnostic based on salinity variance budget to robustly assess the mechanisms of salinity variations. The diagnostic is then applied to the “Estimating the Circulation and Climate of the Ocean” state estimate. Results indicate that the advection of salinity anomaly in the direction of the mean salinity gradient made by velocity anomalies is the primary source of interannual salinity variability. These velocities are primarily attributed to fluctuating winds via Ekman transports. Fluctuating surface freshwater fluxes from the atmosphere and sea ice are the second most important source of variability and cannot be neglected. The two sinks of interannual salinity variance are associated with the erosion of large scale gradients of the mean circulation by eddies and to a lesser extent to the diffusive terms. Over continental shelves, particularly over the East Siberian Shelf (ESS), ocean surface freshwater fluxes and diffusion play a more important role than in the deep basins. We also report a strong intensification of all sources and sinks of interannual salinity variability in the BG and an opposite weakening in the ESS in the second decade of the analysis (2004–2014) with respect to the first (1993–2003).

Abstract The supergyre in the Southern Hemisphere is thought to connect the Atlantic, Indian, and Pacific subtropical gyres together. The aim of the study is to investigate whether the supergyre is identifiable in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) models and in the Estimating the Circulation and Climate of the Ocean (ECCO) reanalysis and to evaluate the influence of the supergyre on the properties of Antarctic Intermediate Water (AAIW), the dominant water mass at intermediate depths in the Southern Hemisphere. CMIP6 models and ECCO are in agreement at the surface with supergyres connected across all basins but present some differences at depth in both position and strength. AAIW core properties (temperature and salinity) present a high degree of similarity across basins within the supergyre but not outside of it. By the end of the century, the supergyre reduces in size and intensifies at intermediate depths, and the AAIW core depth warms in all basins and freshens in the Pacific although no clear trend in salinity can be found in the Atlantic and Indian basins in the SSP5‐8.5 scenario. The high degree of similarity across basins within the supergyre is maintained in the future scenario. The results suggest that by connecting the basins together at intermediate depth, the supergyre plays a key role in circulating and homogenizing the AAIW core properties. Our results emphasize the role of the supergyre in circulating water masses at the surface and intermediate depths in CMIP6 models and hence its importance to the global circulation.