An analysis indicates that the warm, powerful currents that flow along the western edges of ocean basins warmed more than twice as quickly than the global ocean as a whole over the past century. This enhanced warming could have important effects on climate because these currents affect the air–sea exchange of heat, moisture and carbon dioxide. Subtropical western boundary currents are warm, fast-flowing currents that form on the western side of ocean basins. They carry warm tropical water to the mid-latitudes and vent large amounts of heat and moisture to the atmosphere along their paths, affecting atmospheric jet streams and mid-latitude storms, as well as ocean carbon uptake1,2,3,4. The possibility that these highly energetic currents might change under greenhouse-gas forcing has raised significant concerns5,6,7, but detecting such changes is challenging owing to limited observations. Here, using reconstructed sea surface temperature datasets and century-long ocean and atmosphere reanalysis products, we find that the post-1900 surface ocean warming rate over the path of these currents is two to three times faster than the global mean surface ocean warming rate. The accelerated warming is associated with a synchronous poleward shift and/or intensification of global subtropical western boundary currents in conjunction with a systematic change in winds over both hemispheres. This enhanced warming may reduce the ability of the oceans to absorb anthropogenic carbon dioxide over these regions. However, uncertainties in detection and attribution of these warming trends remain, pointing to a need for a long-term monitoring network of the global western boundary currents and their extensions.

Abstract Twelve years of sea surface height (SSH) data from multiple satellite altimeters are used to investigate the low-frequency changes and the interconnections of the Kuroshio Extension (KE) jet, its southern recirculation gyre, and their mesoscale eddy field. The dominant signal is characterized by the steady weakening of the KE jet/recirculation gyre from 1993 to 1996, followed by a gradual strengthening after 1997. During the weakening period of 1993–96, the KE path migrated southward in general, and this path migration reversed in direction during the strengthening period of the KE jet and recirculation gyre after 1997. By hindcasting the SSH signals using linear vorticity dynamics, it was found that weakening (strengthening) in the KE jet and recirculation gyre is consistent with westward propagation of negative (positive) SSH anomalies generating in the eastern North Pacific and strengthening during their westward propagation. When the KE jet and recirculation gyre were in a weak mode during 1996–2001, the regional eddy kinetic energy level was observed to be higher than when the jet and recirculation gyre were in a strong mode. This negative correlation between the mean flow intensity and the level of regional eddy kinetic energy is found in both the SSH data and the linear vorticity model to result from the migration of the KE jet inflow over the Izu–Ogasawara Ridge. When it is forced southward by the impinging negative SSH anomalies, the KE jet inflow rides over the ridge through a shallow segment, leading to large-amplitude downstream meanders. Impinging of positive SSH anomalies, on the other hand, strengthens the recirculation gyre and forces the inflow northward where it passes through a deep channel, minimizing the path perturbations in the downstream region.

Spinning up ocean circulation discretely Ocean eddies with diameters of tens to hundreds of kilometers are an important component of water transport on a global scale. Averaged over periods of many years, ocean circulation is regular and coherent enough to have been described as a conveyor belt. However, over shorter time scales, irregular, discrete events cause significant amounts of water movement—termed mesoscale eddies. Zhang et al. combined data from thousands of autonomous observational devices called ARGO floats with satellite data. The mesoscale eddies moved around as much ocean water as wind or deepwater currents. Science , this issue p. 322

Along the Philippine coast in the western Pacific, the North Equatorial Current (NEC) bifurcates into the northward flowing Kuroshio and the southward flowing Mindanao Current. Using both the linear, time‐dependent Sverdrup theory and a high‐resolution, nonlinear reduced‐gravity model, this study investigated the changes in the NEC‐Mindanao Current‐Kuroshio (NMK) system induced by large‐scale surface wind forcings. Using the Florida State University monthly wind stress data from 1961 through 1992, we show that the seasonal bifurcation of the NEC occurs at the northernmost position in October and the southernmost position in February. While the meridional migration of the basin‐wide trade wind has a relatively small effect in shifting the bifurcation latitude (by about 100 km), the monsoonal wind along the low‐latitude western Pacific is effective in inducing a large northward excursion of the NEC's bifurcation in the fall season. On the interannual timeseale, the positive wind stress curl of the trade wind tends to intensify and shifts the zero wind stress curl line northward prior to El Niño‐Southern Oscillation (ENSO) events. With a lag of about 1 year this shift induces the bifurcation of the NEC to occur at a higher latitude. During the La Niña years the NEC generally bifurcates at a lower latitude. No significant seasonal fluctuations are found in the transport of the NEC near the Philippine coast. Seasonal changes in the Mindanao Current and the Kuroshio are, however, significant, and their transports tend to fluctuate 180° out of phase, due to the different speeds of the baroclinic Rossby waves at their respective latitudes. The Kuroshio (the Mindanao Current) has a seasonal minimum (maximum) transport in fall when the NEC bifurcates at the seasonally northernmost latitude. The interannual changes in the inflow NEC are largely controlled by the basin‐wide, wind stress curl anomalies. While the quasi‐biennial changes are confined only to the southern limb of the NMK system, signals with ENSO timescales are found to influence the midlatitude, subtropical circulation via the Kuroshio.

The future international Surface Water and Ocean Topography (SWOT) Mission, planned for launch in 2021, will make high-resolution 2D observations of sea-surface height using SAR radar interferometric techniques. SWOT will map the global and coastal oceans up to 77.6° latitude every 21 days over a swath of 120 km (20 km nadir gap). Today’s 2D mapped altimeter data can resolve ocean scales of 150 km wavelength whereas the SWOT measurement will extend our 2D observations down to 15-30 km, depending on sea state. SWOT will offer new opportunities to observe the oceanic dynamic processes at these scales, that are important in the generation and dissipation of kinetic energy in the ocean, and act as one of the main gateways connecting the interior of the ocean to the upper layer. The active vertical exchanges linked to these scales have impacts on the local and global budgets of heat and carbon, and on nutrients for biogeochemical cycles. This review paper highlights the issues being addressed by the SWOT science community to understand SWOT’s very precise SSH / surface pressure observations, and it explores how SWOT data will be combined with other satellite and in-situ data and models to better understand the upper ocean 4D circulation (x,y,z,t) over the next decade. SWOT’s new SAR-interferometry technology aims to observe ocean SSH scales down to 15-30 km in wavelength. At these scales, SSH includes “balanced” geostrophic eddy motions and high-frequency internal tides and internal waves. This presents both a challenge in reconstructing the 4D upper ocean circulation, or in the assimilation of SSH in models, but also an opportunity to have global observations of the 2D structure of these phenomena, and to learn more about their interactions. At these small scales, the ocean dynamics evolve rapidly, and combining SWOT 2D SSH data with other satellite or in-situ data with different space-time coverage is also a challenge. SWOT’s new technology will be a forerunner for the future altimetric observing system, and so advancing on these issues today will pave the way for our future.

Abstract In the Northern Hemisphere midlatitude western boundary current (WBC) systems there is a complex interaction between dynamics and thermodynamics and between atmosphere and ocean. Their potential contribution to the climate system motivated major parallel field programs in both the North Pacific [Kuroshio Extension System Study (KESS)] and the North Atlantic [Climate Variability and Predictability (CLIVAR) Mode Water Dynamics Experiment (CLIMODE)], and preliminary observations and analyses from these programs highlight that complexity. The Gulf Stream (GS) in the North Atlantic and the Kuroshio Extension (KE) in the North Pacific have broad similarities, as subtropical gyre WBCs, but they also have significant differences, which affect the regional air–sea exchange processes and their larger-scale interactions. The 15-yr satellite altimeter data record, which provides a rich source of information, is combined here with the longer historical record from in situ data to describe and compare the current systems. While many important similarities have been noted on the dynamic and thermodynamic aspects of the time-varying GS and KE, some not-so-subtle differences exist in current variability, mode water properties, and recirculation gyre structure. This paper provides a comprehensive comparison of these two current systems from both dynamical and thermodynamical perspectives with the goal of developing and evaluating hypotheses about the physics underlying the observed differences, and exploring the WBC’s potential to influence midlatitude sea–air interaction. Differences between the GS and KE systems offer opportunities to compare the dominant processes and thereby to advance understanding of their role in the climate system.

Abstract Ocean eddies (with a size of 100–300 km), ubiquitous in satellite observations, are known to represent about 80% of the total ocean kinetic energy. Recent studies have pointed out the unexpected role of smaller oceanic structures (with 1–50 km scales) in generating and sustaining these eddies. The interpretation proposed so far invokes the internal instability resulting from the large-scale interaction between upper and interior oceanic layers. Here we show, using a new high-resolution simulation of the realistic North Pacific Ocean, that ocean eddies are instead sustained by a different process that involves small-scale mixed-layer instabilities set up by large-scale atmospheric forcing in winter. This leads to a seasonal evolution of the eddy kinetic energy in a very large part of this ocean, with an amplitude varying by a factor almost equal to 2. Perspectives in terms of the impacts on climate dynamics and future satellite observational systems are briefly discussed.

Abstract Oceanic mesoscale eddies with horizontal scales of 50–300 km are the most energetic form of flows in the ocean. They are the oceanic analogues of atmospheric storms and are effective transporters of heat, nutrients, dissolved carbon, and other biochemical materials in the ocean. Although oceanic eddies have been ubiquitously observed in the world oceans since 1960s, our understanding of their three-dimensional (3D) structure, generation, and dissipation remains fragmentary due to lack of systematic full water-depth measurements. To bridge this knowledge gap, we designed and conducted a multi-months field campaign, called the South China Sea Mesoscale Eddy Experiment (S-MEE), in the northern South China Sea in 2013/2014. The S-MEE for the first time captured full-depth 3D structures of an anticyclonic and cyclonic eddy pair, which are characterized by a distinct vertical tilt of their axes. By observing the eddy evolution at an upstream versus downstream location and conducting an eddy energy budget analysis, the authors further proposed that generation of submesoscale motions most likely constitutes the dominant dissipation mechanism for the observed eddies.