The pathways which compose the upper limb of the Global Overturning Circulation are investigated in the South Atlantic sector. These are comprised by a northward advection of waters starting at the southeastern corner of the basin which brings Pacific and Indian Ocean contributions through the 1) Benguela Current - 2) South Equatorial Current - 3) North Brazil Undercurrent system all the way into the Northern Hemisphere and its subpolar region in order to compensate the process of deepwater formation. The spatio-temporal evolution of the flow is addressed, with focus on the low-frequency variability and response to climate change. Assuming that the South Atlantic subtropical gyre (SASG) and the upper limb of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) are coupled systems, the interplay between these large-scale oceanic features is explored. This is accomplished through three independent investigations. First, CESM1-POP2 simulation results point to an intensification and southward displacement of the SASG circulation system from the 20th into the 21st century, associated with increased equatorward transport at the western boundary, along the AMOC upper limb. Secondly, subtropical western South Atlantic circulation changes between natural climate extremes of the Last Millennium are addressed with the CESM1-Last Millennium Ensemble Project, revealing a weaker (stronger) anticyclonic SASG circulation during the warm (cold) period, with decreased (increased) northward transport associated with the AMOC upper limb. Lastly, the forced response of South Atlantic pathways which are linked to the AMOC and the SASG are illustrated in historical simulations and future projections, according to a pessimistic radiative forcing scenario (the RCP8.5), by the 40-member ensemble mean of the CESM1-Large Ensemble. Up- to downstream long-term trends are found, linked to an observed and projected AMOC weakening as well as to wind-forced upper ocean circulation changes, according to the recent scientific literature. Considering the primary research findings of these three investigations, this thesis provides important contributions to the understanding of the time-evolving dynamics of fundamental circulation systems in view of unprecedented human-induced climate change.

Os caminhos que compõem o ramo superior da Circulação de Revolvimento Global são investigados no setor do Atlântico Sul (AS). Estes são caracterizados por uma advecção de águas para norte, com início na borda sudeste da bacia, trazendo contribuições dos oceanos Pacífico e Índico através do sistema: 1) Corrente da Benguela - 2) Corrente Sul Equatorial - 3) Subcorrente Norte do Brasil, se estendendo até o Hemisfério Norte e sua região subpolar, para compensar o processo de formação de água profunda. A evolução espaço-temporal do fluxo é analisada, com foco na variabilidade de baixa-frequência e resposta às mudanças climáticas. Assumindo que o giro subtropical do AS (GSAS) e o ramo superior da Circulação de Revolvimento Meridional do Atlântico (CRMA) são sistemas acoplados, é explorada a interação entre essas feições oceânicas de grande-escala. Isso é realizado através de três investigações independentes. Primeiro, resultados de simulação do CESM1-POP2 apontam para uma intensificação e deslocamento para sul do sistema de circulação do GSAS no período de transição entre os séculos 2021, associados com um aumento do transporte em direção ao equador na borda oeste, ao longo do ramo superior da CRMA. Em seguida, mudanças na circulação da porção oeste do AS subtropical entre extremos climáticos do Último Milênio são investigadas com dados do CESM1-LME, revelando uma circulação anticiclônica do GSAS mais (menos) intensa durante o período quente (frio), com diminuição (aumento) do transporte para norte associado com a CRMA. Por fim, a resposta forçada dos caminhos de circulação do AS que estão ligados à CRMA e ao GSAS é representada através de simulações históricas e projeções futuras, de acordo com um cenário pessimista de forçante radiativa (o RCP8.5), pela média dos 40 membros do conjunto CESM1-LE. Tendências de longo prazo são encontradas desde porções anteriores a posteriores ao longo do fluxo, as quais estão associadas ao enfraquecimento da CRMA observado no presente e projetado para o futuro, bem como à mudanças na circulação do oceano superior forçadas pelo vento, de acordo com a literatura científica recente. Em conclusão, esta tese de doutorado fornece contribuições importantes para o entendimento da evolução temporal da dinâmica de sistemas de circulação fundamentais no contexto atual de mudanças climáticas antropogênicas sem precedentes.