当碳排放速度不同时，大西洋经向翻转环流会怎样变化？
大西洋经向翻转环流（AMOC）将赤道附近温暖的海水带到北大西洋，随后冷水下沉，再返回南方。过去的研究主要关注大西洋经向翻转环流对CO₂浓度变化的响应，但相同CO₂浓度下，不同增速是否导致不同的大西洋经向翻转环流响应呢？
大西洋环流会因气候变暖停止吗？
当大气中二氧化碳浓度升高时，地球系统会发生一系列连锁反应，例如北极放大效应，北极地区变暖速度是赤道的2–3倍，导致海冰融化，淡水注入北大西洋；又比如表层水变轻、深海变暖等。随着全球变暖加剧，大西洋经向翻转环流是否会因温度和盐度的变化而减速甚至停滞？
为了回答这个问题，研究利用多组气候模型了长达数千年的模拟实验，揭示了大西洋经向翻转环流在未来气候变暖中如何变化。研究团队使用了7个不同的全球气候模型，模拟了二氧化碳浓度突增到工业革命前4倍后的海洋响应，最长模拟运行时间达5900年。
该研究的核心方法是拆解温度与盐度的作用，为了区分温度和盐度的影响，科学家采用了热力-风关系，将大西洋经向翻转环流的强度与北大西洋深水形成区和大西洋其他区域的密度差联系起来。公式如下：
其中：ρn表示北大西洋（40°–60°N）的深层水密度；ρb表示整个大西洋的低纬度密度。
这个公式表明，大西洋经向翻转环流的强弱直接取决于北大西洋密度是足够大以沉入深海，ρn–ρb减小，大西洋经向翻转环流就会减弱。
模拟结果显示，大西洋经向翻转环流在高浓度CO₂下，经历了3个阶段。第一个阶段是快速减弱阶段，这个阶段发生在前期100-150年，此期间，几乎所有的模型结果都显示大西洋经向翻转环流在变暖初期显著减弱，幅度在5–20Sv（1Sv=100万立方米/秒）之间，主要原因是北大西洋表层水温升高，密度降低，导致下沉减弱。
第二阶段则出现分化，这个阶段发生在200-1000年，在此期间，不同模型的大西洋经向翻转环流行为出现分歧，有的模型显示，500后大西洋经向翻转环流恢复到初始强度的90%，但也有模型显示，1000年后大西洋经向翻转环流仍只有初始强度的15%。
在恢复较快的模型中，副热带地区的海水因蒸发增加变得更咸，这些高盐水流向高纬度后，抵消了部分淡水稀释效应，帮助重启深水下沉；而在恢复较慢的模型中，由于北极海冰损失更多，大量淡水涌入北大西洋，阻碍了盐度的恢复作用。也就是说，盐度是影响恢复大西洋经向翻转环流关键因素。
当时间运行到1000年以后，大西洋经向翻转环流基本达到长期稳定状态，有模型显示，大西洋经向翻转环流在3000年后甚至比工业革命前更强，增强1–3 Sv，可能的原因是低纬度大西洋持续升温，增大了与高纬度的密度差，推动环流加速。
如果回归现实，也就是说，在本世纪，大西洋经向翻转环流几乎肯定减弱，但长期来看，可能会出现稳定状态，但这一过程需要极长时间。
图：4倍CO₂下的模拟结果🔽
(a) CESM1、(b) CNRM-CM6.1、(c) GISS -E2-R、(d) HadGEM2-ES、(e) IPSL-CM5A-LR、(f) MPI-ESM1.1 和 (g) MPI-ESM1.2 中的 4 × CO 2 模拟结果，大西洋盆地40° 至 60°N 之间的经向流函数最大值 [等式 (1)]。(h) 根据每个 GCM 的初始强度（第 1-10 年）对 AMOC 强度进行归一化。对每个时间序列应用了窗口大小为 11 年的 Savitzky-Golay 滤波器。在 (a)-(g) 中，灰线表示初始强度
碳排放速度如何影响大西洋经向翻转环流？
不同增速是否导致不同的大西洋经向翻转环流响应呢？为了研究这一问题，研究团队使用了一个全球气候模型CESM1.2.2，设定了8种不同的CO₂增速情景，其中最慢增速按CO₂每年增加0.0625%，最快速按每年增加4%，在所有实验中，CO₂浓度最终都翻倍，但关键的区别在于达到这一浓度所用的时间不同。
研究发现，碳排放越快，大西洋经向翻转环流减弱越严重。在最慢增速情景下，大西洋经向翻转环流减弱较少，最低值约为12Sv；而在快速排放情景下，大西洋经向翻转环流减弱更剧烈，最低值降至8Sv，降幅达50% 。也就是说，同样的CO₂排放总量，如果快速释放，大西洋经向翻转环流受到的冲击更大。
为什么会出现这种差异？大西洋经向翻转环流的强度受海水密度影响，而密度又受温度和盐度的影响。研究发现，快速排放会触发一个正反馈循环，加剧大西洋经向翻转环流的减弱。
具体而言，在初始阶段，CO₂浓度上升使全球变暖，北大西洋海水温度升高，降低了海水密度，导致大西洋经向翻转环流开始减弱；大西洋经向翻转环流减弱后，向北输送的热量减少，北大西洋和北极地区反而开始变冷，海冰竟然重新增长，在最快的排放情景下，北极海冰体积在CO₂倍增后增加了约15%；不仅如此，新形成的海冰被洋流带到北大西洋后融化，释放大量淡水，导致表层海水密度下降，大西洋经向翻转环流。
相比而言，在最慢增速情景下，海洋有足够时间适应CO₂增加，没有明显的海冰再生，大西洋经向翻转环流减弱幅度较小。
这项研究首次证明，即使CO₂最终浓度相同，快速排放仍会导致AMOC更严重的减弱。其核心机制在于“AMOC-海洋热输送-海冰”正反馈循环：CO₂快速排放→AMOC减弱→热量输送减少→海冰再生→淡水输入→AMOC进一步减弱。
图：八个不同实验中的 AMOC 强度（赤道与65°N之间以及深度低于250米处的最大流函数值）🔽
这些实验将 CO2以图例中给出的上升速率增加到工业化前水平的两倍，并两次应用10年线性平滑以过滤年际变化。垂直虚线表示每次实验中 CO2浓度达到工业化前水平两倍（2×CO2）的年份，此后 CO2保持不变。
❓思考题：如果大气中的CO₂浓度翻倍，但排放速度不同，哪种情况会让AMOC减弱更严重？
A.每年CO₂增加0.0625%
B.每年CO₂增加1%
C.每年CO₂增加4%
D.以上三种情况对AMOC的影响相同
参考答案：（点击查看）
C.
解析：研究发现，排放速度越快，AMOC减弱越明显。在实验中，最快增速4%/年让AMOC减弱50%，而最慢增速仅减弱25%
以后不仅仅只关注碳排放总量，碳排放速度同样重要，如果人类在未来几十年内快速排放CO₂，AMOC可能会比预期更快减弱，导致更剧烈的气候影响。
参考文献：The effect of CO2 ramping rate on the transient weakening of the Atlantic Meridional Overturning Circulation.December 23, 2024，122 (1) e2411357121，https://doi.org/10.1073/pnas.2411357121