了解大西洋-北极混合在 AMOC 下肢形成中的关键作用

大西洋经向翻转环流 (AMOC)是全球海洋环流系统的重要组成部分，在调节气候模式方面发挥着核心作用，尤其是在北大西洋地区。AMOC 的下肢涉及冷稠密水的向下运动，对于推动深海环流和维持地球大气的热平衡至关重要。最近的研究强调了大西洋-北极水混合在控制这些水团的密度、温度和盐度方面的重要性，这反过来又影响 AMOC 的强度、深度和稳定性。

大西洋经向翻转环流

AMOC是一个大规模的海洋环流系统，它将热带地区的温暖表层水输送到北大西洋，在那里冷却、变稠，然后沉入深海。这一过程对于调节全球气候至关重要，因为它会重新分配全球海洋中的热量、碳和营养物质。该环流通常被描述为“传送带”，温暖的水在上层海洋向北移动，而寒冷、稠密的水则在更深处向南返回。

• 上肢：温暖的咸水从热带移动到北大西洋。
• 下缘：寒冷而密集的海水在北大西洋下沉，并在很深处向南回流。

AMOC 的下肢（负责冷稠密海水下沉及其向南回流）在这个系统中起着特别关键的作用。它负责北大西洋深水的形成，这是推动 AMOC 向南回流的关键机制。这一水形成过程受到多种因素的影响，包括大西洋和北冰洋水的混合，这会影响水团的密度和盐度。了解这两个水体之间的相互作用对于改进对 AMOC 未来变化及其对全球气候的潜在影响的预测至关重要。

大西洋-北极混合在 AMOC 形成中的作用

AMOC 下肢的形成在很大程度上取决于大西洋和北极水域的混合。温暖而含盐的大西洋水域流入北极地区，在那里，它们通过与海冰、大气条件和淡水输入的相互作用逐渐冷却和淡化。这些温度和盐度的变化会影响水的密度，这是其下沉并形成北大西洋深水的关键因素。

有几种机制推动了大西洋和北冰洋水域的混合:

• 平流：大西洋海水流入北极地区是混合的主要驱动力。随着这些海水向北移动，它们与北极较冷、较淡的水相互作用，导致温度和盐度发生变化。
• 上升流和下降流：在北极，水的垂直运动在混合过程中起着至关重要的作用。上升流将深层、营养丰富的水带到地表，而下降流则导致地表水下沉，促进了地表层和深层之间的特性交换。
• 涡流形成：小规模湍流和涡流通过搅动水并增强热量、盐和营养物质的交换，在混合过程中发挥重要作用。这些中尺度过程可以形成局部强烈混合区域，从而影响大规模海洋环流模式。
• 海冰相互作用：海冰的形成和融化对海洋表面的盐度和温度有显著影响。冰形成时，它会将盐分排入周围的水中，从而增加其盐度和密度。相反，当海冰融化时，它会将淡水引入海洋，从而降低盐度并破坏海洋的垂直分层。

大西洋和北极水域之间的盐度和温度梯度是深水形成的基础。在大西洋，温暖而咸的水密度大，容易下沉。当这些水到达北极时，由于海冰融化、河流淡水和降水的涌入，它们会冷却并失去盐度。这种淡化会降低水的密度，但北极大气的冷却效应会增加密度，使海水下沉并形成 AMOC 的下肢。

影响大西洋-北极混合的最重要因素之一是淡水涌入北极地区。冰融、降水和河流径流产生的淡水可以改变地表水的密度和盐度，影响其与更深、盐度更高的水混合的能力。随着北极地区变暖和冰盖减少，进入系统的淡水量增加，这可能会削弱 AMOC 所需的密集水团的形成。

新的研究发现

为了了解混合过程以及大西洋和北极水域如何相互作用，研究人员在北极和北大西洋地区的关键位置部署了高分辨率海洋仪器。这些仪器测量了水温、盐度和流速，提供了这些水团如何混合的实时数据。该团队利用拉格朗日分析追踪海洋中水团的运动，帮助他们了解 AMOC 下肢的动态。

拉格朗日方法可以跟踪单个水团随时间的运动，在理解大西洋和北冰洋水体混合过程中发挥着重要作用。研究人员利用这种方法可以捕捉到不同深度和位置的水团之间的细微相互作用。

这项研究最重要的发现是，AMOC 的下肢（负责冷稠密海水下沉及其向南回流）严重依赖于大西洋和北极海水的混合。下肢约72% 的水来自大西洋，而28% 来自北极。这种平衡对于确定沉入深海并驱动翻转环流的水团的密度和深度至关重要。

随着北极持续变暖和海冰融化，通常推动这一混合过程的盐度和温度梯度正在发生变化。这种变暖趋势可能会削弱大西洋和北极水域之间的密度对比，降低下肢形成的效率，并可能导致AMOC 减速或崩溃。这种转变可能会对气候造成灾难性的影响，包括破坏区域天气模式、改变海洋生态系统和海平面上升。

研究显示，33% 的暖咸水转变为密度更大的冷水的过程直接归因于大西洋和北冰洋水域的混合。这些过程不仅影响 AMOC，而且对海洋热输送也有更大的影响，进而影响全球气候系统。

该研究的另一个重要发现是大西洋和北冰洋的温度和盐度变化直接影响着水的下沉量和下沉深度。由于海冰融化和河流淡水输入增加，北极水域的持续淡化是一个重要因素。淡化削弱了水柱的分层，使密度较大的水更难下沉，并可能导致环流中断。

研究结论表明，AMOC 的稳定性和强度与大西洋和北冰洋水域之间正在进行的混合过程直接相关。如果这种混合减弱，下肢可能会变得更浅，这将影响整个 AMOC。这反过来可能会导致区域气候变化，包括西欧冬季变冷以及北半球降水模式的变化。

气候变化对 AMOC 和大西洋-北极混合的影响

北极的变暖速度是全球平均水平的两倍多，这种现象被称为“北极放大”。这种快速变暖对海冰覆盖、海洋盐度和水温产生了深远的影响，进而影响了深水的形成和 AMOC 的强度。

随着海冰融化，大量淡水涌入海洋，改变了大西洋和北冰洋之间的盐度梯度。这会降低地表水的密度，阻碍其下沉并形成深水的能力。此外，随着永久冻土融化，更多的淡水被释放到海洋中，进一步破坏了北冰洋水域的分层。

北极水域淡化预计将破坏数千年来大西洋和北极水域之间的微妙平衡。如果北极水域变得太淡，可能会阻碍北大西洋密集水团的形成，削弱 AMOC，并可能导致该地区的气候不稳定。

AMOC 的变化会导致反馈循环，从而放大气候变化的影响。例如，AMOC 减弱可能导致北大西洋变冷，从而改变大气环流并影响天气模式。这反过来又会进一步影响北极气候，导致更多的冰融化和淡水流入海洋。

思考

北极地区的变暖速度快于全球平均水平，导致冰融化增加，淡水流入海洋。这将如何影响对深水形成和 AMOC 动力学至关重要的盐度梯度？

AMOC 下肢变异有多少可归因于涡流驱动的混合，以及这些小规模过程如何与更大规模的热盐环流相互作用？

北极气候对 AMOC 变化的反应如何改变该地区控制海洋混合的机制？

参考文献：Dipanjan Dey, Robert Marsh, Sybren Drijfhout, Simon A. Josey, Bablu Sinha, Jeremy Grist & Kristofer Döös ，Formation of the Atlantic Meridional Overturning Circulation lower limb is critically dependent on Atlantic-Arctic mixing.  Nature Communications volume 15, Article number: 7341 (2024) ，doi.s41467-024-51777-w

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