大西洋经向翻转环流减弱，南极底层水形成减少如何影响全球气候

大西洋经向翻转环流 (AMOC) 是全球气候系统的重要组成部分。它在调节全球广大地区的热量分布、海洋养分循环和大气条件方面发挥着至关重要的作用。气候科学最近最令人担忧的发展之一是观察到 AMOC 的减弱，特别是其在北大西洋的深海部分。这一现象引起了科学界越来越多的关注，因为它有可能显著改变天气模式、海平面和生态系统，特别是在北大西洋及其他地区。深海部分（AMOC 的深海部分）的减弱与南极底层水 (AABW) 形成减少、淡水输入增加和更广泛的气候变化等因素有关。

大西洋经向翻转环流

AMOC 是一种大规模洋流系统，负责将温暖的表层水向北输送，将寒冷、稠密的深层水向南流动。这种环流是由水温和盐度的差异驱动的，从而在海洋中形成密度梯度。这些梯度推动了一种称为温盐环流的过程，其中温暖、密度较低的水在海洋上层向北移动，而寒冷、稠密的水下沉并向南流动在深海中。

AMOC 的核心由两个主要部分组成：

• 表面边缘：AMOC 较温暖的上部，将暖水从热带输送到北大西洋。
• 深海边缘：沉入北大西洋高纬度地区并向南流动的较冷、密度较大的海水。

两个分支协同工作，深海分支在维持 AMOC 的整体强度和稳定性方面发挥着关键作用。当深海分支减弱时，它会破坏整个环流系统，导致海洋热输送、全球气候系统和区域天气模式发生重大变化。

近期对正在减弱的深海边缘的观察

过去二十年，越来越多的证据表明北大西洋 AMOC 的深海支流已经减弱。

深海边缘减弱的主要驱动因素之一是南极底层水 (AABW) 的形成减少。当寒冷、稠密的水沉入南极洲附近的海底并开始沿着 AMOC 的深海边缘向北长途跋涉时，就会形成 AABW。然而，气温升高和盐度变化正在降低 AABW 的形成率，从而削弱 AMOC 的深海边缘。AABW 形成的减少在过去几十年中尤为明显，研究表明，由于海冰融化和冰川径流导致南大洋淡化是这一过程的一个关键因素。

深海也出现了明显的变暖趋势，尤其是在西大西洋。由于气候变化导致地表水变暖，海面和深海之间的温度梯度正在减小。这对热盐环流产生了不稳定的影响，因为密度较低的地表水下沉和驱动深海洋流的能力较弱。因此，AMOC 的深层分支在过去几十年中逐渐减弱，导致洋流速度减慢，热量分布模式发生改变。

北极和南极冰盖融化带来的淡水输入不断增加，进一步加剧了这种情况。淡水的涌入稀释了地表水，降低了它们的盐度，从而降低了它们的密度。这降低了下沉过程的强度，而下沉过程对于推动 AMOC 的深海分支至关重要。除了冰融化带来的淡水外，降水模式和河流径流的变化也导致北大西洋淡化，进一步破坏了 AMOC 系统的稳定性。

深海分支减弱背后的机制

AMOC 深海分支的弱化是一个复杂的过程，受多种物理、化学和生物因素的影响。

1. 温盐层化：

温盐环流在很大程度上取决于海洋的分层，较冷、密度较大的海水会下沉，而较暖、较轻的海水则会停留在海面。深海边缘的减弱主要是由于海面和深海之间的温度和盐度对比减小。随着全球气温上升，海面水变暖，从而降低了海面和深海之间的温度梯度。与此同时，淡水输入的增加降低了海面水的盐度，进一步降低了其密度。这综合起来削弱了海面水下沉的能力，从而削弱了推动深海边缘的力量。

2. 北极和南极的反馈

北极和南极在影响 AMOC 方面的作用正日益得到认可。北极海冰融化对 AMOC 有直接和间接的影响。直接影响来自海冰融化将淡水释放到海洋中，稀释了地表水并降低了其盐度。这会破坏维持深海边缘强度所必需的密度驱动过程。

间接地，海冰的消失也会影响大气和海洋之间的热交换。冰减少，太阳光的反射减少，导致海洋吸收更多的太阳辐射。这加速了北极的变暖，并可能通过改变海洋环流模式和不同海洋层之间的温度梯度进一步破坏 AMOC 的稳定性。

3. 海洋环流的变化：

除了温度和盐度变化外，全球海洋环流的变化也会导致深海边缘的减弱。大气环流模式的变化，例如北大西洋涛动 (NAO)和大西洋经向模 (AMM)，会影响北大西洋洋流的强度。因此，AMOC 的减弱可能与这些大规模大气和海洋环流模式的变化有关，全球变暖可能会加剧这种变化。

AMOC 减弱的影响

AMOC 深海支的减弱对区域和全球气候系统有着深远的影响。AMOC 是全球热量分布的主要驱动因素，尤其是在北半球。随着 AMOC 强度的减弱，它可能导致气候和天气模式发生一些重大变化。

• AMOC 减弱最显著的影响之一是欧洲和北美的降温。AMOC 将暖水从热带输送到北大西洋，调节这些地区的气候。AMOC 的减弱或崩溃可能会导致欧洲和北美部分地区的冬季更加寒冷，极端天气事件也增多。
• AMOC 减弱也会导致海平面上升，尤其是在美国东海岸。深海边缘的减弱将减缓深水向南流动，减少从北大西洋输送的水量。这可能导致水在海岸线上积聚，从而导致海平面上升。洋流的变化可能会影响热量和淡水的分布，进一步导致海平面上升。
• AMOC 影响降水和风暴模式，尤其是在北大西洋。AMOC 的减缓可能会改变天气模式，导致某些地区风暴活动增加，而其他地区出现干旱。例如，AMOC 的减弱与北大西洋更频繁、更强烈的风暴有关，尤其是在冬季。
• 深海边缘的减弱也会对海洋生态系统产生重大影响。AMOC 在营养循环中起着至关重要的作用，因为它推动了富含营养物质的深海水域的上升，这些营养物质可以支持海洋生物。较弱的 AMOC 可能会减少这些营养物质的可用性，从而可能导致海洋生产力下降和海洋食物网中断。这可能对全球渔业和海洋生物多样性产生深远影响。

新的研究发现

一项新的研究利用来自北大西洋多个来源的系研究人员利用系泊观测和水文数据，来追踪AMOC深海边缘的变化。​​​

研究发现，AMOC 深海支脉在过去二十年中显著减弱。这种减弱主要与南大洋南极底层水 (AABW) 形成减少有关。AMOC 的深海支脉负责将冷而稠密的水送回海洋深处，现在其功能正在降低，这影响了北大西洋的深水环流。

具体而言，向北流动的南极底层水被限制在 4,500 米以下，在 16° N 处的平均体积输送量为 2.40 ± 0.25 Sv。南极底层水向北输送减弱了约 0.35 ± 0.13 Sv，相当于减少了 12 ± 5%。

大西洋经向翻转环流深海单元的减弱可能是对过去几十年来南极底层水形成率降低的反应，并且与整个西大西洋观测到的深海变暖有关。

由于深海等密度线向下隆起，亚热带北大西洋南极底层水层在过去二十年中平均每年升温 1 m°C（1 m°C = 0.001 °C），导致深海热含量增加，从而导致该地区海平面上升。这一变暖趋势约为南大西洋和部分南大洋观测到的南极底层水变暖趋势的一半，表明随着南极底层水越过赤道，信号被减弱。

由于这种减弱，气候模型预测全球天气模式将受到重大影响，例如欧洲降温、美国东海岸海平面上升以及海洋生态系统可能受到破坏。该研究指出了临界点的潜在风险，AMOC 的减缓可能引发全球气候条件发生剧烈且不可逆转的变化。

思考

虽然人们普遍认为，由于气候变暖和淡水输入增加导致 AABW 形成减少是 AMOC 减弱的主要驱动因素，但控制这一过程的具体机制是什么？冰融化和降水模式导致的淡水输入的季节性或年际变化在影响 AABW 形成方面起着什么作用？洋流和热盐动力学具体如何影响北大西洋不同地区的 AMOC 深层支？

AMOC 的减弱是否会导致不可逆转的临界点，从而导致环流崩溃。深海边缘的减弱阈值是多少会导致 AMOC 完全崩溃，这会如何影响区域和全球气候？

参考文献：Tiago Carrilho Biló, Renellys C. Perez, Shenfu Dong, William Johns & Torsten Kanzow ，Weakening of the Atlantic Meridional Overturning Circulation abyssal limb in the North Atlantic.  Nature Geoscience volume 17, pages419–425 (2024)，doi.s41561-024-01422-4

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