科学家说大西洋环流可能是“多稳态”的，这意味着什么？

大西洋经向翻转环流 (AMOC)是全球气候系统的基本组成部分，在调节全球温度和盐度模式方面发挥着至关重要的作用。最近的研究为 AMOC 的动态提供了新的见解，表明它表现出多稳态——能够存在于多个稳定状态——并且当超过某些阈值时可以发生中间临界点。这种现象对全球气候和区域天气模式都有重要影响。

了解大西洋经向翻转环流 (AMOC)

AMOC 是指将温暖、咸水从热带输送到北大西洋的大型洋流系统，同时将较冷、密度较大的水返回南方。这种环流是由水密度差异驱动的，而水密度差异又受温度（温盐线）和盐度梯度的影响。AMOC 的强度和稳定性对于调节西欧和北大西洋的气候至关重要，特别是在控制海洋和大气系统的热量分布方面。

AMOC 通常被描述为海洋环流的“传送带”。暖水从大西洋的热带地区流出，沿着表面向北移动，在那里冷却、变稠并下沉。这种深水形成有助于推动较冷的水回流回赤道。该系统传统上被认为是相对稳定的，但最近的研究表明，它在某些情况下可能会发生突然变化，可能导致可能彻底改变气候的临界点。

海洋环流的多稳态

海洋环流的多稳态性是指 AMOC 能够以多种稳定状态存在。

• 强 AMOC：暖水有效向北输送的状态，维持与大西洋传送带相关的典型气候条件。
• 弱 AMOC：环流减慢的状态，较少的暖水向北输送。这可能导致北半球（特别是欧洲）降温，并扰乱天气模式。

AMOC 的多稳态性受几个相互关联的因素控制。淡水输入增加（例如冰川融化或降水模式变化）可降低地表水的盐度，这会使水密度降低，不易下沉，从而削弱 AMOC；海洋温度和盐度的变化可以启动反馈回路，从而强化 AMOC 的弱状态或强状态，AMOC 减弱会导致北大西洋表面水温降低，从而进一步降低系统维持强循环的能力。洋流、分层和局部混合过程的复杂相互作用也能产生阈值，超过该阈值 AMOC 就会转变为新的状态。

这些机制使系统能够在多种状态之间“切换”，使得对其稳定性的预测变得非常复杂

最新研究表明，AMOC 可以处于多稳态，这意味着在某些情况下强态和弱态可以共存。这种多稳态源于海洋环流的非线性动力学，其中淡水输入、海洋盐度和温度梯度等因素的细微变化可以使系统在不同稳定状态之间切换。

中度临界点和气候突变风险

中度临界点是指一种气候临界点，此时系统不会简单地崩溃为一个新的稳定状态，而是经历逐渐而复杂的过渡到不同的状态。这一概念很重要，因为它表明 AMOC 的变化可能比“强”和“弱”状态之间的简单二元转变更为微妙。

研究发现，AMOC 可能会经历中间临界点，此时系统不会迅速崩溃，而是逐渐减弱，经历多个中间状态，最终稳定在新的平衡状态。这些转变可能不像之前想象的那么突然，但仍可能对气候产生重大的长期影响。

AMOC中间倾覆有多种潜在触发因素。格陵兰冰盖融化是淡水流入北大西洋的最重要因素之一，随着大量淡水流入海洋，地表水的盐度降低，从而削弱了维持 AMOC 的密度驱动过程。太阳辐射的变化，特别是在太阳输出减少的时期，也可能影响海洋温度和驱动 AMOC 的密度梯度。此外，热带辐合带 (ITCZ) 的转变可以改变大西洋热量和淡水的分布，影响 AMOC 的整体稳定性。

这些触发因素可以与现有的海洋条件相结合，推动 AMOC 超越临界阈值并导致临界事件。

AMOC海洋-大气反馈

海洋-大气反馈对于理解 AMOC 的动态至关重要。这些反馈涉及洋流、海面温度和大气条件之间的相互作用，它们可以放大或减弱AMOC 变化的影响。

如果 AMOC 减弱，这可能导致北半球变冷，从而导致天气模式发生变化，例如欧洲出现更频繁的寒流。这反过来又会改变气压模式，影响风向和洋流。这些变化可能会增强或抑制 AMOC 的减弱，具体取决于具体情况。

这些反馈机制可以增强或减轻AMOC 变化的影响。例如，由于气候变暖导致海冰覆盖减少可能会降低反照率效应，进一步加剧北极变暖，并形成可能削弱 AMOC 的正反馈循环。

此外，海冰在调节 AMOC 中的作用是另一个重要的反馈机制。随着北极变暖和海冰融化，释放到海洋中的淡水会降低地表水的盐度和密度。这一过程可能会减少驱动 AMOC 所必需的深海洋流的稠密水的形成。

同时，海冰的消失降低了地球的反照率，导致更多的太阳辐射被海洋吸收，从而进一步加速变暖。这种正反馈可能会使系统更接近中级临界点。

AMOC 多稳态的古海洋学证据

古气候记录为了解 AMOC 过去的行为提供了宝贵的见解，提供了有关该系统如何响应过去气候强迫的线索。冰芯、沉积物芯和其他替代物表明 AMOC 在过去经历了剧烈变化。

在这些时期，AMOC 减弱或崩溃，可能是由于淡水输入的大规模变化（例如冰盖融水的突然释放）造成的。这些事件与气候的重大变化有关，包括北大西洋的降温以及大气环流模式的变化。

这些古记录表明 AMOC 对淡水通量、温度梯度和其他气候因素的变化很敏感。它们还表明该系统能够发生突然转变，但这些转变的性质和强度可能有所不同。

通过了解 AMOC 之前经历临界点的条件，科学家可以更好地预测未来发生临界事件的可能性。将古海洋学数据与现代气候模型相结合的建模工作有助于我们更好地了解 AMOC 如何应对持续的气候变化。

新的研究发现

一项新的研究，研究人员使用原始方程海洋模型模拟由于冰川融化增加而导致的AMOC崩塌​。该研究跨越了275万年的模型模拟，以捕捉AMOC的复杂行为，据此分析崩塌前AMOC变异性的突变、质变。

研究发现了一个非常崎岖的稳定性景观，其参数区域多达九个共存的稳定状态。研究表明，在相似的外部条件下，AMOC 能够存在于多种稳定状态。强烈的环流状态，温暖的地表水被输送到北大西洋，推动热量分布并调节区域气候。循环减弱状态，系统仍然运转，但强度明显降低。一种崩溃的状态，其中 AMOC 可能完全停止运作，导致区域急剧降温以及全球气候系统的变化。

该研究引入了中级临界点 (ITP)的概念，其中 AMOC 可能不会突然崩溃，而是过渡到中间状态。这些转变以海洋环流的重大变化为标志，即使 AMOC 没有达到其极端临界点（完全崩溃），也可能破坏气候系统。中级临界点是指稳定环流状态之间的逐渐过渡，而不是突然转变。临界点可能并不像之前认为的那么尖锐，这些中间状态可能是AMOC 彻底崩溃前的警告信号。

这项研究为我们理解气候系统在压力下的行为方式增加了一个关键的复杂性。

思考

虽然人们的注意力主要集中在全球气候强迫（例如温室气体）上，但区域气候变化（例如影响热带大西洋和南大洋的气候变化）可能会影响 AMOC 的稳定性。局部气候变化是否足以引发区域范围内的临界点？

关于临界点的大部分研究都集中在AMOC上，但其他海洋系统（例如南大洋和太平洋）也可能表现出类似的行为。这些系统比 AMOC 更稳定还是更不稳定？它们在气候反馈方面如何相互作用？

参考文献：Multistability and intermediate tipping of the Atlantic Ocean circulation. Science Advances Vol. 10, No. 12，doi/full/10.1126/sciadv.adi4253

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