全球海表温度升高，为什么北大西洋却出现降温？探索北大西洋暖洞
自1870年以来，全球海洋表面温度平均上升约0.55°C，但北大西洋亚极地区域却下降了约0.75°C，这一下降趋势称之为北大西洋暖洞，在温室效应加剧的今天，为什么这片区域反而变冷？一项新的研究探讨是什么机制让北大西洋暖洞暖洞长期存在机制，以及它对大气环流有什么影响。
北大西洋海表温度变化及对大气风的影响
全球变暖正在改变地球的每一个角落，但北大西洋却开启了局部降温模式。自1870年以来，北美东北海岸海温快速上升约1.5°C，约全球平均的3倍，这个暖斑块远高于全球平均水平，但格陵兰以南却出现了一个冷斑块，海温下降了0.75°C。
为什么会出现这种局部降温现象，是不是大西洋的大西洋经向翻转环流变慢了？为了探究这一问题，研究团队分析了1870年以来的海温数据，同时，海洋上空的风向和气压也在改变，比如北大西洋涛动倾向于负相位，研究通过数值模拟做了4组实验，分别为正常气候状况、去掉格陵兰附近的“冷斑块”状况，去掉北美东北的“暖斑块”，“冷斑块”和“暖斑块”都去掉的情形，验证了他们之前的因果关系。研究发现，去除格陵兰以南的冷却趋势和北美东北海岸的变暖趋势后，大气响应呈现显著的北大西洋涛动负相位倾向。北大西洋海表温度趋势在冬季引发类似北大西洋涛动负相位的响应，表现为海平面气压异常，而夏季响应主要体现为格陵兰以南的高压异常。风应力异常导致副热带涡旋的埃克曼泵送速度向南偏移，可能抑制局部变暖，同时通过风应力变化影响副热带涡旋位置。
图：1870 年至 2019 年每月 SST 异常的线性趋势
(b) 与 (a) 相同，但去除了全盆地中值趋势 0.49°C 每世纪（从 55°S 到 60°N 计算）。两个图中的黑色轮廓代表 NOAA OIv2 观测数据（1982-2019 年）的年平均 SST 场，每 4°C 绘制一次轮廓。除了趋势非常接近零（每世纪小于 ±0.1°C）和赤道太平洋东部地区外，所有趋势在 90% 的置信水平下都是显著的。
北大西洋暖洞驱动因素
暖洞到底是怎么形成的，是大西洋经向翻转环流减弱主导还是高纬度热输送、云反馈等其他因素？又或者是否是人为因素造成的？研究团队使用了德国马普气象研究所的MPI-ESM1.1气候模型，进行多组实验，逐步揭示暖洞的形成机制。
传统上认为，大西洋经向翻转环流减弱是北大西洋暖洞的主要驱动因素，通过模拟1850–2005年数据对比实测数据，暖洞确实存在，但大西洋经向翻转环流变化不明显，挑战了传统观点。
通过CO₂每年增加1%，观察海洋和大气如何响应，研究有了关键发现，暖洞与大西洋经向翻转环流呈强负相关。在前80年，暖洞迅速增强，但低纬度大西洋经向翻转环流减弱很慢，说明高纬度海洋热输送增加才是主要原因，而在后70年，低纬度大西洋经向翻转环流才开始显著减弱，暖洞变得更明显。模拟中，大西洋经向翻转环流减弱信号被自然变率掩盖，但高纬度海洋热输送增加基本可以判定为人为因素造成。
通过混合层海洋实验实验，固定海洋环流，只看大气的影响，研究发现，即使大西洋经向翻转环流没有变化，暖洞仍然会出现，只是强度会减少，从3k降至1.5k，说明大气过程如云反馈、风增强蒸发冷却等献了一半的冷却效果。最后，又验证了云的作用，通过让云层不随气候变化调整，看看暖洞会不会消失。研究结果表明，暖洞变弱了，证明云反馈确实会放大冷却效应。
研究表明，暖洞是低纬度大西洋经向翻转环流减弱、高纬度海洋热输送增加、云反馈和大气过程共同作用的结果。
图：北大西洋的线性表面温度趋势
a,HadlssT观测的1870-2016年温度趋势。b，历史集合(耦合MPI-ESM1.1)的1850-2005年集合平均温度趋势。c,Ensemble平均温度趋势，前80年1%C0增加，每年Ensemble(耦合MP1-ESM1.1)。d，Ensemble平均温度趋势，前80年的1%CO增加，每年混合层海洋模拟(混合层海洋ECHAM6.3)。方框表示WHI(方程(1)和图2)使用的区域。
北大西洋暖洞长期存在的机制
为了搞清北大西洋暖洞的运作机制，科罗拉多大学的研究团队利用1870-2019年历史观测数据确了的大西洋暖洞冷却趋势，然后再与1940-2023年ERA5再分析的大气响应对比，模拟了它对大气的影响，并揭示它的反馈机制。
研究首次明确大西洋暖洞通过瞬变涡强迫增强西风形成自强化正反馈。当北大西洋暖洞存在时，北大西洋西风增强，地表+1.5 m/s，高空+3 m/s，并推动急流向东延伸8°，更强的西风会增加海表热损失。具体原理简示如下：西风增强→热通量增加→冷却加剧，解释了它长期存在的依据。简单来说，当北大西洋变冷，上空的西风带会增强，加强了散热过程，吹得海面更冷，形成一个正反馈的过程。
研究团队尝试把大西洋暖洞往南挪，南移20°后，大气仍出现类似响应，但海平面气压出现异常减弱25%，西风减弱50%，急流仅东移5°，虽削弱了冷却反馈，但至少在20∘纬度范围内，北大西洋区域大气响应并不严重依赖于大西洋暖洞的位置，暖洞的持续性及其通过与大气相互作用的维持取决于其与中纬度急流的距离。
此外，研究还强调了分辨率的重要性，低分辨率模型认为大西洋暖洞会自我削弱的负反馈，冷却的海表温度稳定边界层，进而减弱西风强度；但新的高分辨率模型现实，大西洋暖洞是一个自我强化的正反馈，会增强西风，强化冷却。
思考题：北大西洋暖洞最可能由哪种机制维持？
A.太阳辐射减少
B.西风增强导致海表冷却加剧
C.北极冰盖融化注入冷水
D.海底火山喷发降温
参考答案：（点击查看）
B.
解析：研究发现，北大西洋暖洞的冷却是由于西风增强→海表热量流失→进一步降温，形成自我强化循环的正反馈。
虽然北大西洋暖洞只是是个局部现象，但它提醒我们气候系统极其复杂，全球变暖不会让每个地方都均匀升温，也可能是全球气候变化的早期信号。
参考文献：Sydney M. Kramer, Kristopher B. Karnauskas, Lei Zhang, Ulla K. Heede & Heng Liu ，A positive atmospheric feedback on the North Atlantic warming hole. Scientific Reports volume 14, Article number: 29829 (2024) ，doi.s41598-024-80381-7