大西洋颠覆环流能关闭吗?

大西洋颠覆环流能关闭吗?

AMOC的示意图。 红色通道表示靠近表层的水较暖,而紫色通道表示在深处移动的水较冷,稠密。 信贷:大都会办公室

通常,我们将气候变化视为一个渐进过程:人类排放的温室气体越多,气候变化就越大。 但是,是否有任何“无法回报的点”使我们做出不可逆转的变革?

被称为“ AMOC”的“大西洋子午线翻转环流”是世界海洋中当前的主要系统之一,并且在调节气候方面起着至关重要的作用。

它是由海洋温度和盐度之间的微妙平衡驱动的,这有可能因气候变暖而受挫。

最新研究表明,AMOC在本世纪很有可能会弱化,但崩溃的可能性很小。 但是,科学家们无法精确定义变暖可能使AMOC超过临界点的方式。

倾覆

下图显示了AMOC。 在北大西洋,来自亚热带的温水在地表附近向北流动,而冷(因此密度更大)的水向南传播深度通常在地表以下2-4公里。

在北部,温暖的地表水被上层大气冷却,转化为冷的稠密水,然后下沉以供应较深的南侧分支。 在其他地方,冷水上升并被加热,为上部温暖的分支重新供电,并完成回路。

AMOC会崩溃吗?

AMOC易受气候变化的影响。 随着温室气体增加导致大气变暖,海洋从北大西洋表面散失热量的能力减弱,AMOC的驱动因素之一也减弱了。

本世纪全球变暖的气候模式预测始终表明AMOC的减弱。 最近的评估 政府间气候变化专门委员会 (IPCC)– 第五次评估报告 (AR5)和 气候变化中海洋和冰冻圈特别报告 (SROCC)–两者都得出结论,AMOC在“很有可能”在21世纪减弱。

随着向北供热速度下降,这种减弱将对北大西洋地区周围的气候产生冷却作用。 这种影响已包括在气候预测中,但是温室气体浓度上升带来的直接变暖效应更强,因此最终结果仍然是陆地区域变暖。

但是,从理论上讲,更大的变化是可能的。 可能存在一个“临界点”,超过该临界点,当前强大的AMOC将变得不可持续。

证据可以追溯到 开创性论文 由现代海洋学之父之一于1961年出版, 亨利·斯托梅尔。 Stommel意识到AMOC是温度和盐度影响之间的一种竞争,两者都会影响海水的密度。

大西洋颠覆环流能关闭吗?

下图说明了可能的AMOC状态。 在当今的气候中,温度起着主导作用,而寒冷,浓密的高纬度水则驱动强烈的AMOC(红色曲线)。 但是在其他气候状态下,淡水(来自降雨或冰融化)可能使高纬度水变淡(因此变淡)。 在这种情况下,水的密度不足以驱动AMOC崩溃(蓝色曲线)。

如果向大西洋的淡水输入足够强(例如,由于格陵兰冰盖的迅速融化,则蓝点将移至图中的右侧)。 根据Stommel的模型,在某些时候强AMOC状态(红色)变得不可持续,并且AMOC崩溃到“关闭”状态(蓝色)。 然后,即使后来改变了驱动的气候变化(蓝点移回到图的左侧),AMOC仍会停留在蓝色曲线上,并且不会再次打开,直到气候超过了当日的当前状况为止。相反的方向。 这种现象称为“滞后”。

大西洋颠覆环流能关闭吗?

Stommel的简单模型中AMOC的临界点和滞后。 AMOC的可能状态取决于输入大西洋的淡水量(x轴)。 y轴显示AMOC强度。 [请注意,两者均以Sverdrups(Sv)进行度量,其中1 Sv表示每秒运输的一百万立方米的水。]当淡水输入量低时,温度将主导流量,并且只有很强的AMOC可能(红色曲线)。 对于大量的淡水输入,只有塌陷状态是可能的(蓝色曲线)。 在这两者之间,这两种状态都是可能的。 如果淡水输入增加到超过临界值(临界点),AMOC将崩溃。 然后,即使淡水输入恢复到其原始状态,AMOC也将保持关闭状态。 信贷:大都会办公室.

长期预测

多年以来,Stommel的想法一直在发展,但基本见解仍然有意义。 有 evi信心 AMOC的变化可能在过去的一些重大气候变化中发挥了作用-最近一次是在大约8,200年前,当时世界正从上一个冰河时代崛起。

当时,加拿大西北部的一个大湖被冰墙挡住了。 随着温度的升高,冰墙坍塌了, 存放淡水 从湖泊进入北大西洋并打断AMOC。 可以看到此时的主要降温是 古气候记录 遍及北美,格陵兰和欧洲。

全面的气候模型通常不会预测21世纪AMOC会完全关闭,但是最近的模型已经在未来运行了更长时间。 在以下情况下 持续的高温室气体浓度,许多模型项目 2300年AMOC有效关机.

但是,对未来AMOC的模型预测范围很广。 结果,在什么程度的全球变暖会导致AMOC关闭的问题上,科学界不太可能在不久的将来看到任何趋同。

尽管在Stommel原始模型中破坏AMOC的基本机制在气候模型中似乎很重要,但还有其他过程正在试图稳定AMOC。 这些过程中有许多很难定量建模,尤其是在当前计算能力有限的分辨率下。 因此,我们的AMOC预测将在未来一段时间内继续受到相当多的不确定性的影响。

考虑到所有证据,IPCC的AR5和SROCC得出结论,AMOC在2100年之前崩溃是“非常不可能”(pdf)。 但是,通过AMOC临界点的影响将是巨大的,因此最好将其视为“低概率,高影响”方案。

崩溃会带来什么影响?

如果AMOC完全关闭,则可以使用气候模型评估对气候的影响。 通过在模型中向北大西洋添加大量淡水,科学家人为地减轻了形成环路下部分支的冷稠水。 这将停止AMOC,然后我们可以查看对气候的影响。

下图说明了导致此类实验的变化。 AMOC的关闭会导致整个北半球的冷却(蓝色阴影),特别是最靠近北大西洋热量损失区域(北大西洋中央供暖系统的“辐射器”)的区域。 在这些地区,由于温室气体导致的降温超过了预计的变暖,因此在21世纪完全关闭的可能性很小,但可能会导致西欧等地区的净降温。

大西洋颠覆环流能关闭吗?

人工诱发的AMOC坍塌后,表面温度(C)的模型变化。 阴影表示冷却(蓝色)或温暖(橙色和红色)。 经Springer许可转载。 杰克逊等。 (2015)高分辨率GCM气候动态中AMOC减慢对全球和欧洲的气候影响。

其他影响包括降雨模式的重大变化,欧洲冬季暴风雨的增加以及北大西洋盆地周围海平面上升高达50厘米。 在许多地区,由于全球变暖,这些影响将加剧趋势。

虽然此类模型实验是人为的“假设”? 这些案例说明了AMOC崩溃可能导致的变化幅度。 对农业,野生动植物,运输,能源需求和沿海基础设施的影响将是复杂的,但我们可以肯定会产生重大的社会经济后果。 例如, 一项研究中 结果表明,在英国西部和爱尔兰的主要放牧地区,草生产率降低了50%。

倒塌的风险该怎么办?

如上所述,科学家可以自信地定义AMOC可能跨越临界点的全球变暖水平。

但是,即使不知道发生AMOC崩溃的可能性,也有可能管理它。

打个比喻:我知道我的房屋有可能烧毁,但可能性很小,这是低概率,高影响力的事件。 我不太可能会起火,但无论如何,我都可以通过检查电线和安装烟雾报警器来控制风险。 接线检查可以减少发生火灾的可能性,而烟雾报警器会在发生火灾时向我发出预警,从而可以通过撤离房屋并打电话给消防队来减少影响。

最近,与 埃克塞特大学,我们一直在探索开发AMOC小费预警系统的可能性。

使用一个简单的模型, 我们已经表明 认为亚热带和亚极大西洋盐度随时间变化的方式可以早期表明AMOC是否正在走向崩溃,这可能是AMOC本身尚未出现任何重大减弱的几十年。

这项研究还处于初期阶段,但是通过监控这样一个指标,可能有更多的时间为AMOC崩溃的后果做准备,或者采取更积极的气候变化缓解措施以使AMOC走上更稳定的道路。

突出的问题

随着世界为应对《巴黎气候协定》目标而面临的挑战,对气候变化途径的兴趣与日俱增 暂时超调 最终目标水平。 重要的是,这样的超调量不得在到达最终目的地的过程中越过任何不可逆的阈值,因此对临界点的研究需要将理论结果与这些更实际的问题联系起来。

迄今为止,AMOC引爆点的许多建模都使用了向北大西洋输入淡水的理想方案。 这与过去AMOC的某些变化有关,但是要为未来的气候变化建模,我们需要了解变暖和新鲜化同时发生时发生的情况。

这是一个更具挑战性的问题,因为相关过程和反馈的数量增加了。 这些流程中的某些流程规模很小,模型难以用当前的计算能力来解决。 改进AMOC关键流程的模型需要耐心和长期的投入,但最终将使AMOC的预测更加可信。

AMOC崩溃预警研究尚处于起步阶段,但可能是应对风险的有效方法。 可以肯定的是:预警将需要不断观察AMOC的关键方面。

AMOC监控在2004年进入了一个新时代 快速摩卡,这是一系列系泊仪器,横跨大西洋,在北纬26.5度,可以连续监测AMOC。 在此之前,只有四次快照散布了47年。

结果已经改变了我们对AMOC随时间变化的理解:例如, AMOC意外下降 -在2009年秋季观察到-被认为在2009-10和2010-11异常寒冷的欧洲冬季中发挥了作用。

最近, 相似的监控阵列 已安装在亚极大西洋的更北侧。 随着 连续测量 由于漂泊的Argo浮游生物产生了温度和盐度变化,海洋学家现在有了一个空前的数据库来研究我们气候系统的这一关键要素,并为全世界提供了应对任何令人讨厌的惊喜的机会。

关于作者

英国气象局哈德利中心气候,冰冻圈和海洋小组的负责人Richard Wood博士。 同一小组的科学家劳拉·杰克逊(Laura Jackson)博士。

这篇文章最初出现在 碳简介

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