大西洋洋流“千年来最弱”，影响几何？| 世界地球日

4.22

知识分子

The Intellectual

IPCC AR6将大西洋经向翻转环流的崩溃列为小概率、高影响事件 | 图源：pixabay.com

导 读

今天（4月22日）是第53个世界地球日，主题是“珍爱地球，人与自然和谐共生”，活动发起者旨在通过本纪念日，唤起全世界人类爱护地球、保护家园的意识。

2004年上映的著名科幻灾难片《后天》讲述过这样一个故事：由于全球变暖，大西洋经向翻转环流突然崩溃，临近北大西洋中高纬的欧洲和北美地区被冰河包围，全球也即将陷入第二次冰河纪。这一幕，未来真的有可能重演吗？

撰文 | 唐颢苏

责编 | 冯灏

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在英国伦敦，近30年冬季一月的平均气温一般在2至7°C，与之相较，处于同一纬度的中国黑龙江漠河，一月的均温则低至零下36至零下20°C。造成这种东西纬向差异的一个重要原因，正是由于冬季北大西洋暖流持续不断地向西欧输送暖湿空气。

图1 1948至2010年去除东西纬向平均后的冬季（12月至次年2月）平均地表温度，红色表示偏暖，颜色越红，偏暖越多，蓝色则相反。北大西洋暖流对西欧冬季增暖起到重要作用，此外西欧增暖也受到中纬度西风带的影响，因此冬季北半球大陆的西部总是会比东部暖 | 图源[1]

不仅是西欧，冬季北大西洋暖流也可以调控万里之遥、远在中国的天气气候系统——北大西洋暖流带来的暖湿空气经由北大西洋深入北极地区，将原本盘旋于该地的北极涡旋等冷气团驱赶至西伯利亚、蒙古高原等地区，进而加强西伯利亚高压，最终加剧冬季中国北方极端冷暖事件的发生 [2]。

近期有多项研究 [3-5] 指出，大西洋洋流系统正处于近千年来的最弱状态，这种减弱可能意味着该系统正在失去稳定性 [6]。

大西洋洋流系统的潜在崩溃，可能在全球范围内引发严重后果 [7]。

首当其冲的便是西欧与北美地区的剧烈降温、大西洋海平面上升。随后，可能在全球引发一系列连锁反应，甚至中断当前的全球变暖，使得整个北半球中高纬度地区陷入数百乃至数千年的低温冰川期。

图2 2015年1月至10月的地表温度异常，红色（蓝色）阴影表示相比往年平均更热（更冷）。全球都在增暖，只有北大西洋格陵兰岛南部地区在变冷，该现象被称为“北大西洋冷斑”，可能是由大西洋洋流系统减弱所致 | 图源：英国气象局哈德莱中心

全球气候系统的 “阿喀琉斯之踵”

全球大洋环流主要可以分为两类：风生环流与热盐环流。

风生环流由海表的风场驱动，可以影响到深至海表400米以下海水的流动。

而由密度梯度驱动的深层环流被称为热盐环流，海水的密度由温度和盐度决定，温度越低、盐度越大，则密度越大。进一步的，海水密度差会引起全球尺度的深海流动，如海表低温高盐的水团会因为密度大而下沉 [8]。因此，热盐环流也被称作大洋环流传输带（The Great Ocean Conveyor）[9]，它控制着全球大洋约90%的水体，是调节全球气候系统的关键纽带。

大西洋洋流系统是大洋环流传输带的重要组成部分，它更加学术的名称是“大西洋经向翻转环流”（Atlantic Meridional Overturning Circulation，AMOC），名称中的 “经向” 即南北方向。北大西洋暖流在向北流动的过程中，会逐渐向大气释放热量与水汽，自身则会变成低温高盐的水体。海水因为密度增大（变重）在北大西洋北部地区下沉，形成北大西洋深层水。该水体在中深层海洋折返向南运动，越过赤道在南半球海域上升，最终汇入北大西洋暖流形成闭环 [10]。

大西洋经向翻转环流的表层海水向北流动，会将赤道的热量输送到北大西洋中高纬；这一过程就像全球气候系统的“阿喀琉斯之踵”，一旦减弱甚至崩溃，输送到北大西洋中高纬的热量变少，最先变冷的是离其最近的西欧和北美地区，随后整个北半球也会一起变冷，牵一发而动全身，“环球同此凉热”。

图4 全球海洋能量传输。横坐标正值表示能量向北半球输送，负值表示向南半球输送，纵坐标为纬度。蓝色线段表示全球海洋整体能量传输，紫色、红色和绿色线段分别表示大西洋、太平洋和印度洋的贡献。由于大西洋经向翻转环流的存在，大西洋洋盆自南向北能量输送总是向北半球。作为对比，全世界人口一年消耗的能量约为0.015 PW，约为全球海洋能量输送的1% | 图源[11]

由于大西洋经向翻转环流在全球能量传输中的重要作用，它也被气候科学家们列为影响世界的九大关键气候 “临界点”（tipping point）之一。

图5 影响地球气候系统的九大关键临界点，大西洋经向翻转环流为图中C点所示 | 图源[12]

所谓气候 “临界点”，即一旦越过该点，就可能会发生重大且无法逆转的气候变化。正如同一叶漂浮在水面上的扁舟，刚开始倾斜进水时，尚能保持平衡；但当倾斜达到一定程度时，小舟就会倾覆——造成这一不可逆后果的倾斜角就是 “临界点”。

图6 临界点的崩溃就像积木游戏，你不知道抽出来的哪一块积木会成为“压死骆驼的最后一根稻草” | 图源：《绿色冲刺》

人类的“后天”

如果大西洋经向翻转环流突然越过气候“临界点”，世界又将会是怎样一幅景象呢？

著名科幻灾难片《后天》讲述的就是这样一个故事：由于全球变暖，大西洋经向翻转环流突然崩溃，临近北大西洋中高纬的欧洲和北美地区被冰河包围，全球也即将陷入第二次冰河纪。

图7 由于大西洋经向翻转环流突然崩溃，纽约一夜冰封，自由女神像手上的火炬变成冰棍 | 图源：电影《后天》

诚然，电影情节有诸多夸大，片中冰河世纪一夜而至的情节也绝无可能在当今现实世界中发生。然而，在地质历史时期，大西洋经向翻转环流的变化确实曾引起《后天》场景般的环境巨变。

距今约1.2万年前，地球正处于暖期，大西洋经向翻转环流突然减弱，大洋环流传输带关闭，全球增暖中断，气温陡降。整个事件持续了约1200年，期间全球平均气温整体下降了约6℃。这次全球性的突然变冷事件被后人称为 “新仙女木事件”（Younger Dryas Event）。

图8 原本只能在极地生长的“仙女木”花，在本次全球性的突然变冷事件中在欧洲大陆上竞相开放，说明在该时段欧洲也曾经像北极一样寒冷，该事件也因此被称为“新仙女木事件”|图源：美国国家海洋和大气管理局

图9 猛犸象复原图，气候变冷常与大型哺乳动物灭绝相联系 | 图源：《科学》封面

运用气候模式，在超级计算机上进行数值模拟试验，当代气候科学家详细分析了这一距今1.2万年前的 “全球变暖背景下的突发性变冷”。

主流观点（冰盖融化说，另一派为彗星撞击说）认为，由于全球变暖，当时北半球高纬冰层（如北美大陆劳伦泰德冰盖）大量融化，导致大量淡水注入北大西洋；又由于淡水密度小于海水，很难沉入海底，海洋垂直层结加大，大西洋经向翻转环流位于北大西洋的高纬下沉支减弱，进一步带动整个大洋环流传输带的减弱，赤道地区温暖的海水不再向北输送，最终引起全球变冷—— “新仙女木事件” [13]。

图10 气候模式模拟的“新仙女木事件”期间全球年平均降水变化（相较于其之前的暖期），绿色表示变湿，棕色表示变干。“新仙女木事件”期间北半球剧烈变冷，进一步引起整体降雨减少| 图源：文献[14]

此外，当时全球变暖背景下北极增暖相较全球其他区域更快，导致极地与热带间的温差减小，进一步引起北半球中高纬高空西风急流的减弱，可能加剧了 “新仙女木事件” 期间西欧与北美东部气温的骤降。

图11 全球平均温升1.5°C、2°C和4°C模拟情景下，全球各地温升幅度，红色越深，增暖越强，北极温升显著快于全球其他地区，这也被称为 “北极放大效应” | 图源[14]

不确定的现在

大西洋经向翻转环流横跨了整个大西洋，因此，直接观测极具挑战性，大部分关于它的研究也主要依赖气候模式模拟或使用代用资料。为此，2004年4月以来，气候科学家们在大西洋26°N断面展开连续观测，即RAPID项目（Rapid Climate Change Programme）。结果显示，大西洋经向翻转环流在观测时间段内基本呈现减缓趋势。

然而，我们并不能据此判断——是人类活动引起的全球变暖造成了这种变化，因为直接观测到的减弱也受到环流系统自身变率的影响。正是因为种种不确定性，“大西洋经向翻转环流在20世纪发生改变” 这一结论被联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估 告《气候变化2021：自然科学基础》列为 “低信度”。

图12 大西洋26°N处的RAPID观测阵列的组成示意图 | 图源[15]

图13 除了RAPID观测阵列，还有另一套位于北大西洋副极地的国际观测系统，被称为OSNAP（Overturning in the Subpolar North Atlantic Program）观测项目（图中红线所示）| 图源[16]

也有研究认为，在当前气候背景下，大西洋经向翻转环流的减弱并非会引起全球变冷，反而更有可能加剧全球变暖 [17]。

该研究认为，当大西洋经向翻转环流较强时，会向北大西洋高纬地区输送更多低温高盐的海水，随后的局地下沉会将更多地表上人为产生的热量带入深海，这一过程会减弱地表人为造成的变暖，充当起全球变暖的 “缓冲器”。而在大西洋经向翻转环流较弱时，进入深海的热量就会变少，更多的热量会停留在海洋表面，加热大气，使其温度迅速上升，从而加剧全球变暖。

图14 1945至2017年大西洋经向翻转环流强度变化经历了以下几个阶段：1945年至70年代中期的强盛期，70年代中期至90年代末的衰弱期，以及90年代末至10年代中期的另一个强盛期。这三个阶段与全球变暖的加速和停滞时期相吻合，表明大西洋经向翻转环流可能也在抑制或增强全球变暖 | 图源[17]

确定的未来

尽管大西洋经向翻转环流的相关研究目前尚存巨大的不确定性，但有一个结论是肯定的——若温室气体排放持续增加，则该系统在未来将会减弱。

在气候模式预测的所有未来排放情景下，大西洋经向翻转环流在本世纪都将减弱，这一结论被IPCC第六次评估 告列为 “高信度”，意味着所有的气候模拟试验结果高度一致。

具体而言，与1850至1900年相比，假设全球温升稳定在1.5 ℃、2.0 ℃和3.0 ℃，大西洋经向翻转环流将在几十年内