大西洋顛覆環流能關閉嗎?

大西洋顛覆環流能關閉嗎?

AMOC的示意圖。 紅色通道表示靠近表層的水較暖,而紫色通道表示在深處移動的水較冷,稠密。 信貸:大都會辦公室

通常,我們將氣候變化視為一個漸進過程:人類排放的溫室氣體越多,氣候變化就越大。 但是,是否有任何“無法回報的點”使我們做出不可逆轉的改變?

被稱為“ AMOC”的“大西洋子午線翻轉環流”是世界海洋中當前的主要係統之一,並且在調節氣候方面起著至關重要的作用。

它是由海洋溫度和鹽度之間的微妙平衡驅動的,這有可能因氣候變暖而受挫。

最新研究表明,AMOC在本世紀很有可能會弱化,但崩潰的可能性很小。 但是,科學家們無法精確定義變暖可能使AMOC超過臨界點的方式。

傾覆

下圖顯示了AMOC。 在北大西洋,來自亞熱帶的溫水在地表附近向北流動,而冷(因此密度更大)的水向南傳播深度通常在地表以下2-4公里。

在北部,溫暖的地表水被上層大氣冷卻,轉化為冷的稠密水,然後下沉以供應較深的南側分支。 在其他地方,冷水上升並被加熱,為上部溫暖的分支重新供電,並完成迴路。

AMOC會崩潰嗎?

AMOC易受氣候變化的影響。 隨著溫室氣體增加導致大氣變暖,海洋從北大西洋表面散失熱量的能力減弱,AMOC的驅動因素之一也減弱了。

本世紀全球變暖的氣候模式預測始終表明AMOC的減弱。 最近的評估 政府間氣候變化專門委員會 (IPCC)– 第五次評估報告 (AR5)和 氣候變化中海洋和冰凍圈特別報告 (SROCC)–兩者都得出結論,AMOC在“很有可能”在21世紀減弱。

隨著向北供熱速度下降,這種減弱將對北大西洋地區周圍的氣候產生冷卻作用。 這種影響已包括在氣候預測中,但是溫室氣體濃度上升帶來的直接變暖效應更強,因此最終結果仍然是陸地區域變暖。

但是,從理論上講,更大的變化是可能的。 可能存在一個“臨界點”,超過該臨界點,當前強大的AMOC將變得不可持續。

證據可以追溯到 開創性論文 由現代海洋學之父之一於1961年出版, 亨利·斯托梅爾。 Stommel意識到AMOC是溫度和鹽度影響之間的一種競爭,兩者都會影響海水的密度。

大西洋顛覆環流能關閉嗎?

下圖說明了可能的AMOC狀態。 在當今的氣候中,溫度起著主導作用,而寒冷,濃密的高緯度水則驅動強烈的AMOC(紅色曲線)。 但是在其他氣候狀態下,淡水(來自降雨或冰融化)可能使高緯度水變淡(因此變淡)。 在這種情況下,水的密度不足以驅動AMOC崩潰(藍色曲線)。

如果向大西洋的淡水輸入足夠強(例如,由於格陵蘭冰蓋的迅速融化,則藍點將移至圖中的右側)。 根據Stommel的模型,在某些時候,強AMOC狀態(紅色)變得不可持續,並且AMOC崩潰到“關閉”狀態(藍色)。 然後,即使後來改變了駕駛的氣候變化(藍點移回到圖的左側),AMOC仍會停留在藍色曲線上,並且不會再次打開,直到氣候超過了當日的當前狀況為止。相反的方向。 這種現象稱為“滯後”。

大西洋顛覆環流能關閉嗎?

Stommel的簡單模型中AMOC的臨界點和滯後。 AMOC的可能狀態取決於輸入大西洋的淡水量(x軸)。 y軸顯示AMOC強度。 [請注意,兩者均以Sverdrups(Sv)進行度量,其中1 Sv表示每秒運輸的一百萬立方米的水。]當淡水輸入量低時,溫度將主導流量,並且只有很強的AMOC可能(紅色曲線)。 對於大量的淡水輸入,只有塌陷狀態是可能的(藍色曲線)。 在這兩者之間,這兩種狀態都是可能的。 如果淡水輸入增加到超過臨界值(臨界點),AMOC將崩潰。 然後,即使淡水輸入恢復到其原始狀態,AMOC也將保持關閉狀態。 信貸:大都會辦公室.

長期預測

多年以來,Stommel的想法一直在發展,但基本見解仍然有意義。 有 evi登斯 AMOC的變化可能在過去的一些重大氣候變化中發揮了作用-最近一次是在大約8,200年前,當時世界正從上一個冰河時代崛起。

當時,加拿大西北部的一個大湖被冰牆擋住了。 隨著溫度的升高,冰牆坍塌了, 存放淡水 從湖泊進入北大西洋並打斷AMOC。 可以看到此時的主要降溫是 古氣候記錄 遍及北美,格陵蘭和歐洲。

全面的氣候模型通常不會預測21世紀AMOC會完全關閉,但是最近的模型已經在未來運行了更長時間。 在以下情況下 持續的高溫室氣體濃度,許多模型項目 2300年AMOC有效關機.

但是,對未來AMOC的模型預測範圍很廣。 結果,在什麼程度的全球變暖會導致AMOC關閉的問題上,科學界不太可能在不久的將來看到任何趨同。

儘管在Stommel原始模型中破壞AMOC的基本機制在氣候模型中似乎很重要,但還有其他過程正在試圖穩定AMOC。 這些過程中有許多很難定量建模,尤其是在當前計算能力有限的分辨率下。 因此,我們的AMOC預測將在未來一段時間內繼續受到相當多的不確定性的影響。

考慮到所有證據,IPCC的AR5和SROCC得出結論,AMOC在2100年之前崩潰是“非常不可能”(pdf)。 但是,通過AMOC臨界點的影響將是巨大的,因此最好將其視為“低概率,高影響”方案。

崩潰會帶來什麼影響?

如果AMOC完全關閉,則可以使用氣候模型評估對氣候的影響。 通過在模型中向北大西洋添加大量淡水,科學家人為地減輕了形成環路下部分支的冷稠水。 這將停止AMOC,然後我們可以查看對氣候的影響。

下圖說明了導致此類實驗的變化。 AMOC的關閉會導致整個北半球的冷卻(藍色陰影),特別是最靠近北大西洋熱量損失區域(北大西洋中央供暖系統的“輻射器”)的區域。 在這些地區,由於溫室氣體導致的降溫超過了預計的變暖,因此在21世紀完全關閉的可能性很小,但可能會導致西歐等地區的淨降溫。

大西洋顛覆環流能關閉嗎?

人工誘發的AMOC坍塌後,表面溫度(C)的模型變化。 陰影表示冷卻(藍色)或溫暖(橙色和紅色)。 經Springer許可轉載。 傑克遜等。 (2015)高分辨率GCM氣候動態中AMOC減慢對全球和歐洲的氣候影響。

其他影響包括降雨模式的重大變化,歐洲冬季暴風雨的增加以及北大西洋盆地周圍最高50厘米的海平面上升。 在許多地區,由於全球變暖,這些影響將加劇趨勢。

雖然此類模型實驗是人為的“假設”? 這些案例說明了AMOC崩潰可能導致的變化幅度。 對農業,野生動植物,運輸,能源需求和沿海基礎設施的影響將是複雜的,但我們可以肯定會產生重大的社會經濟後果。 例如, 一項研究中 結果表明,在英國西部和愛爾蘭的主要放牧地區,草生產率降低了50%。

倒塌的風險該怎麼辦?

如上所述,科學家可以自信地定義AMOC可能跨越臨界點的全球變暖水平。

但是,即使不知道發生AMOC崩潰的可能性,也有可能管理它。

打個比喻:我知道我的房屋有可能燒毀,但可能性很小,這是低概率,高影響力的事件。 我不太可能會起火,但是無論如何,我都可以通過檢查電線和安裝煙霧報警器來控制風險。 接線檢查可以減少發生火災的可能性,而煙霧報警器會在發生火災時向我發出預警,從而可以通過撤離房屋並打電話給消防隊來減少影響。

最近,與 埃克塞特大學,我們一直在探索開發AMOC小費預警系統的可能性。

使用一個簡單的模型, 我們已經表明 認為亞熱帶和亞極大西洋鹽度隨時間變化的方式可以早期表明AMOC是否正在走向崩潰,這可能是AMOC本身尚未出現任何重大減弱的幾十年。

這項研究還處於初期階段,但是通過監控這樣一個指標,可能有更多的時間為AMOC崩潰的後果做準備,或者採取更積極的氣候變化緩解措施以使AMOC走上更穩定的道路。  

突出的問題

隨著世界為應對《巴黎氣候協定》目標而面臨的挑戰,對氣候變化途徑的興趣與日俱增 暫時超調 最終目標水平。 重要的是,這樣的超調量不得在到達最終目的地的過程中跨越任何不可逆的閾值,因此對臨界點的研究需要將理論結果與這些更實際的問題聯繫起來。

迄今為止,AMOC引爆點的許多建模都使用了向北大西洋輸入淡水的理想方案。 這與過去AMOC的某些變化有關,但是要為未來的氣候變化建模,我們需要了解變暖和新鮮化同時發生時發生的情況。

這是一個更具挑戰性的問題,因為相關過程和反饋的數量增加了。 這些流程中的某些流程規模很小,模型難以用當前的計算能力來解決。 改進AMOC關鍵流程的模型需要耐心和長期的投入,但最終將使AMOC的預測更加可信。

AMOC崩潰預警研究尚處於起步階段,但可能是應對風險的有效方法。 可以肯定的是:預警將需要不斷觀察AMOC的關鍵方面。

AMOC監控在2004年進入了一個新時代 快速摩卡,這是一系列繫泊儀器,在北緯26.5度橫跨大西洋的整個寬度,並提供對AMOC的連續監視。 在此之前,只有四次快照散佈了47年。

結果已經改變了我們對AMOC隨時間變化的理解:例如, AMOC意外下降 -在2009年秋季觀察到-被認為在2009-10和2010-11異常寒冷的歐洲冬季中發揮了作用。

最近,一個 相似的監控陣列 已安裝在亞極大西洋的更北側。 隨著 連續測量 由於漂泊的Argo浮游生物產生了溫度和鹽度,海洋學家現在有了一個空前的數據庫來研究我們氣候系統的這一關鍵要素,並為全世界提供了應對任何令人討厭的驚喜的機會。

關於作者

英國氣象局哈德利中心氣候,冰凍圈和海洋小組的負責人Richard Wood博士。 同一小組的科學家勞拉·傑克遜(Laura Jackson)博士。

這篇文章最初出現在 Carbon Brief

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