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大西洋洋流“千年来最弱”,影响几何?|世界地球日

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?

本文将从科学家们对大西洋洋流系统近些年的监测情况讲起,探讨这一问题。

 

撰文 | 唐颢苏

责编 | 冯灏

 

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。

图3 大洋环流传输带示意图。全球各大洋相互间互有流通,其流通路径就像是一条贯通大洋的“传送带” 图源:美国航空航天局,本文作者翻译

 

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)第六次评估报告《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]

 

然而,受限于代用资料数据来源可靠性等问题,这一猜想仍然饱受争议 [18]。未来,气候科学家们需要通过更长时间尺度的直接观测数据,确定内部变率、自然强迫和人为强迫对大西洋经向翻转环流变化的相对贡献。

 

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第六次评估报告列为 “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减弱15%、20%和30% [14],而气候系统的复杂性决定了这种局地海洋环流的减弱可能带来全球大范围的气候异常。 

图15 气候模式模拟的大西洋经向翻转环流在未来不同增暖情景下的强度变化,横坐标为时间,纵坐标为强度,黑线和灰线代表历史时期模拟,彩色线代表不同的未来情景下的模拟 | 图源[14]

 

尽管该系统会减弱,但在未来百年内不太可能发生突然的崩溃(中等信度)。但另一方面,这种崩溃一旦发生,将非常可能导致区域天气型和水循环的突然转变,例如热带雨带南移、非洲和亚洲季风减弱等。因此,IPCC第六次评估报告将大西洋经向翻转环流的崩溃列为小概率、高影响事件(黑天鹅事件)。

图16 当前和未来温升背景下大西洋经向翻转环流对比,左图展示的是当前气候状况,右图展示的是未来全球变暖背景下减弱的大西洋经向翻转环流 | 图源[14]

 

即便大西洋经向翻转环流未来减弱至崩溃,地球依然可以达到新的气候平衡态。但人类是否可以再次去适应,我们不得而知。

 

“后天” 也许离我们并不遥远,我们需要对当前的全球变暖引起足够重视,并付诸行动,通过减少温室气体排放,减缓这种变化。毕竟,地球是不需要人类拯救的,人类要拯救的是自己。 

 

注:“大洋环流传输带” 理论提出者华莱士·布勒克(Wallace Broecker)于2019年去世,他是 “全球变暖”(Global Warming)这一术语最早的一批提出者[19],也被公认为最伟大的地球科学家之一。

 

致  谢

感谢中国科学院大气物理研究所研究员周天军为本文提供学术指导。

 

参考文献:

1. Buchan J (2017) Impacts of oceanic re-emergence on North Atlantic winter climate. University of Southampton, Doctoral Thesis.

2. Zuo Z, Li M, An N, Xiao D. 2022. Variations of widespread extreme cold and warm days in winter over China and their possible causes. Science China Earth Sciences, 65(2): 337–350,

3. Caesar, L., McCarthy, G.D., Thornalley, D.J.R. et al. Current Atlantic Meridional Overturning Circulation weakest in last millennium. Nat. Geosci. 14, 118–120 (2021).

4. Piecuch, C. G. (2020). Likely weakening of the Florida current during the past century revealed by sea-level observations. Nature Communications, 11(3973), 1–13.

5. Zhu, C., & Liu, Z. (2020). Weakening Atlantic overturning circulation causes South Atlantic salinity pile-up. Nature Climate Change, 10, 998–1003.

6. Boers, N. (2021). Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation. Nature Climate Change, 11(8), 680–688.

7. Caesar, L., Rahmstorf, S., Robinson, A. et al. Observed fingerprint of a weakening Atlantic Ocean overturning circulation. Nature 556, 191–196 (2018).

8. Rahmstorf, S. Thermohaline circulation: The current climate. Nature 421, 699 (2003).

9. Broecker, W. S., 1991: The Great Ocean Conveyor. Oceanography, 4, 79–89.

10. Jackson, L.C., Biastoch, A., Buckley, M.W. et al. The evolution of the North Atlantic Meridional Overturning Circulation since 1980. Nat Rev Earth Environ (2022).

11. Trenberth, K. E., and J. T. Fasullo, 2017: Atlantic meridional heat transports computed from balancing Earth’s energy locally. Geophys. Res. Lett., 44, 1919–1927.

12. Lenton, T. M., et al., 2019, Climate tipping points — too risky to bet against: Nature, v. 575, p. 592-595.

13. Renssen H, Mairesse A, Goosse H et al (2015) Multiple causes of the younger Dryas cold period. Nat Geosci 8:946–949

14. IPCC. (2021). Climate change 2021: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the sixth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (V. Masson-Delmotte, P. Zhai, A. Pirani, S. L. Connors, C. Péan, S. Berger, … B. Zhou, Eds.). Cambridge University Press. In Press.

15. Srokosz MA, Bryden HL (2015) Observing the Atlantic Meridional Overturning Circulation yields a decade of inevitable surprises. Science 348:1–5.

16. Lozier, M. S., Li, F., Bacon, S., Bahr, F., Bower, A. S., Cunningham, S. A., et al. (2019). A sea change in our view of overturning in the subpolar North Atlantic. Science, 363, 516– 521.

17. Chen, X., Tung, KK. Global surface warming enhanced by weak Atlantic overturning circulation. Nature 559, 387–391 (2018).

18. Caesar, L., Rahmstorf, S. & Feulner, G. On the relationship between Atlantic meridional overturning circulation slowdown and global surface warming. Environ. Res. Lett. 15, 24003 (2020).

19. https://www.aaas.org/interview-father-global-warming

 



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