李心月， 陳顯堯

(中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點實驗室， 山東 青島 266100)

北大西洋徑向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(AMOC)主要包括北大西洋暖而咸的北向流和深層的、相對較冷的南向的北大西洋深層水[1]。分析顯示，最強北向熱輸送發(fā)生在北大西洋 24°N—26°N，約1.3 PW，占該緯度上總的極向熱輸送的35%[2]。 AMOC 變異會改變低緯度向中高緯度的熱量輸送，進(jìn)而影響北半球以及全球氣候的長期變化[3]，特別是北半球和全球海表面溫度(SST)變異[4]。

末次冰期的模型重建結(jié)果顯示，北半球的冷冰時期可能會伴有 AMOC 強度的減弱[5]。來自百慕大海脊的古氣候記錄顯示，新仙女木冷事件期間，AMOC 大幅度減弱，重建結(jié)果顯示全球平均降溫約 0.6 ℃[6]。隨著 AMOC由弱轉(zhuǎn)強，北半球則會出現(xiàn)急劇的升溫[7]。同樣的，北大西洋的急劇變暖也會伴隨著AMOC的重新翻轉(zhuǎn)[8]。AMOC減緩?fù)瑫r伴有北向海洋熱輸運的減少[1]。很多工作利用數(shù)值模式分析了 AMOC減緩甚至停滯對全球氣候的影響，其中最為經(jīng)典的分析是在模式中向北大西洋人為注入淡水，改變北大西洋的海洋層結(jié)，減少深層水的形成，導(dǎo)致模式中 AMOC減緩甚至停滯[9]。模式結(jié)果普遍顯示，北大西洋全面降溫，而北半球表面溫度也出現(xiàn)了顯著的下降，同時南大洋呈現(xiàn)相反的增溫的氣候變異，全球氣候呈現(xiàn)與古氣候記錄分析結(jié)果類似的南北半球“蹺蹺板”的結(jié)構(gòu)[10]。

20世紀(jì)以來，隨著人為溫室氣體排放的增加，全球氣候逐步變暖，北極海冰加速融化，格陵蘭島冰架急劇減退，大量淡水注入導(dǎo)致北大西洋北部海水鹽度變小。根據(jù)模式分析結(jié)果，這種鹽度變化可能會減少北大西洋深層水的形成，從而觸發(fā) AMOC的減緩甚至停滯，這一估計與對AMOC的直接觀測結(jié)果一致[11]。大多數(shù)氣候模型及觀測結(jié)果顯示，21世紀(jì)溫室氣體濃度持續(xù)升高，AMOC強度將隨之減弱[12]，因此相關(guān)預(yù)測表明，全球持續(xù)的氣候變暖會因為觸發(fā) AMOC強度減緩而最終形成與古氣候記錄與經(jīng)典的海水沖淡模式類似的北半球變冷、南半球變暖的全球氣候變化[13]。

然而，近年來基于AMOC代用指標(biāo)和海洋溫鹽觀測的數(shù)據(jù)分析卻顯示出與上述 AMOC 與氣候變化的正反饋機制不同的特征。在20世紀(jì)全球海表面溫度經(jīng)歷迅速升溫以后，預(yù)期海洋將吸收地球當(dāng)前大部分的輻射不平衡，但21世紀(jì)海表面溫度變化微弱，被普遍稱為“全球變暖減緩”[14]。1998—2005 年間，北大西洋中深層海洋的熱含量持續(xù)上升，鹽度也持續(xù)上升，一些與AMOC 強度相關(guān)的代用指標(biāo)也表明在此期間AMOC是加速的[15]。AMOC加速使得表層海洋暖水更多的向深層海洋輸送熱量，維持了氣候系統(tǒng)的能量平衡，從而減緩了表面溫度的上升速度。而2005年以后，快速氣候變化(RAPID，Rapid Climate Change)項目陣列觀測到 AMOC強度減弱，北大西洋副極地地區(qū)的熱含量從峰值下降，全球平均海表面溫度也自 2013年開始重新回到逐步上升的狀態(tài)。AMOC穩(wěn)定的低相位期間，輻射失衡表現(xiàn)為表面快速的全球變暖?；谏鲜霈F(xiàn)象，已有研究提出了AMOC對全球氣候的作用在過去氣候和現(xiàn)代氣候環(huán)境下可能不同的假設(shè)[16]。

但是已有的觀測研究中，AMOC主要采用代用指標(biāo)(副極地300～1 500 m鹽度[16]、暖洞(Warming hole)平均SST與北半球平均SST之差[4]等)，而非AMOC流函數(shù)本身。為了驗證AMOC對全球氣候的作用在過去氣候和現(xiàn)代氣候環(huán)境下可能不同的假設(shè)[16]，本文基于海洋再分析數(shù)據(jù)ORAS4，利用再分析數(shù)據(jù)的流速數(shù)據(jù)計算AMOC流函數(shù)，進(jìn)行了AMOC變異對北大西洋、北半球和全球海洋的SST、表層和中深層的熱量和鹽度含量變化的年代際、多年代際的累加信號的回歸分析實驗。研究發(fā)現(xiàn)，AMOC對北大西洋乃至全球平均SST的影響作用在1982年前后存在差異。再分析數(shù)據(jù)中，1958—1982年和1983—2016年分別對應(yīng)著較弱和較強的輻射強迫條件。因此，本文具體的分析了這兩個時間段對應(yīng)的較弱和較強兩種表面輻射強迫作用下，AMOC對全球平均表面溫度影響作用的變化過程，從而驗證了上述假設(shè)。同時，本文分析了AMOC影響下全球海洋中深層的熱量和鹽度含量在現(xiàn)代氣候背景下響應(yīng)的增強，從而進(jìn)一步解釋了AMOC對全球氣候影響的物理機制在現(xiàn)代氣候條件下變化的原因。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文使用了歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)的海洋再分析系統(tǒng)4(ORAS4)[17]的1958—2016年間的逐月溫度、鹽度和海流數(shù)據(jù)，進(jìn)行AMOC與全球海表面溫度變化的研究。以往的研究基于觀測數(shù)據(jù)分析了AMOC與全球平均表面溫度之間的關(guān)系[15]。但是觀測數(shù)據(jù)中不包含海洋流速數(shù)據(jù)，因此AMOC的計算只能應(yīng)用一些代用指標(biāo)來替代。本次研究基于包含海流數(shù)據(jù)的ORAS4海洋再分析數(shù)據(jù)深入探究與分析AMOC與海洋表面、深層溫度與鹽度之間的關(guān)系，從而對再分析數(shù)據(jù)中AMOC引起的全球熱量分配問題進(jìn)行探究。ORAS4使用了復(fù)雜的數(shù)據(jù)同化方法，應(yīng)用了來自1958—2009年間的EN3 v2a XBT偏差校正數(shù)據(jù)庫的溫度和鹽度的資料。ORAS4的1989年之前的地表通量來自ERA-40大氣再分析資料，1989—2009年間的地表通量來自ERA-Interim再分析資料，而2010年之后的每日地表通量均來自于ECMWF大氣分析資料。ORAS4數(shù)據(jù)的水平網(wǎng)格精度為1(°)×1(°)，垂向分層為42層[17]。

1.2 AMOC計算方法

AMOC的多個觀測計劃自21世紀(jì)開始實施，觀測位置主要集中在大西洋到北極的廣闊海域。其中，RAPID陣列最先開始(自2004年開始)對AMOC上肢強度最大的位置——北大西洋26.5°N區(qū)域進(jìn)行長期觀測[18]。RAPID陣列將灣流、西邊界流、Ekman和質(zhì)量補償?shù)剞D(zhuǎn)運輸結(jié)合在一起，以獲得整個流域范圍的流函數(shù)，并通過計算垂直積分獲得流函數(shù)積分的最大值，得到AMOC強度[19]。在海洋的再分析和模式數(shù)據(jù)中，AMOC也可以通過經(jīng)向體積運輸在緯向上的積分得到的流函數(shù)來估算與預(yù)測，其具體的計算公式如下：

其中：z是坐標(biāo)向上增加的一個可選深度(經(jīng)向輸運積分最大值的位置)；η是自由海面高度；xw和xe分別為所選深度處的西部和東部邊界的位置[1]。在本次研究中，AMOC也可以通過經(jīng)向體積運輸在緯向上積分得到的流函數(shù)來估算與預(yù)測。參照以往研究，在再分析中，選用北大西洋26°N的最大流函數(shù)來計算AMOC的強度。根據(jù)本次研究的數(shù)值計算，北大西洋26°N處的AMOC的最大流函數(shù)對應(yīng)的深度位置約為1 000～1 100 m左右，與觀測的RAPID陣列反映的AMOC最大深度1 100 m的位置接近。

AMOC 的回歸分析：基于線性回歸分析，探究海洋變量(因變量：海表面溫度、海洋熱量、鹽量含量變化)對 AMOC 變異(自變量) 的響應(yīng)。 本文中，“AMOC +”表示在±1.5年的線性回歸分析下，AMOC 增加的情況；而“AMOC-”表示在±1.5年的線性回歸分析下，AMOC 降低的情況。這里需要說明的是，本文使用的AMOC+和AMOC-并非表示AMOC 變異強度高于和低于AMOC 的氣候態(tài)平均值，而是分別表示AMOC 異常回歸分析在對應(yīng)中間年份所表現(xiàn)出的增加和減少的信號。圖1(b)為±1.5年線性回歸分析下的AMOC+與AMOC-的逐年分布情況，即AMOC 變異選用年際間(這里取3年)的變化趨勢。年際間(3年)趨勢下的 AMOC 變異(AMOC+ 與AMOC-)的數(shù)量及振幅貢獻(xiàn)配比較為均衡。

(y坐標(biāo)表示前后1.5年的AMOC 回歸分析的斜率數(shù)值。y coordinate represents the slope value of the regression analysis on the ±1.5 years at each points of AMOC time series based on the ORAS4 data.)

1.3 ENSO信號去除方法

為消除AMOC對全球海洋的影響作用的研究中ENSO(El Nino-Southern Oscillation)信號的干擾，本次研究對比了有、無ENSO信號時AMOC對全球海洋的影響作用的差異。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，去除ENSO信號后AMOC對全球的影響作用與ENSO信號保留時接近，說明AMOC對海洋的影響不會受到ENSO控制的干擾。SST中的ENSO信號的去除方法為：

(1)首先計算數(shù)據(jù)中的ENSO信號，本次研究采用赤道SST冷舌區(qū)域(6°N—6°S、180°—90°W)的平均SST異常指數(shù)(CTI)[20]作為ENSO指數(shù)。

(2)回歸分析：應(yīng)用ENSO指數(shù)作為自變量(x)，對SST數(shù)據(jù)逐點進(jìn)行回歸分析SST=k·x+SSTnoENSO。其中，SSTnoENSO即為去除ENSO后的SST信號。

2 結(jié)果

2.1 AMOC變異對全球SST的影響的變化過程

現(xiàn)代氣候環(huán)境與古氣候環(huán)境的主要區(qū)別在于溫室氣體排放導(dǎo)致的全球變暖的不斷加速。 20世紀(jì)50年代后，全球氣候開始迅速升溫，20世紀(jì)80年代以后地表輻射強迫加速上升。 作者認(rèn)為20世紀(jì)50年代到80年代為輻射強迫較弱的早期。20世紀(jì)80年代以后為輻射強度更高的現(xiàn)代時期。為了研究不同地表輻射強迫條件下 AMOC 變化對全球氣候的影響，本文選擇了包含早期和現(xiàn)代時間的海洋再分析資料ORAS4數(shù)據(jù)(時間段：1958—2016年)。圖2 顯示了北大西洋、北半球以及全球有無 ENSO 信號的海表面溫度逐月異常對AMOC 變率響應(yīng)的時間變化。圖2中每個時間點上都對應(yīng)有AMOC+和AMOC-的結(jié)果，計算的過程為將每個時間點前后5年的AMOC+(AMOC-)時對應(yīng)的SST響應(yīng)取平均作為該時間點的AMOC+(AMOC-)時的SST響應(yīng)。這個計算過程解決了再分析數(shù)據(jù)時間段較短，難以發(fā)現(xiàn)AMOC對SST影響的時間變化的轉(zhuǎn)折點(1982年附近)這一問題。

在20世紀(jì)80年代之前，幾乎所有海表面溫度逐月異常信號(有、無ENSO信號)都與AMOC變率呈現(xiàn)著正反饋的響應(yīng)特征。也就是說，AMOC攜帶著巨大的北向的熱量輸送，從而主導(dǎo)北大西洋、北半球，甚至是全球海洋的溫度的異常變化。AMOC強度的增強會帶來北半球海表面溫度普遍升高的信號，而AMOC強度的減弱則總是伴隨著北半球，甚至全球海洋的整體冷卻。因此，在地表輻射強迫較弱的時期，北大西洋乃至北半球的SST響應(yīng)機制與古氣候記錄和現(xiàn)代海洋模式同化所揭示的氣候?qū)MOC變率響應(yīng)的物理機制一致。在古氣候記錄和現(xiàn)代海洋模式中，AMOC增強時，北大西洋向極的熱輸送增強，引起北大西洋乃至北半球的SST呈現(xiàn)正異常。而AMOC減弱時，向極熱輸送減弱，北大西洋乃至北半球的SST呈現(xiàn)負(fù)異常。

然而，海表面熱量分配系統(tǒng)在1983—2016 年間對模型執(zhí)行了完全相同的AMOC強度變異的線性回歸分析，全球海洋表面溫度(有、無 ENSO 信號)變化的響應(yīng)卻均顯示出與1958—1982年間相反的SST響應(yīng)特征(見圖2，3)。隨著20世紀(jì)80年代以后持續(xù)的全球氣候變暖，AMOC-情況下的北半球海洋表面往往會比AMOC +的情況下保留更多的熱量(溫度異常)。這一結(jié)果證實了“AMOC變異在不同輻射強迫的溫室氣體作用下對全球氣候的影響可能不同”的假設(shè)。圖3顯示，1982年之前，AMOC 增強對應(yīng)北半球的顯著的大面積的增溫和南半球的部分降溫；而AMOC減緩對應(yīng)的氣候變化特征正好相反，即AMOC變異尤其對北半球大部分地區(qū)海表面的氣候響應(yīng)呈現(xiàn)正反饋的變化特征，而對南半球呈現(xiàn)負(fù)反饋的影響。在1982年之后，AMOC 變異對北半球海表面的氣候響應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)反饋的變化特征，而對南半球呈現(xiàn)正反饋的影響。

2.2 不同輻射強迫條件下，海洋中的熱量分配的差異

海洋的溫度和鹽度對海水密度的控制作用顯著，是控制海洋垂直運動的主要因素[21]。為了解釋AMOC變異引起海水在不同表面輻射強迫條件下的熱量下沉機制，本文描述了上層海洋(0～300 m以深)和中深層海洋(300～1 500 m以深)的溫度和鹽度的響應(yīng)特征。在1958—1982年間， 全球上層海洋的熱量響應(yīng)相比較于中深層海洋更為顯著。AMOC的影響顯示出全球信號，全球海洋熱含量異常高于北半球和北大西洋。當(dāng) AMOC 增強時，全球上層海洋會呈現(xiàn)正溫度異常，而在AMOC 減緩情況下，全球上層海洋降溫速度增強(見圖4)。也就是說，在輻射強迫條件較弱的時期，AMOC 變異主要影響全球上層海洋的熱量變化。

圖2 ORAS4 數(shù)據(jù)中(a)保留、(b)去除ENSO信號的情況下北大西洋和北太平洋SST對AMOC的響應(yīng)；(c)保留、(d)去除ENSO 信號情況下北半球SST對AMOC的響應(yīng)；(e)保留、(f)去除ENSO信號情況下全球SST對AMOC的響應(yīng)Fig.2 The North Atlantic and North Pacific Ocean SST response to AMOC with (a)and without(b) ENSO signals retained; the response of SST to AMOC in the northern hemisphere with (c)and without(d)；ENSO signals retained;and the response of global SST to AMOC with(e) and without(f) ENSO signals retained in ORAS4 data

(對AMOC+(-)響應(yīng)的平均代表所有AMOC+(-)月份的SST異常的平均。Among them, the average response to AMOC + (-) represents the average of all AMOC + (-) month’s SST anomalies.)

在海表面輻射強迫較強的現(xiàn)代時期，AMOC增強時，全球上層海洋的熱含量呈現(xiàn)明顯下降的信號。相反，當(dāng)AMOC減速時，上層海洋開始失去更少熱量(見圖4)。這些現(xiàn)象與1958—1982年間的 SST變化對AMOC變異的響應(yīng)情況正好相反。在1982年之后，從全球平均的角度來看，AMOC增強的情況下，上層海洋熱量下降的幅度要大于AMOC減弱的情況。這種現(xiàn)象在大西洋、南太平洋、南印度洋和北極這些中高緯度大部分海洋中尤為明顯(見圖4)。期間中深層海洋熱含量異常仍然呈現(xiàn)著與AMOC變異顯著地正反饋響應(yīng)特征，但是對應(yīng)的深層海洋熱量反饋要明顯的強于1982年之前(見圖5)。也就是說，在具有較高的輻射強迫條件的現(xiàn)代時期，AMOC主要通過影響海洋向深層的熱量下沉來調(diào)控全球氣候變化。

圖4 ORAS4數(shù)據(jù)中1958—1982年間北大西洋(a)、北半球(b)和全球(c)海洋熱含量對AMOC+(AMOC-)的響應(yīng)的平均；1983—2016年間北大西洋(d)、北半球(e)和全球(f)海洋熱含量對AMOC+(AMOC-)的響應(yīng)的平均Fig.4 The average response of North Atlantic Ocean (a), Northern Hemisphere (b) and global (c) ocean heat content to AMOC+ (AMOC-) from 1958 to 1982; the average response of North Atlantic Ocean (d), Northern Hemisphere (e) and global (f) ocean heat content to AMOC+ (AMOC-) from 1983 to 2016 in ORAS4 data

圖5 ORAS4 數(shù)據(jù)的1983—2016年間0～300 m 海洋熱含量變化對AMOC+(a)和AMOC-(b)的響應(yīng)的平均；300～1 500 m海洋熱含量變化對AMOC+(c)和AMOC-(d)的響應(yīng)的平均Fig.5 The average response of 0～300 m ocean heat content changes to AMOC+(a) and AMOC-(b); the average response of 300～1 500 m ocean heat content changes to AMOC+(c) and AMOC-(d) from 1983 to 2016 in ORAS4 data

2.3 不同輻射強迫條件下，海洋中的鹽量分配的差異

在1982年之前，AMOC對北大西洋海域鹽度的影響主要集中在上層海洋。在AMOC 增強的情況下，北大西洋海域上層海洋呈現(xiàn)較大的鹽度正異常；而AMOC減弱的情況下，北大西洋上層海洋呈現(xiàn)較大的鹽度負(fù)異常。中深層海洋對AMOC變化的響應(yīng)較上層海洋小得多。這可能是因為1982年之前AMOC向深層海洋傳遞溫鹽異常的能力相對較弱。因此在早期氣候中，AMOC對北大西洋海洋熱量的影響主要集中在上層。

(每個小圖中的條形表示1958—1982、1983—2016年間上層海洋鹽量含量對AMOC+(紅色)和AMOC-(藍(lán)色)的響應(yīng)，及中深層海洋對AMOC+(玫紅色)和AMOC-(青色)的響應(yīng)。Among them, the bars in each small graph represent the response of the upper ocean salinity content to AMOC+ (red) and AMOC- (blue) between 1958—1982 and 1983—2016, and the mid-deep ocean to AMOC+ (rose red) and AMOC-(cyan) response.)

在1982年之后，AMOC增強時，北大西洋上層海洋的鹽度異常為負(fù)(見圖6)，這與上層海洋溫度的負(fù)異常相對應(yīng)(見圖4)。而AMOC增強時北大西洋中深層海域的鹽度和溫度均為正異常(見圖6，4)。這說明AMOC增強時，更多的熱、鹽向北大西洋的中深層海洋傳遞，而上層海洋的熱、鹽量出現(xiàn)了損失。上層熱、鹽量下沉緩解了海洋表面人為強迫影響下加速升溫的趨勢。相反，如果AMOC 強度減弱，北大西洋的上層海洋呈現(xiàn)熱、鹽正異常，而中深層海洋的熱、鹽度呈現(xiàn)負(fù)異常(見圖4，6)。這說明AMOC減弱時，更多的熱、鹽保留在了上層海洋，而不會沉入深海。從全球的角度來看，增加的AMOC 將海洋表層吸收的熱輻射轉(zhuǎn)移到深層海洋，從而使得全球氣候變暖減緩。 同時，減緩的AMOC通過將更多的熱量保留在上層海洋來進(jìn)一步加速全球氣候的變暖。因此，與20世紀(jì)80年代之前不同，在20世紀(jì)80年代之后AMOC對北大西洋乃至北半球的上層海洋的熱量影響變成了負(fù)貢獻(xiàn)。這主要是由于20世紀(jì)80年代之后，表面的加熱作用逐漸增強的條件下，AMOC鹽度作用驅(qū)動了副極地的熱量更強的下沉作用，從而造成上層海洋的熱量大量的向深層存儲。

3 結(jié)論與討論

本次研究使用包含較弱輻射強迫的早期(1958—1982年)和較強輻射強迫的現(xiàn)代時期(1983—2016年)兩個時間段的海洋再分析數(shù)據(jù)(ORAS4)，分析了兩個時間段內(nèi)北大西洋、北半球，乃至全球的海表面溫度、海洋熱含量、鹽度含量對AMOC 變異(AMOC+和AMOC-兩種情況)的響應(yīng)機制。本次研究驗證了“AMOC在不同的溫室氣體輻射強迫作用下對全球氣候的影響作用可能不同”的猜想，并進(jìn)一步闡明了不同表面輻射強迫條件的早期和現(xiàn)代時期，AMOC變異對全球氣候的影響機制。主要得到如下的結(jié)論：

(1)在輻射強迫較弱的早期，AMOC變異對海洋的熱量存儲的正反饋作用主要體現(xiàn)在海洋上層。AMOC通過控制向中高緯度上層海洋的熱量輸送來控制全球平均的上層海洋溫度變化。AMOC變異與全球表面溫度變化呈現(xiàn)正反饋機制，即AMOC增強，全球氣候異常升溫，AMOC增強；而AMOC減弱，全球氣候趨向變冷，AMOC減弱。而與經(jīng)典的AMOC變異與全球的海表面溫度逐月異常變化的正反饋機制相似。

(2)在表面輻射強迫較強的現(xiàn)代時期，AMOC變異對海洋的熱量存儲的正反饋作用由海洋的上層轉(zhuǎn)移到了中深層海洋。AMOC主要通過高鹽的作用控制中高緯度的熱量下沉來調(diào)控全球氣候變化。AMOC強度的增強驅(qū)使更多的熱量下沉到中深層海洋，因此上層海洋大量失熱，緩解了因為溫室氣體排放造成的海洋表面輻射強迫增強而帶來的上層海洋的升溫作用。而AMOC減緩的情況下，中高緯度表層鹽度降低，熱量不易下沉而是更多的維持在海洋的上層。即相比較于AMOC增強，AMOC減緩的情況下，全球海洋表面表現(xiàn)出更為劇烈的變暖。

基于上述成果分析，我們進(jìn)行了進(jìn)一步的推斷：AMOC變異和表面輻射強迫的持續(xù)增強在20 世紀(jì)以來觀測顯示的全球氣候變暖中起著不可忽視的動力學(xué)作用。而 21 世紀(jì)全球變暖減緩可能與AMOC的引起的海洋深層熱量存儲作用密切相關(guān)，驅(qū)動了海表面的熱量損失。本次研究從一定程度上解釋了大氣強迫作用下的海洋在氣候變化中的不可忽視的重要作用，同時研究中所涉及到的問題將為進(jìn)一步分析人類活動對氣候變暖的貢獻(xiàn)提供基礎(chǔ)。