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IPCC AR6将大西洋經向翻轉環流的崩潰列為小機率、高影響事件 | 圖源：pixabay.com
導 讀
今天（4月22日）是第53個世界地球日，主題是“珍愛地球，人與自然和諧共生”，活動發起者旨在通過本紀念日，喚起全世界人類愛護地球、保護家園的意識。
2004年上映的著名科幻災難片《後天》講述過這樣一個故事：由于全球變暖，大西洋經向翻轉環流突然崩潰，臨近北大西洋中高緯的歐洲和北美地區被冰河包圍，全球也即将陷入第二次冰河紀。這一幕，未來真的有可能重演嗎？
本文将從科學家們對大西洋洋流系統近些年的監測情況講起，探讨這一問題。
撰文 | 唐颢蘇
責編 | 馮灏
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在英國倫敦，近30年冬季一月的平均氣溫一般在2至7°C，與之相較，處于同一緯度的中國黑龍江漠河，一月的均溫則低至零下36至零下20°C。造成這種東西緯向差異的一個重要原因，正是由于冬季北大西洋暖流持續不斷地向西歐輸送暖濕空氣。
圖11948至2010年去除東西緯向平均後的冬季（12月至次年2月）平均地表溫度，紅色表示偏暖，顔色越紅，偏暖越多，藍色則相反。北大西洋暖流對西歐冬季增暖起到重要作用，此外西歐增暖也受到中緯度西風帶的影響，是以冬季北半球大陸的西部總是會比東部暖|圖源[1]
不僅是西歐，冬季北大西洋暖流也可以調控萬裡之遙、遠在中國的天氣氣候系統——北大西洋暖流帶來的暖濕空氣經由北大西洋深入北極地區，将原本盤旋于該地的北極渦旋等冷氣團驅趕至西伯利亞、蒙古高原等地區，進而加強西伯利亞高壓，最終加劇冬季中國北方極端冷暖事件的發生 [2]。
近期有多項研究 [3-5] 指出，大西洋洋流系統正處于近千年來的最弱狀态，這種減弱可能意味着該系統正在失去穩定性 [6]。
大西洋洋流系統的潛在崩潰，可能在全球範圍内引發嚴重後果 [7]。
首當其沖的便是西歐與北美地區的劇烈降溫、大西洋海平面上升。随後，可能在全球引發一系列連鎖反應，甚至中斷目前的全球變暖，使得整個北半球中高緯度地區陷入數百乃至數千年的低溫冰川期。
圖22015年1月至10月的地表溫度異常，紅色（藍色）陰影表示相比往年平均更熱（更冷）。全球都在增暖，隻有北大西洋格陵蘭島南部地區在變冷，該現象被稱為“北大西洋冷斑”，可能是由大西洋洋流系統減弱所緻|圖源：英國氣象局哈德萊中心
全球氣候系統的 “阿喀琉斯之踵”
全球大洋環流主要可以分為兩類：風生環流與熱鹽環流。
風生環流由海表的風場驅動，可以影響到深至海表400米以下海水的流動。
而由密度梯度驅動的深層環流被稱為熱鹽環流，海水的密度由溫度和鹽度決定，溫度越低、鹽度越大，則密度越大。進一步的，海水密度差會引起全球尺度的深海流動，如海表低溫高鹽的水團會因為密度大而下沉 [8]。是以，熱鹽環流也被稱作大洋環流傳輸帶（The Great Ocean Conveyor）[9]，它控制着全球大洋約90%的水體，是調節全球氣候系統的關鍵紐帶。
圖3大洋環流傳輸帶示意圖。全球各大洋互相間互有流通，其流通路徑就像是一條貫通大洋的“傳送帶”|圖源：美國航空航天局，本文作者翻譯
大西洋洋流系統是大洋環流傳輸帶的重要組成部分，它更加學術的名稱是“大西洋經向翻轉環流”（Atlantic Meridional Overturning Circulation，AMOC），名稱中的 “經向” 即南北方向。北大西洋暖流在向北流動的過程中，會逐漸向大氣釋放熱量與水汽，自身則會變成低溫高鹽的水體。海水因為密度增大（變重）在北大西洋北部地區下沉，形成北大西洋深層水。該水體在中深層海洋折返向南運動，越過赤道在南半球海域上升，最終彙入北大西洋暖流形成閉環 [10]。
大西洋經向翻轉環流的表層海水向北流動，會将赤道的熱量輸送到北大西洋中高緯；這一過程就像全球氣候系統的“阿喀琉斯之踵”，一旦減弱甚至崩潰，輸送到北大西洋中高緯的熱量變少，最先變冷的是離其最近的西歐和北美地區，随後整個北半球也會一起變冷，牽一發而動全身，“環球同此涼熱”。
圖4全球海洋能量傳輸。橫坐标正值表示能量向北半球輸送，負值表示向南半球輸送，縱坐标為緯度。藍色線段表示全球海洋整體能量傳輸，紫色、紅色和綠色線段分别表示大西洋、太平洋和印度洋的貢獻。由于大西洋經向翻轉環流的存在，大西洋洋盆自南向北能量輸送總是向北半球。作為對比，全世界人口一年消耗的能量約為0.015 PW，約為全球海洋能量輸送的1%|圖源[11]
由于大西洋經向翻轉環流在全球能量傳輸中的重要作用，它也被氣候科學家們列為影響世界的九大關鍵氣候 “臨界點”（tipping point）之一。
圖5影響地球氣候系統的九大關鍵臨界點，大西洋經向翻轉環流為圖中C點所示|圖源[12]
所謂氣候 “臨界點”，即一旦越過該點，就可能會發生重大且無法逆轉的氣候變化。正如同一葉漂浮在水面上的扁舟，剛開始傾斜進水時，尚能保持平衡；但當傾斜達到一定程度時，小舟就會傾覆——造成這一不可逆後果的傾斜角就是 “臨界點”。
圖6臨界點的崩潰就像積木遊戲，你不知道抽出來的哪一塊積木會成為“壓死駱駝的最後一根稻草”|圖源：《綠色沖刺》
人類的“後天”
如果大西洋經向翻轉環流突然越過氣候“臨界點”，世界又将會是怎樣一幅景象呢？
著名科幻災難片《後天》講述的就是這樣一個故事：由于全球變暖，大西洋經向翻轉環流突然崩潰，臨近北大西洋中高緯的歐洲和北美地區被冰河包圍，全球也即将陷入第二次冰河紀。
圖7由于大西洋經向翻轉環流突然崩潰，紐約一夜冰封，自由女神像手上的火炬變成冰棍|圖源：電影《後天》
誠然，電影情節有諸多誇大，片中冰河世紀一夜而至的情節也絕無可能在當今現實世界中發生。然而，在地質曆史時期，大西洋經向翻轉環流的變化确實曾引起《後天》場景般的環境巨變。
距今約1.2萬年前，地球正處于暖期，大西洋經向翻轉環流突然減弱，大洋環流傳輸帶關閉，全球增暖中斷，氣溫陡降。整個事件持續了約1200年，期間全球平均氣溫整體下降了約6℃。這次全球性的突然變冷事件被後人稱為 “新仙女木事件”（Younger Dryas Event）。
圖8原本隻能在極地生長的“仙女木”花，在本次全球性的突然變冷事件中在歐洲大陸上競相開放，說明在該時段歐洲也曾經像北極一樣寒冷，該事件也是以被稱為“新仙女木事件”|圖源：美國國家海洋和大氣管理局
圖9猛犸象複原圖，氣候變冷常與大型哺乳動物滅絕相聯系|圖源：《科學》封面
運用氣候模式，在超級計算機上進行數值模拟試驗，當代氣候科學家詳細分析了這一距今1.2萬年前的 “全球變暖背景下的突發性變冷”。
主流觀點（冰蓋融化說，另一派為彗星撞擊說）認為，由于全球變暖，當時北半球高緯冰層（如北美大陸勞倫泰德冰蓋）大量融化，導緻大量淡水注入北大西洋；又由于淡水密度小于海水，很難沉入海底，海洋垂直層結加大，大西洋經向翻轉環流位于北大西洋的高緯下沉支減弱，進一步帶動整個大洋環流傳輸帶的減弱，赤道地區溫暖的海水不再向北輸送，最終引起全球變冷—— “新仙女木事件” [13]。
圖10氣候模式模拟的“新仙女木事件”期間全球年平均降水變化（相較于其之前的暖期），綠色表示變濕，棕色表示變幹。“新仙女木事件”期間北半球劇烈變冷，進一步引起整體降雨減少|圖源：文獻[14]
此外，當時全球變暖背景下北極增暖相較全球其他區域更快，導緻極地與熱帶間的溫差減小，進一步引起北半球中高緯高空西風急流的減弱，可能加劇了 “新仙女木事件” 期間西歐與北美東部氣溫的驟降。
圖11全球平均溫升1.5°C、2°C和4°C模拟情景下，全球各地溫升幅度，紅色越深，增暖越強，北極溫升顯著快于全球其他地區，這也被稱為 “北極放大效應”|圖源[14]
不确定的現在
大西洋經向翻轉環流橫跨了整個大西洋，是以，直接觀測極具挑戰性，大部分關于它的研究也主要依賴氣候模式模拟或使用代用資料。為此，2004年4月以來，氣候科學家們在大西洋26°N斷面展開連續觀測，即RAPID項目（Rapid Climate Change Programme）。結果顯示，大西洋經向翻轉環流在觀測時間段内基本呈現減緩趨勢。
然而，我們并不能據此判斷——是人類活動引起的全球變暖造成了這種變化，因為直接觀測到的減弱也受到環流系統自身變率的影響。正是因為種種不确定性，“大西洋經向翻轉環流在20世紀發生改變” 這一結論被聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告《氣候變化2021：自然科學基礎》列為 “低信度”。
圖12大西洋26°N處的RAPID觀測陣列的組成示意圖|圖源[15]
圖13除了RAPID觀測陣列，還有另一套位于北大西洋副極地的國際觀測系統，被稱為OSNAP（Overturning in the Subpolar North Atlantic Program）觀測項目（圖中紅線所示）|圖源[16]
也有研究認為，在目前氣候背景下，大西洋經向翻轉環流的減弱并非會引起全球變冷，反而更有可能加劇全球變暖 [17]。
該研究認為，當大西洋經向翻轉環流較強時，會向北大西洋高緯地區輸送更多低溫高鹽的海水，随後的局地下沉會将更多地表上人為産生的熱量帶入深海，這一過程會減弱地表人為造成的變暖，充當起全球變暖的 “緩沖器”。而在大西洋經向翻轉環流較弱時，進入深海的熱量就會變少，更多的熱量會停留在海洋表面，加熱大氣，使其溫度迅速上升，進而加劇全球變暖。
圖141945至2017年大西洋經向翻轉環流強度變化經曆了以下幾個階段：1945年至70年代中期的強盛期，70年代中期至90年代末的衰弱期，以及90年代末至10年代中期的另一個強盛期。這三個階段與全球變暖的加速和停滞時期相吻合，表明大西洋經向翻轉環流可能也在抑制或增強全球變暖|圖源[17]
然而，受限于代用資料資料來源可靠性等問題，這一猜想仍然飽受争議 [18]。未來，氣候科學家們需要通過更長時間尺度的直接觀測資料，确定内部變率、自然強迫和人為強迫對大西洋經向翻轉環流變化的相對貢獻。
确定的未來
盡管大西洋經向翻轉環流的相關研究目前尚存巨大的不确定性，但有一個結論是肯定的——若溫室氣體排放持續增加，則該系統在未來将會減弱。
在氣候模式預測的所有未來排放情景下，大西洋經向翻轉環流在本世紀都将減弱，這一結論被IPCC第六次評估報告列為 “高信度”，意味着所有的氣候模拟試驗結果高度一緻。
具體而言，與1850至1900年相比，假設全球溫升穩定在1.5 ℃、2.0 ℃和3.0 ℃，大西洋經向翻轉環流将在幾十年内減弱15%、20%和30% [14]，而氣候系統的複雜性決定了這種局地海洋環流的減弱可能帶來全球大範圍的氣候異常。
圖15氣候模式模拟的大西洋經向翻轉環流在未來不同增暖情景下的強度變化，橫坐标為時間，縱坐标為強度，黑線和灰線代表曆史時期模拟，彩色線代表不同的未來情景下的模拟|圖源[14]
盡管該系統會減弱，但在未來百年内不太可能發生突然的崩潰（中等信度）。但另一方面，這種崩潰一旦發生，将非常可能導緻區域天氣型和水循環的突然轉變，例如熱帶雨帶南移、非洲和亞洲季風減弱等。是以，IPCC第六次評估報告将大西洋經向翻轉環流的崩潰列為小機率、高影響事件（黑天鵝事件）。
圖16目前和未來溫升背景下大西洋經向翻轉環流對比，左圖展示的是目前氣候狀況，右圖展示的是未來全球變暖背景下減弱的大西洋經向翻轉環流|圖源[14]
即便大西洋經向翻轉環流未來減弱至崩潰，地球依然可以達到新的氣候平衡态。但人類是否可以再次去适應，我們不得而知。
“後天” 也許離我們并不遙遠，我們需要對目前的全球變暖引起足夠重視，并付諸行動，通過減少溫室氣體排放，減緩這種變化。畢竟，地球是不需要人類拯救的，人類要拯救的是自己。
注：“大洋環流傳輸帶” 理論提出者華萊士·布勒克（Wallace Broecker）于2019年去世，他是 “全球變暖”（Global Warming）這一術語最早的一批提出者[19]，也被公認為最偉大的地球科學家之一。
緻 謝
感謝中國科學院大氣實體研究所研究員周天軍為本文提供學術指導。
參考文獻：（上下滑動可浏覽）
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