变暖气候下南大洋经向翻转环流的演化及其机制研究

《Nature Communications》：Evolving Southern Ocean overturning in warming climates

本刊推荐：为阐明未来气候变暖下南大洋经向翻转环流（MOC）各分量的响应机制，Tingting Zhu和Wei Liu团队通过多模型集合模拟，揭示高排放情景下欧拉平均MOC向极地偏移，伴随涡致MOC的补偿性调节维持残余环流强化。该研究首次对比地质历史暖期（中上新世暖期）与未来情景的环流差异，指出浮力强迫变化通过热通量（低纬度）和淡水通量（高纬度）调控涡动补偿强度，为预测南大洋碳热吸收提供关键理论依据。

　　

随着全球变暖加剧，南大洋作为连接深海与表层海洋的关键通道，其经向翻转环流（Meridional Overturning Circulation, MOC）的变化深刻影响着全球热量和碳循环。然而，未来气候变暖将如何调控MOC的欧拉平均分量与涡致分量之间的平衡，一直是气候科学领域的争议焦点。早期研究指出，增强的西风带会推动欧拉平均MOC向极地移动，但涡动补偿的强度是否足以维持环流稳定仍无定论。更复杂的是，地表浮力强迫（包括热通量和淡水通量）的空间异质性可能进一步扰动这一平衡，导致不同气候情景下MOC响应出现分异。这一认知缺口直接制约着人类对未来海洋吸碳能力及海平面上升的预测精度。

为破解这一难题，加州大学河滨分校的Tingting Zhu和Wei Liu联合团队在《Nature Communications》发表最新研究，通过整合CMIP6多模型集合模拟与地质历史暖期（中上新世暖期，mPWP）数据，系统揭示了不同变暖情景下南大洋MOC的演化规律。研究首次将未来高排放情景（SSP5-8.5）与低排放情景（SSP1-2.6）的环流响应与mPWP暖期进行对比，指出涡动补偿的强度与模式高度依赖于浮力强迫的纬度分异，而极地冰盖消融程度则是造成古今暖期环流差异的核心因素。

研究团队主要依托三类技术方法：首先，基于ECCO v4r4再分析数据（1992-2017年）计算南大洋风应力、MOC分量及浮力通量的趋势；其次，利用17个CMIP6模型模拟SSP5-8.5、SSP1-2.6及历史情景的环流变化，通过多模型均值（MMM）分析2081-2100年与1981-2000年的差异；此外，结合4个CMIP6模型及CESM1-CAM4/5的mPWP模拟数据，通过理想年龄示踪剂量化海洋通风变化。关键算法包括欧拉平均MOC（ψˉ）与涡致MOC（ψ?）的垂直-纬向积分计算（公式1-3）、等密度面斜率（sρ）的浮力梯度推导（公式4-6），以及地表密度通量（公式7）与水团转化率（公式8-9）的量化模型。

近期南大洋MOC变化趋势

基于ECCO观测数据，1992-2017年间南半球西风带呈现向极地增强趋势（图1a,e），驱动欧拉平均MOC在40°S减弱、60°S增强的偶极型变化（图1b）。涡致MOC在40°S以南显著增强（图1c），部分补偿欧拉平均环流的减弱，最终导致残余MOC整体向极地强化（图1d）。地表热通量与淡水通量的空间异质性变化（图1f,g）进一步表明浮力强迫对环流分量的调制作用。

未来情景下南大洋MOC响应

SSP5-8.5情景下，西风带进一步向极地偏移（图2a），欧拉平均MOC在40°S减弱、60°S增强（图2b）。涡致MOC在40°S附近出现超补偿性减弱（图2c），而在60°S补偿较弱，导致残余MOC整体强化（图2d）。这一现象与地表密度通量的纬度分异密切相关：38°S-45°S密度通量正异常主要由净地表热损失减少引起，而45°S以南的负异常则受高纬度淡水输入主导（图3a-e）。密度通量变化降低了40°S附近的等密度面斜率（图2e），直接抑制了涡致环流强度。

水团转化分析显示，SSP5-8.5情景下轻密度水体（密度<25.7 kg/m³）转化率北移（图4d），引发南极上升流北迁（图4e）。这一变化促进罗斯海和威德尔海区域的底层水形成（图4f），但不同模型对水团形成的模拟仍存在不确定性。

地质历史暖期的对比启示

mPWP时期欧拉平均MOC虽呈现向极地偏移（图2g），但西风带轻微减弱（图2f），导致涡致MOC补偿范围更广但强度较弱（图2h）。残余MOC呈现南北不对称的偶极型变化（图2i），与未来情景的均匀强化形成鲜明对比。地表密度通量在48°S以南普遍降低（附图4），主要受高纬度冰盖消融淡水输入主导，引发等密度面大幅扁平化（图2j）。此外，mPWP时期水团转化北移幅度更大（附图5e），底层水形成范围扩展，进一步佐证冰盖退缩对环流的深远影响。

南大洋通风变化

理想年龄示踪显示，SSP5-8.5情景下亚南极模态水路径年龄减小，而绕极深水路径年龄增加（图5a-c），反映上升流强化促进表层水俯冲。mPWP时期通风增强更显著（图5d-f），特别是南极周边底层水形成加剧，表明地质暖期海洋吸碳潜力更高。

本研究通过多时空尺度对比，揭示南大洋MOC在变暖气候下的共性规律：涡动补偿始终存在，但其空间模式受浮力强迫的纬度分异调控。未来高排放情景下，低纬度热通量变化主导涡动调节，而地质历史暖期高纬度淡水通量作用更突出。这一发现不仅厘清了环流分量相互作用的机制，更指出当前CMIP6模型在极地冰盖过程模拟中的局限性。随着南大洋环流加剧，深层碳向表层的输送可能增强，进而通过海气碳通量反馈加速全球变暖。未来需进一步发展包含冰盖动态的模型，以精准预测南大洋在碳循环中的“开关”角色。