平流层气溶胶注射的纬度选择对阻止大西洋经向翻转环流衰退的关键作用

这篇研究通过CESM2(WACMP6)模型模拟，揭示了平流层气溶胶注射（SAI）的纬度分布对大西洋经向翻转环流（AMOC）恢复的决定性影响。研究表明，北半球（NH）注射通过改变北大西洋表层热通量和密度直接促进AMOC恢复，而南半球（SH）注射则效果微弱。研究强调了SAI实施细节（如纬度）对气候临界点的潜在调控作用，为气候干预策略提供了关键机制解析。

　　

引言

大西洋经向翻转环流（AMOC）作为全球热盐环流的核心组成部分，通过输送热带暖水至北半球并下沉形成深层回流，对热量、淡水和营养物质的全球再分配至关重要。然而，当前AMOC强度已降至千年来的最低点，且可能在本世纪中叶达到临界衰退阈值。平流层气溶胶注射（SAI）作为一种气候干预手段，虽能缓解全球变暖，但其对AMOC的影响机制尚不明确。

研究方法

研究利用CESM2(WACCM6)地球系统模型，设计了7组理想化SAI敏感性实验，分别在45°S至45°N的7个纬度固定注入12 Tg-SO₂/yr（2035–2069年），对比其对AMOC的影响。模型包含高分辨率大气（0.9°×1.25°）和海洋（1.125°×0.27°–0.6°）组件，并整合了气溶胶微物理和化学过程。

关键发现

纬度依赖性响应：

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  北半球注射（15°N–45°N）：显著提升北大西洋气溶胶光学厚度（AOD），通过增加表层热损失（敏感热通量主导）和短波辐射减少，促使海水冷却增密，最终使AMOC恢复至2020年水平。

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  赤道注射：仅能稳定AMOC，而南半球注射（15°S–45°S）几乎无效，尽管其可实现全球平均降温。

时间尺度机制：

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  初期（10–15年）：直接由SAI强迫驱动，表现为北大西洋热通量增强和短波辐射减少。

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  长期：AMOC反馈效应主导，例如强化环流带来的暖水输送抵消了初期冷却，导致海表温度回升。

过程解析

1. 1.

   热通量主导：北半球SAI通过增加海洋向大气的敏感热通量（约-5 W/m²）和减少短波辐射（-2至-4 W/m²），直接冷却北大西洋表层（0.5°C–1°C），提升密度（+0.2 g/cm³）。

2. 2.

   海冰动态：初期海冰增长（+1×10⁶ km²）增强热损失，但后期因AMOC加强带来的暖流导致海冰退缩。

3. 3.

   盐度次要作用：初期盐度变化微弱，后期AMOC调整才引发高盐热带水北输。

讨论与意义

研究揭示了SAI对AMOC的影响高度依赖实施细节，尤其是纬度选择。这一发现解释了此前GLENS（北半球主导）与ARISE-SAI1.5（南半球主导）模拟中AMOC响应的差异。尽管北半球SAI可避免气候临界点，但需权衡单半球干预的副作用（如降水模式扰动）。研究强调，理想化实验对厘清气候干预机制至关重要，并为优化SAI策略提供科学依据。

未来方向

需进一步探究风应力变化对AMOC的贡献，并开展多模型比较以验证结论普适性。此外，人为气溶胶排放和火山喷发的纬度效应亦可借鉴本研究框架解析。