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补充 AMOC 的环流机制、观测、临界转变、复杂系统建模及参考文献
AMOC
'''大西洋经向翻转环流'''（Atlantic Meridional Overturning Circulation，'''AMOC'''）是大西洋中连接上层与深层海水的一套大尺度[[海洋环流]]。其典型结构是较暖、较咸的上层海水向北输送，在北大西洋高纬海域向大气放热、冷却增密，形成向南返回的深层水。深层水再通过[[上升流]]（深层海水向上运动）与混合过程，连接南大洋和印度洋—太平洋的上层海洋<ref name="NOAA_2024">Sabatello, R. (2024). ''State of the Science Fact Sheet: Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC)''. NOAA. DOI: [https://doi.org/10.25923/pav0-be22 10.25923/pav0-be22]。[https://repository.library.noaa.gov/view/noaa/70414 资料页面]。</ref>。
“经向”强调南北方向，“翻转”强调上层与深层的水流方向不同，并通过水团形成和交换相联系。AMOC 持续输送热量、盐、碳和营养盐，影响区域气温、降水、沿岸海平面与海洋生态。它也是[[复杂系统]]研究中的一个对象：[[正反馈]]可能使环流表现出[[多稳态]]与[[临界转变]]，而观测资料和模型用于判断其强度、[[稳定性]]及未来变化<ref name="NOAA_2024" /><ref name="Loriani_2025">Loriani, S., et al. (2025). Tipping points in ocean and atmosphere circulations. ''Earth System Dynamics'', 16, 1611–1653. DOI: [https://doi.org/10.5194/esd-16-1611-2025 10.5194/esd-16-1611-2025]。</ref>。
== 基本概念 ==
AMOC 描述的是跨越整个大西洋盆地的三维水体输送。常见的“全球海洋传送带”图将这一过程画成连续环线，用来概括海盆之间的联系。真实海洋中存在多条水流路径、不同水团及不同时间尺度的交换<ref name="NOAA_2024" />。
{| class="wikitable"
! 名称 !! 主要含义 !! 与 AMOC 的关系
|-
| [[墨西哥湾流]] || 北大西洋西侧的一股强暖流 || 参与 AMOC 的上层输送，同时也属于风驱动的水平环流
|-
| [[温盐环流]] || 强调温度和盐度改变海水密度所产生的环流作用 || 有助于理解水团形成，但 AMOC 的维持还涉及风和混合
|-
| AMOC || 强调大西洋上层与深层之间的盆地尺度翻转输送 || 通常由跨海盆的输送量描述，具有季节、年际和更长时间尺度的变化
|}
AMOC 强度常用单位时间内的体积输送量表示，单位为斯维尔德鲁普（sverdrup，Sv），其中 <math>1\,\mathrm{Sv}=10^6\,\mathrm{m^3\,s^{-1}}</math>。比较不同研究时，还需说明测量纬度、深度范围和平均时段<ref name="Loriani_2025" />。
== 环流过程与维持机制 ==
=== 上层输送、深水形成与深层返回 ===
热带和副热带海洋获得较多太阳辐射，上层海水将热量和盐分向北输送。海水进入较冷的高纬海域后向大气放热，冷却会使其密度增加。在适当的盐度和周围分层条件下，海水发生深层混合，形成较密的水团，并经溢流等过程进入深海。形成的深层水随后向南输送，与其他水团继续交换和混合<ref name="NOAA_2024" />。
深水形成分布在北大西洋副极地和北欧海等多个区域。局地[[对流]]是密度差推动水体上下运动的过程，它与盆地尺度的 AMOC 输送相联系，但两者的变化还受水团输送和海洋动力调整影响<ref name="Canada_2026">Environment and Climate Change Canada (2026). ''Canada's Changing Climate Report 2026'', Chapter 4, Section 4.9. [https://www.canada.ca/en/environment-climate-change/services/science-technology/changing-climate-report-2026/cccr-chapter-4-en.html Large-scale atmosphere-ocean processes affecting climate]。</ref>。
=== 温度、盐度、风与混合 ===
在相同压力及其他条件近似不变时，冷却或盐度升高通常使海水密度增加，变暖或淡化通常使密度降低。较轻的表层水会加强[[密度分层]]，即不同密度的水体在垂直方向形成层次，从而限制深层混合。海水能否下混取决于它相对于周围水体的密度及当地环境<ref name="Canada_2026" />。
整套环流的长期维持还需要深层水重新连接上层海洋。南大洋风驱动的[[上升流]]与海洋内部混合参与这一过程。Baker 等在 2025 年分析的 34 个气候模型中发现，南大洋持续的风驱动[[上升流]]可在极端温室气体或北大西洋淡水强迫（模型中施加的外部淡水输入）下维持减弱后的 AMOC。该结果强调了大西洋与其他海盆之间的动力联系<ref name="Baker_2025">Baker, J. A., Bell, M. J., Jackson, L. C., Vallis, G. K., Watson, A. J., & Wood, R. A. (2025). Continued Atlantic overturning circulation even under climate extremes. ''Nature'', 638, 987–994. DOI: [https://doi.org/10.1038/s41586-024-08544-0 10.1038/s41586-024-08544-0]。</ref>。
== 研究历史与观测 ==
1961 年，Henry Stommel 用简化的[[箱式模型]]说明，温度与盐度对密度的竞争作用可以产生不同的稳定环流状态。[[箱式模型]]把海洋划分为少量近似均匀的区域，用区域之间的热盐交换方程描述整体演化，便于识别反馈和分析[[稳定性]]。此后，AMOC 研究逐步形成从低维概念模型到海洋—大气耦合模型的模型层次<ref name="Alkhayuon_2019">Alkhayuon, H., Ashwin, P., Jackson, L. C., Quinn, C., & Wood, R. A. (2019). Basin bifurcations, oscillatory instability and rate-induced thresholds for Atlantic meridional overturning circulation in a global oceanic box model. ''Proceedings of the Royal Society A'', 475, 20190051. DOI: [https://doi.org/10.1098/rspa.2019.0051 10.1098/rspa.2019.0051]。[https://arxiv.org/html/1901.10111v2 作者全文]。</ref>。
RAPID 观测阵列自 2004 年起在北纬约 26.5° 开展连续监测。OSNAP 则补充北大西洋副极地区域的观测。研究人员结合这些观测、海洋再分析与[[古气候]]记录，比较不同纬度和时间尺度上的翻转变化<ref name="RAPID_History">RAPID. [https://rapid.ac.uk/about-us/history History]。RAPID 项目官方网站，访问日期：2026-10-18。</ref>。
直接观测记录相对于年代际和更长时间尺度的自然变化仍然较短。为延伸历史记录，研究常使用[[海表温度]]、盐度或沉积物等间接资料构建[[代理指标]]，即用与目标过程相关、但更容易观测的量估计目标变化。不同[[代理指标]]反映 AMOC 的程度和时间尺度并不相同，这也是长期趋势判断存在差异的原因之一<ref name="BenYami_2024">Ben-Yami, M., Morr, A., Bathiany, S., & Boers, N. (2024). Uncertainties too large to predict tipping times of major Earth system components from historical data. ''Science Advances'', 10, eadl4841. DOI: [https://doi.org/10.1126/sciadv.adl4841 10.1126/sciadv.adl4841]。[https://arxiv.org/abs/2309.08521 作者摘要及全文入口]。</ref>。
== 减弱、反馈与临界转变 ==
=== 变暖与淡水输入 ===
全球变暖改变高纬海水温度和海气热交换。格陵兰冰盖融水、降水及北极淡水输送的变化也会影响北大西洋表层盐度。变暖和淡化可降低表层密度、增强分层，使深水形成和大尺度翻转输送减弱。淡水进入的位置、扩散路径和持续时间都会影响实际响应<ref name="Canada_2026" />。
=== 盐平流反馈与多稳态 ===
[[盐平流反馈]]是盐分随水流输送所形成的反馈。在有利于这种[[正反馈]]的背景条件下，AMOC 减弱会减少向北输送的盐分，使北部表层水更淡、更轻，进一步抑制深水形成并放大环流减弱。反馈强度取决于大西洋盐度分布、其他水流及海气交换<ref name="Loriani_2025" />。
这种反馈能够在一些模型中支持[[多稳态]]：相同外部条件下，系统可根据初始状态或演化历史停留在不同的稳定状态。若外部强迫增加和减小时的转变路径不同，则表现出[[滞后]]。例如，转入弱翻转状态后，恢复原先的外部条件也可能不足以立即恢复强翻转<ref name="Alkhayuon_2019" />。
=== 不同的转变机制 ===
[[临界转变]]指系统在扰动或外部条件变化下转入显著不同的状态。AMOC 模型研究区分了几种机制，它们也可能共同作用<ref name="Sinet_2024">Sinet, S., Ashwin, P., von der Heydt, A. S., & Dijkstra, H. A. (2024). AMOC stability amid tipping ice sheets: the crucial role of rate and noise. ''Earth System Dynamics'', 15, 859–873. DOI: [https://doi.org/10.5194/esd-15-859-2024 10.5194/esd-15-859-2024]。</ref>。
* '''分岔诱导转变：'''外部参数变化使原有稳定状态失稳或消失。[[分岔]]描述的正是参数变化引起动力学结构改变的现象。
* '''速率诱导转变：'''外部条件变化过快，系统来不及跟随移动的稳定状态，离开其[[吸引域]]，即最终会趋近该状态的一组初始条件所构成的区域。
* '''噪声诱导转变：'''随机扰动使系统越过[[吸引域]]边界，即使原有稳定状态仍然存在，也可能发生状态切换。
短期波动、持续减弱与转入另一种稳定状态是不同层次的变化。“崩溃”在文献中的操作性定义也不完全一致，有时指强烈减弱，有时特指向另一状态的转变。判断具体研究时，应同时查看强迫情景、稳定性证据和恢复实验<ref name="BenYami_2026">Ben-Yami, M., Blaschke, L., Bathiany, S., & Boers, N. (2026). No critical slowing down in the Atlantic Overturning Circulation in historical CMIP6 simulations. ''PLOS Climate'', 5(10), e0000781. DOI: [https://doi.org/10.1371/journal.pclm.0000781 10.1371/journal.pclm.0000781]。</ref>。
== 对气候与生态的影响 ==
* '''区域温度：'''北向热输送减弱，对北大西洋及邻近地区产生降温作用。在全球变暖背景下，这可能表现为相对于环流不减弱情景升温较少。强烈减弱或崩溃情景下，区域降温可以更明显<ref name="Canada_2026" />。
* '''降水与季风：'''海温和半球间热量分配的变化会调整大气环流。强 AMOC 减弱实验常出现[[热带辐合带]]南移，即两半球信风汇合、形成主要热带雨带的区域向南移动，并伴随区域降水和[[季风]]变化<ref name="Loriani_2025" />。
* '''沿岸海平面：'''环流改变会调整海面高度的空间分布，使美国东岸部分地区出现额外的[[动力海平面]]升高。这种由海水运动和分布改变造成的海平面变化，可以叠加在热膨胀和陆地冰融化的影响之上<ref name="NOAA_AOML">NOAA Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory. [https://www.aoml.noaa.gov/moc/ Meridional Overturning Circulation]。访问日期：2026-10-18。</ref>。
* '''海洋生态与碳循环：'''翻转变化影响氧、营养盐和碳的输送与储存，改变海水更新和生物栖息环境。具体响应取决于海域、深度以及与变暖等过程的共同作用<ref name="NOAA_2024" />。
水团完成全球翻转路径可能需要数百至数千年，而环流强度、海温与大气能够在更短的时间尺度调整。因此，区域气候响应不需要等待同一团水完成完整循环<ref name="NOAA_2024" />。
== 复杂系统建模与临界预警 ==
=== 从机制模型到数据驱动模型 ===
AMOC 的机制建模以热盐收支和水体交换为基础。低维[[箱式模型]]便于分析稳定状态、[[分岔]]和[[吸引域]]，复杂气候模型则用于表示空间结构及海洋—大气相互作用。Alkhayuon 等的五箱模型表明，具体失稳机制取决于模型结构和参数，不能把所有 AMOC 转变都归为同一种简单[[分岔]]<ref name="Alkhayuon_2019" />。
[[数据驱动建模]]也可与物理模型结合。Jacques-Dumas 等将[[储备池计算]]（利用一个动态系统变换输入，再学习输出的[[机器学习]]方法）与[[稀有事件采样]]结合，在随机 AMOC [[箱式模型]]中估计给定时间窗口内的转变概率和路径。[[稀有事件采样]]通过集中计算少见转变，提高普通模拟难以捕捉的事件的估计效率。这类模型结果需经过跨模型和观测检验，才能用于现实风险评估<ref name="JacquesDumas_2024">Jacques-Dumas, V., van Westen, R. M., & Dijkstra, H. A. (2024). Estimation of AMOC Transition Probabilities Using a Machine Learning–Based Rare-Event Algorithm. ''Artificial Intelligence for the Earth Systems'', 3, e240002. DOI: [https://doi.org/10.1175/AIES-D-24-0002.1 10.1175/AIES-D-24-0002.1]。[https://arxiv.org/html/2401.10800v3 作者全文]。</ref>。
=== 统计信号与物理指标 ===
[[临界减速]]指系统受到小扰动后恢复得越来越慢。在一定的动力学和噪声条件下，它可表现为[[方差]]增大或相邻时刻的[[自相关]]增强，因而被用于构造[[临界转变预警]]。[[方差]]描述波动幅度，[[自相关]]描述同一变量在不同时刻的相关程度。Boers 在 2021 年分析海温和盐度构建的 AMOC [[代理指标]]，报告了与[[稳定性]]下降相符的信号<ref name="Boers_2021">Boers, N. (2021). Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation. ''Nature Climate Change'', 11, 680–688. DOI: [https://doi.org/10.1038/s41558-021-01097-4 10.1038/s41558-021-01097-4]。</ref>。
物理预警则将指标直接联系到已知反馈。van Westen 等在 2024 年的[[气候模型]]实验中，提出以大西洋南界 AMOC 淡水输送的极小值作为接近转变的指标，并比较了它与传统统计信号的表现。其适用性取决于相关物理联系、观测长度及强迫条件<ref name="vanWesten_2024">van Westen, R. M., Kliphuis, M., & Dijkstra, H. A. (2024). Physics-based early warning signal shows that AMOC is on tipping course. ''Science Advances'', 10, eadk1189. DOI: [https://doi.org/10.1126/sciadv.adk1189 10.1126/sciadv.adk1189]。[https://arxiv.org/html/2308.01688v1 作者预印本全文]。</ref>。
[[临界转变预警]]需要分别回答“是否发生[[稳定性]]变化”和“能否估计转变时间”。Ben-Yami 等在 2024 年指出，外推假设、[[代理指标]]的代表性、观测误差及预处理会使临界时间估计产生很大不确定性<ref name="BenYami_2024" />。其团队在 2026 年对 27 个 CMIP6 [[气候模型]]历史模拟的分析中，未发现稳健、显著的[[临界减速]]，并讨论了这一结果与观测海温指标之间的差异。研究强调多次模拟实现的重要性，也提示模型对现实[[稳定性]]变化的表示仍需检验<ref name="BenYami_2026" />。
=== 主要研究问题 ===
AMOC 研究需要共同约束环流强度、[[稳定性]]与未来情景。当前问题包括：如何用温度、盐度和输送的联合观测构建可靠的[[代理指标]]，如何区分外部强迫、内部变率和[[噪声]]对预警信号的影响，以及低维模型中的反馈和转变机制能否在复杂[[气候模型]]中成立<ref name="BenYami_2024" /><ref name="JacquesDumas_2024" />。
未来减弱与未来发生[[临界转变]]也应分别评估。加拿大 2026 年气候评估对本世纪 AMOC 继续减弱给出高信心，对本世纪不发生关闭给出中等信心。这类信心水平综合反映证据与研究一致性，不等同于一个可直接换算的崩溃概率<ref name="Canada_2026" />。南大洋与印度洋—太平洋环流的稳定作用、模型中的盐度偏差和淡水路径，是进一步约束 AMOC 变化的重要环节<ref name="Baker_2025" />。
== 相关词条 ==
[[海洋环流]]、[[温盐环流]]、[[复杂系统]]、[[非线性动力学]]、[[多稳态]]、[[分岔]]、[[临界转变]]、[[临界减速]]、[[数据驱动建模]]。
== 参考文献 ==
<references />
== 署名 ==
贡献者：杨明哲。