大西洋经向翻转环流

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。

“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。

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。

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]\displaystyle{ 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

• 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。

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。
• 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。
• 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。
• 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。

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。

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。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。

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。

署名

贡献者：杨明哲。