北极海冰消融对AMOC的影响机理研究

The observations show that Arctic sea ice extent has declined rapidly in recent decades, while the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC), a key component of global ocean circulation has slowed down after 2004. Arctic sea ice loss can modulate the ocean–atmosphere fluxes of heat, moisture, and momentum. It’s closely related to the properties of sea water in the deep water formation region in the North Atlantic, so it is worth investigating the impact of Arctic sea ice loss on the AMOC. This program is mainly about two parts of work. The first part is to set ice perturbation experiments using two methods (albedo reduction and ghost forcing) by Community Earth System Model of high resolution to isolate the effect of Arctic sea ice loss on the AMOC, exploring the mechanisms and feedback processes. The second part is to investigate that if the "Warming Hole" persisting in the North Atlantic and the Gulf Stream slow-down are driven by Arctic sea ice loss through the changes of AMOC, analyzing the local surface ocean circulation adjustment. Try to discuss the effects of the two methods (albedo reduction and ghost forcing) on the simulation results and the certainty of conclusions to understand the physical mechanisms of AMOC changes induced by Arctic sea ice loss better, which also influences the North Atlantic remotely.

观测数据显示近几十年来北极海冰的覆盖范围出现快速减小，同时全球重要环流AMOC自2004年起出现减弱趋势。北极海冰消融会改变海气之间热量、水汽和动量交换，与北大西洋深水形成区的海水性质关系密切，因此研究北极海冰消融对AMOC的影响途径和机理具有重要意义。研究主要包括两大部分内容：其一是借助高分辨率的地球系统模式，利用两种试验方法（减小海冰反照率和人为加入长波辐射强迫）设计海冰扰动试验，孤立全球变暖背景下北极海冰消融对AMOC变化的贡献，分析影响机制和正反馈过程；其二就北极海冰消融是否可以通过对AMOC的影响导致北大西洋“暖洞”现象及减弱墨西哥湾流等作用机理展开研究，分析具体的海洋环流调整过程。最后讨论两种试验设计方法对于模拟结果的影响及结论的确定性，从而系统的理解北极海冰消融对AMOC的影响及与北大西洋的遥相关机制。

大西洋经向翻转流（AMOC）在全球气候系统中扮演重要角色，它向北输送热量，在维持全球海洋热量和淡水平衡方面起关键作用。由于温室气体的排放，观测数据显示近几十年来北极海冰的覆盖范围出现快速减小，北极海冰异常会改变海气之间热量、水汽和动量交换，与北大西洋深水形成区的海水性质关系密切，因此研究北极海冰消融对AMOC的影响途径和机理具有重要意义。本项目利用地球系统模式CESM，设计了两种试验（减小北极海冰反照率SW和人为加入向下的长波辐射通量LW），孤立出全球变暖背景下北极海冰消融对AMOC变化的贡献。两种试验方法下，北极海冰融化后北极及高纬度区域海表温度（SST）都出现明显增暖。北大西洋深水形成区海水密度减小，不利于海水下沉，从而触发了AMOC减弱。在SW（LW）试验中，准平衡态时AMOC强度减少了3（4.5）Sv，其强度约减弱了14%（20%），占到了RCP8.5情境中AMOC总变化1/3的（2/3）。墨西哥湾流作为AMOC的上层分支，在两个海冰消融试验中均出现了显著减弱（SW试验中：约减弱4-8 cm/s；LW试验中：约减弱5-8 cm/s）。整个北大西洋增暖，而在墨西哥湾流及其延伸支路径上出现了海水变冷。由于墨西哥湾流及其延伸支流速减小，温度平流和扩散项减弱导致了海表区域降温，而净辐射通量起增暖作用。与墨西哥湾流减弱相反，北半球的另外一支重要的西边界流黑潮出现了略微增强，其增强主要是由于北太平样副热带地区反气旋式风应力旋度异常导致。墨西哥湾流、黑潮及其延伸支异常反过来影响北半球中纬度大气对北极海冰消融的响应。由于墨西哥湾流及其延伸支路径上海表温度降低，向上的长波辐射通量、感热通量和潜热通量（变化最大）减少，导致了大气中北大西洋暖洞的出现。