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南极融水驱动的深海翻转减缓和变暖gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba体积gydF4y2Ba615gydF4y2Ba,gydF4y2Ba页面gydF4y2Ba841 - 847 (gydF4y2Ba2023gydF4y2Ba）gydF4y2Ba引用本文gydF4y2Ba

主题gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

深海环流是全球经向翻转环流的重要组成部分，在全球海洋中循环热量、碳、氧和营养物质gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．在深海观测到的最强烈的历史趋势是在南部高纬度地区变暖gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba4gydF4y2Ba然而，目前还不清楚是什么过程导致了这种变暖，也不清楚这种变暖是否与海洋翻转环流的放缓有关。此外，由于测量有限，而且耦合气候模型在该地区表现出偏差，很难将变化归因于特定的驱动因素gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,gydF4y2Ba7gydF4y2Ba．此外，未来的变化仍然不确定，因为最新的协调气候模式预测没有考虑到冰盖的动态融化。在这里，我们使用一个瞬态强制高分辨率海洋-海冰耦合模型来表明，在高排放情景下，深海变暖将在未来30年加速。我们发现，南极周围的融水输入推动了南极底水(AABW)的收缩，开辟了一条通路，使温暖的环极深水更容易进入大陆架。AABW形成的减少导致深海变暖和老化，这与最近的测量结果一致。相比之下，风和热强迫对AABW的性质、年龄和体积影响不大。这些结果强调了南极融水在造成深海翻覆方面的关键重要性，对全球海洋生物地球化学和气候的影响可能会持续几个世纪。gydF4y2Ba

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图1:最近和预测的底水性质从主要扰动运行的变化。gydF4y2Ba
图2:来自主要扰动运行的最近和预测的深海变暖趋势。gydF4y2Ba
图3:预计2050年全球翻转环流变化。gydF4y2Ba
图4:2041-2050年预测的南大洋水团变化。gydF4y2Ba
图5:显示2050年深海通风减少机制的示意图。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

ACCESS-OM2-01模型模拟输出存储在澳大利亚海洋-海冰模拟联盟(COSIMA)的数据收集网站上gydF4y2Bahttps://doi.org/10.4225/41/5a2dc8543105agydF4y2Ba．用于强迫模型模拟的JRA55-do v1.3数据是在1991-2019年期间获得的gydF4y2Bahttps://climate.mri-jma.go.jp/~htsujino/jra55do.htmlgydF4y2Ba．用于强迫模型模拟的CMIP6数据是从盘古CMIP6库中获得的2020-2050年期间的数据gydF4y2Bahttps://github.com/pangeo-gallery/cmip6gydF4y2Ba．生成这里使用的模型配置的具体补充可以根据请求提供。ACCESS-ESM1.5模型仿真输出。gydF4y2Ba25gydF4y2Ba由A. Purich提供，本研究中分析的数据集以netCDF格式公开可在gydF4y2Bahttps://github.com/QianLi-Ocean/Antarctic_MWdriven_Abyssal_Circulation_Change/tree/main/Databases/ACCESS-ESM15gydF4y2Ba．观测到的海冰范围数据来自美国国家冰雪数据中心(NSIDC) 2001-2021年的数据gydF4y2Bahttps://doi.org/10.7265/N5K072F8gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

代码的可用性gydF4y2Ba

模型组件都是开源的。ACCESS-OM2可在gydF4y2Bahttps://github.com/COSIMA/access-om2/gydF4y2Ba．用于本研究中描述的分析的Jupyter笔记本可在GitHub存储库中获得gydF4y2Bahttps://github.com/QianLi-Ocean/Antarctic_MWdriven_Abyssal_Circulation_ChangegydF4y2Ba．gydF4y2Ba

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下载参考gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

我们感谢广大COSIMA社区成员与我们合作开发ACCESS-OM2模型，感谢GFDL提供ACCESS-OM2模型所基于的原始MOM5配置;A. Purich提供了用于绘制扩展数据图的CMIP6处理数据。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba和gydF4y2Ba5gydF4y2BaACCESS-ESM1.5模型仿真输出用于绘制扩展数据图。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba和gydF4y2Ba5 bgydF4y2Ba；和R. Holmes建议在微扰模拟中应用特定湿度异常。这项研究是在澳大利亚堪培拉的国家计算基础设施(NCI)上进行的，由澳大利亚政府支持。M.H.E.和A.K.M.由澳大利亚南极科学卓越中心(acas;ARC批准号SR200100008)。Q.L.得到了NASA MAP项目19-MAP19-0011和MIT-GISS合作协议的支持。m.h.e.， A.M.H.和A.K.M.还得到了澳大利亚研究委员会(ARC)发现项目DP190100494的支持，A.K.M.得到了ARC DECRA奖学金DE170100184的支持。gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

作者及隶属关系gydF4y2Ba

  1. 麻省理工学院地球、大气和行星科学系，美国马萨诸塞州剑桥gydF4y2Ba

    李钱gydF4y2Ba

  2. 气候变化研究中心和澳大利亚南极科学卓越中心，新南威尔士大学，悉尼，澳大利亚新南威尔士gydF4y2Ba

    马修·h·英格兰gydF4y2Ba

  3. 澳大利亚国立大学地球科学研究学院和ARC极端气候卓越中心，堪培拉，澳大利亚首都领地gydF4y2Ba

    安德鲁McC。霍格gydF4y2Ba

  4. CSIRO海洋与大气研究所，霍巴特，塔斯马尼亚，澳大利亚gydF4y2Ba

    Stephen R. RintoulgydF4y2Ba

  5. 澳大利亚南极计划伙伴，塔斯马尼亚大学，霍巴特，塔斯马尼亚，澳大利亚gydF4y2Ba

    Stephen R. RintoulgydF4y2Ba

  6. 澳大利亚国立大学地球科学研究学院和澳大利亚南极科学卓越中心，堪培拉，澳大利亚首都领地gydF4y2Ba

    阿黛尔·k·莫里森gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba
  1. 李钱gydF4y2Ba
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    您也可以在gydF4y2BaPubMedgydF4y2Ba谷歌学者gydF4y2Ba

  2. 马修·h·英格兰gydF4y2Ba
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  3. 安德鲁McC。霍格gydF4y2Ba
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  4. Stephen R. RintoulgydF4y2Ba
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  5. 阿黛尔·k·莫里森gydF4y2Ba
    查看作者出版物gydF4y2Ba

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贡献gydF4y2Ba

m.h.e构想了这项研究，并与A.M.H.和q.l一起设计了模型实验。q.l进行了模型模拟，并根据所有作者的输入进行了分析。M.H.E.和q.l领导了对提交的原始手稿的修订。所有作者都为论文的思想发展、分析、写作和完善做出了贡献。gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2Ba马修·h·英格兰gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

道德声明gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

作者声明没有利益竞争。gydF4y2Ba

同行评审gydF4y2Ba

同行评审信息gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba感谢匿名审稿人对本工作的同行评议所作的贡献。gydF4y2Ba

额外的信息gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2Ba

扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba

扩展数据图1观测和模拟的深海温度和盐度。gydF4y2Ba

底gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)温度(°C)和gydF4y2BacgydF4y2Ba)盐度(psu)为1975-2012年大陆架观测气候平均值。gydF4y2Ba72gydF4y2Ba以及根据2018年世界海洋地图集，1955-2017年的深渊gydF4y2Ba73gydF4y2Ba)及等价物gydF4y2BabgydF4y2Ba)温度(°C)和gydF4y2BadgydF4y2Ba)的盐度(psu)值在ACCESS-OM2-01控制运行200年后。所有显示的温度和盐度都对应于观测值和模型中的最低值。灰色等深线代表4000米等深线，黑线表示南极边缘周围1000米等深线。gydF4y2Ba

图2模型深海温度和盐度评价。gydF4y2Ba

模型底部gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba)温度(°C)和gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BadgydF4y2Ba) CMIP6模式多模式集成平均值中盐度(psu)相对于观测值的偏差gydF4y2Ba5gydF4y2Ba分别在1975-2012年和基线ACCESS-OM2-01控制运行期间进行。灰色等深线代表4000米等深线，黑线表示南极边缘周围1000米等深线。请注意，单个CMIP6模式在深海温度和盐度方面的偏差通常比在多模式平均值中看到的偏差大得多gydF4y2Ba5gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

扩展数据图3风、热和融水扰动的模式强迫场。gydF4y2Ba

纬向平均值Hovmöller图gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba) 10m纬向风速异常(m sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)，gydF4y2BabgydF4y2Ba) 2 m空气温度异常(℃)和gydF4y2BacgydF4y2Ba)地表下行长波辐射异常(W mgydF4y2Ba−2gydF4y2Ba)，从基于观测的历史时期1991-2019年的JRA55-do v1.3和未来时期2020-2050年的CMIP6(方法)。这些模拟所需的强迫场是在实验设置时使用所有25个CMIP6模型的多模型平均值推导出来的(列在插入框中)。2041-2050年期间的海面盐度异常(psu)来自[风+热+融水]实验相对于对照运行，左右gydF4y2BadgydF4y2Ba)南极洲及gydF4y2BaegydF4y2Ba)格陵兰岛。gydF4y2BafgydF4y2Ba) 2001年全球综合海洋热含量年平均时间序列(ZJ = 10gydF4y2Ba21gydF4y2BaJ)分别来自控制流(灰线)、[风+热]流(橙线)和[风+热+融水]流(蓝线)。gydF4y2Ba

图4融水驱动的海气反馈评价。gydF4y2Ba

区域平均表面强迫的Hovmöller图，显示为总(左面板)和估计的融水反馈(中间面板)gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BabgydF4y2Ba纬向风速(m sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)，gydF4y2BadgydF4y2Ba,gydF4y2BaegydF4y2Ba)经向风速(m sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)，gydF4y2BaggydF4y2Ba,gydF4y2BahgydF4y2Ba)净海气热通量(W mgydF4y2Ba−2gydF4y2Ba),gydF4y2BajgydF4y2Ba,gydF4y2BakgydF4y2Ba)淡水净通量(千克米)gydF4y2Ba−2gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)在2001-2050年期间，从ACCESS-ESM1.5完全耦合运行中增加融水。融水反馈是根据有融水和没有融水的完全耦合模型运行之间的差异估计的，基于在历史和SSP5-8.5强迫下运行的模拟。为了匹配我们应用的融水量，耦合模型从ref输出。gydF4y2Ba25gydF4y2Ba加权85%(详见方法)。的gydF4y2Ba总计gydF4y2Ba场是在历史和SSP5-8.5强迫下模拟的和，加上由融水成分驱动的加权异常。最右边的面板显示的是2041 - 2050年的平均值gydF4y2Ba异常gydF4y2Ba的gydF4y2BacgydF4y2Ba纬向风速(m sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)，gydF4y2BafgydF4y2Ba)经向风速(m sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)，gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)净海气热通量(W mgydF4y2Ba−2gydF4y2Ba),gydF4y2BalgydF4y2Ba)淡水净通量(千克米)gydF4y2Ba−2gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)，由融水成分驱动(蓝线)，而没有融水的气候变化强迫导致的异常(橙线)，相对于2001 - 2010年的平均值计算。净热通量包括短波辐射、长波辐射、潜热通量和感热通量之和。淡水净通量包括降水、蒸发和径流(包括额外的融水输入;即，在面板(l)中)。从大气进入海洋的热通量和淡水通量被定义为正。纬向平均值仅计算海洋网格盒(即不计算陆地)。gydF4y2Ba

图5模拟南极海冰范围评价。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba年平均海冰范围(百万公里)时间序列gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)根据观察gydF4y2Ba70gydF4y2Ba(带空心圆圈的黑线)、2001-2021年期间的[风+热+融水]运行(黑线)、[风+热]运行(橙线)和CMIP6模式模拟gydF4y2Ba24gydF4y2Ba在历史和SSP5-8.5强迫下(细蓝线)。海冰范围的定义是海冰浓度至少为15%所覆盖的区域。粗蓝线是CMIP6多模型平均值。海冰范围从[风+热]的下降速率跑(- 53万公里gydF4y2Ba2gydF4y2Ba每十年;橙色线)位于CMIP6模式的范围内(- 0.34±20万km)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba每十年)。gydF4y2BabgydF4y2Ba年平均海冰范围(百万公里)响应的时间序列gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)到[风+热+融水]运行的等效融水异常(紫色线)，以及2001-2050年期间完全耦合ACCESS-ESM1.5运行的等值融水异常，显示为整体平均值(粗灰线)和个别成员(细灰线)。gydF4y2Ba

扩展数据图6 2050年控制和预测的致密陆架水形成变化。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba)地表水-质量转化(大陆架;10gydF4y2Ba−5gydF4y2Bam sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)和测深(在深渊;Km)从控制运行。南极大陆架地区(向极地方向的1000米等深线;Sv)为净、盐和热组分gydF4y2BabgydF4y2Ba)在气候学中来自对照运行和gydF4y2BacgydF4y2Ba,gydF4y2BadgydF4y2Ba,gydF4y2BaegydF4y2Ba)从控制运行，[风+热]运行和[风+热+融水]运行。虚线gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba,gydF4y2BadgydF4y2Ba,gydF4y2BaegydF4y2Ba)表示32.57 kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba等流(以1000米为基准)，在此范围内，2050年[风+热+融水]流动的水质量转化显著减少。a)中的地表水质量转化率也计算在该势密度层上。gydF4y2Ba

扩展数据图7由于融水异常导致的近期和预测的底水性质变化。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba)地表水-质量转化(大陆架;10gydF4y2Ba−5gydF4y2Bam sgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)和海底海水年龄异常(在深渊;年),gydF4y2BadgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba)底部盐度异常(psu)和gydF4y2BaggydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)融水分量在2001-2010年、2021-2030年和2041-2050年期间的底温异常(°C)。灰色等深线代表4000米等深线，黑线表示南极边缘周围1000米等深线。计算了32.57 kg m的地表水质量转化率gydF4y2Ba−3gydF4y2Ba等斜(参考1000m)，在此范围内，SWMT显示出最显著的下降。gydF4y2Ba

扩展数据图8来自[风+热]运行和估计的融水成分的近期和预测的深海变暖趋势。gydF4y2Ba

暖化表现为热通量异常(W mgydF4y2Ba−2gydF4y2Ba)跨越4000米，分别由a,b) 1991-2010年，c,d) 1991-2030年和e,f) 1991-2050年期间4000米以下的变暖由[风+热]运行和融水成分暗示。灰色等高线代表4000米等高线。沿南极洲海岸的四个箭头尾迹标志表示深海波和深海波形成的关键位置。gydF4y2Ba

扩展数据图9近期和预测的深海刷新。gydF4y2Ba

淡水通量异常(cm yrgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba)跨越4000米gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BadgydF4y2Ba,gydF4y2BaggydF4y2Ba) 1991 - 2010,gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BaegydF4y2Ba,gydF4y2BahgydF4y2Ba) 1991-2030年和gydF4y2BacgydF4y2Ba,gydF4y2BafgydF4y2Ba,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba) 1991-2050年分别由[风+热+融水]流、[风+热]流和估计的融水成分得出。灰色等高线代表4000米等高线。澳大利亚-南极盆地(AAB)、Weddell-Enderby盆地(WEB)和Amundsen-Bellingshausen盆地(ABB)在a)。gydF4y2Ba

扩展数据图10海冰的近期变化和预测变化。gydF4y2Ba

十年海冰浓度异常(%)gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BadgydF4y2Ba,gydF4y2BaggydF4y2Ba) 2001 - 2010,gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BaegydF4y2Ba,gydF4y2BahgydF4y2Ba) 2021-2030年和gydF4y2BacgydF4y2Ba,gydF4y2BafgydF4y2Ba,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba) 2041-2050年分别从[风+热+融水]流、[风+热]流和估计的融水成分中得到。正值和负值分别表示海冰的增长和减少。gydF4y2Ba

图11 2041-2050年全球海水年龄预测变化。gydF4y2Ba

纬向均值垂直截面gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)从对照运行的气候平均海水年龄(年)gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba,gydF4y2BadgydF4y2Ba)从[风+热+融水]分量、[风+热]分量和estimated融水分量分别得到2041-2050年海水年龄异常(年)。等高线以15年为间隔表示海水的气候平均年龄。gydF4y2Ba

扩展数据图12 2041-2050年预测的南大洋水团性质。gydF4y2Ba

纬向均值垂直截面gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BadgydF4y2Ba)势密度(kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba)，gydF4y2BaegydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BahgydF4y2Ba)盐度(psu)、i-l)温度(°C)和m-p)海水年龄(年)分别来自对照运行、[风+热+融水]运行、[风+热]运行和estimated融水组件。最右边的面板显示了来自控制运行的平均属性和估计的融水贡献的总和。等高线显示2041-2050年相应的潜在密度(参考2000 m)，范围为36.91 kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba到37.18公斤米gydF4y2Ba−3gydF4y2Ba间隔0.03 kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba．纬度显示相对于1000米等深线。gydF4y2Ba

扩展数据图13 2041-2050年预计融水驱动的水质量变化分解。gydF4y2Ba

纬向均值垂直截面gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BacgydF4y2Ba)盐度异常(psu)，gydF4y2BadgydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BafgydF4y2Ba)温度异常(℃)和gydF4y2BaggydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba我gydF4y2Ba) 2041-2050年的海水年龄异常(年)分别为总变化中的融水分量、隆起分量和由于水-质量转换(即去除隆起后)引起的残余分量。等值线显示2041-2050年相应的潜在密度(参考2000 m)，范围为36.91 kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba到37.18公斤米gydF4y2Ba−3gydF4y2Ba间隔0.03 kg mgydF4y2Ba−3gydF4y2Ba．纬度显示相对于1000米等深线。点画表示由于在深度和密度值之间转换垂直坐标而缺少的值。gydF4y2Ba

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李，Q.，英格兰，m.h.， Hogg, A.M.gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba南极融水驱动的深海翻转减缓和变暖。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba615gydF4y2Ba， 841-847(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-023-05762-wgydF4y2Ba

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