北冰洋入海径流量快速增加对大西洋经向翻转环流的影响研究

Arctic Ocean contains only about 1% of the global volume of seawater, but it receives about 11% of the world's river flow. Freshwater from rivers is very important to maintain Arctic Ocean's marine environment. Nearly half a century of observations show that under the background of global warming Arctic river flow has a fast increased trend, and there are projections that Arctic runoff would also increase in the 21th century. Some studies show that there are some connections between runoff increasing in the Arctic Ocean and the weakening of Atlantic Meridional Overturing Circulation (AMOC). However, the mechanism and the quantitative relationships of the impact of Arctic runoff rapid increasing on AMOC are not clear yet. Our research group has established an earth system model called FIO-ESM (First Institute of Oceanography-Earth System Model) and this model attended the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5). FIO-ESM can well reproduce and predict the fast increased trend of Arctic river flow and the weakening of AMOC. Based on observations, CMIP5 simulations and this climate model results, we will design several numerical experiments to investigate the mechanism of the impact of Arctic river flow increasing on the weakening of AMOC and study their quantitative relationships.

北冰洋拥有全球1%的海水，每年却能吸纳全球11%的河流径流，来自河流的淡水通量对维持北冰洋的海水环境具有重要作用。近半个世纪的观测表明，在全球变暖背景下，北冰洋入海径流量呈现快速增加趋势。预测显示，21世纪北冰洋径流依然会持续增加。有研究表明北冰洋入海径流增加和大西洋经向翻转环流减弱之间有联系，但是北冰洋入海径流影响大西洋经向翻转环流的具体物理过程和定量关系还不清楚。申请者所在研究团队建立发展的地球气候系统模式FIO-ESM参加了CMIP5数值实验，并且实验结果能模拟和预测出北冰洋径流量的快速增加和大西洋经向翻转环流的减弱。本研究希望通过在分析历史观测和CMIP5数据的基础上，借助该气候模式专门设计数值实验，以研究北冰洋径流量快速增加影响大西洋经向翻转环流的物理机制，并对两者之间的关系进行定量分析。

在全球气候变化背景下，北冰洋的淡水循环正在发生着显著变化，首先利用CMIP5耦合模式对北极入海径流在21世纪变化趋势进行了预估，结果表明，北极入海径流未来的变化趋势依赖于大气温室气体的浓度，在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5路径下，北极入海径流都出现了增加趋势，但增加的速度不同，1951至2100年间4种路径下北极入海径流的线性增加趋势分别为每年增加约2.5、3.9、4.1和7.1 km3。. 然后，利用CMIP5众多耦合模式的预测结果分析研究了21世纪北冰洋的淡化趋势，并分析研究了北极入海径流对北冰洋淡化的贡献。结果表明：RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5不同温室气体排放路径下，21世纪北冰洋海表盐度都出现了降低趋势，淡水含量则出现了增加趋势；导致21世纪北冰洋上层海洋淡化的主要原因是北极入海径流量的增加、净降水量的增加以及太平洋通过白令海峡进入北冰洋淡水通量的变化；其中入海径流的贡献最大，21世纪在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5路径下其贡献分别为73%、45%、45%和40%。. 最后，分别利用一个冰-海耦合海洋数值模式和一个地球系统模式分析研究了北冰洋海域入海径流的增加对AMOC强度的影响。冰-海耦合数值实验证实了北冰洋海域入海径流增加可引起北冰洋淡化和AMOC强度的减弱，按照RCP8.5路径下北冰洋海域入海径流增加的速度，冰-海耦合敏感实验积分在第100、150和200年时，AMOC强度分别减小了0.6、1.2和1.8 Sv，相对减少了3.6%、7.2%和10.8%；冰-海耦合数值实验清晰地给出北冰洋海域入海径流增加影响AMOC的物理过程，即北冰洋和北大西洋上层海流会把北冰洋海域入海径流增加的淡水带到北冰洋和NADW生成关键海区，导致北冰洋和NADW生成关键海区上层盐度降低，上混合层变浅，致使海洋层结增强，NADW生成受到抑制，NADW生成减缓，最终导致AMOC强度减弱；全耦合数值实验表明，在地球系统模式中北冰洋海域入海径流增加也可导致AMOC强度的减弱，并且由于AMOC强度减弱所引起向极热输送的减少会导致北半球大部分地区表层气温下降，下降最明显的地区在北冰洋、拉布拉多海和欧亚大陆，我国气温也会因此而降低。