近日，上海交通大学海洋学院长聘教轨副教授顾思凡在PNAS上发表题为“Open ocean convection drives enhanced eastern pathway of the Glacial Atlantic Meridional Overturning Circulation”的论文。顾思凡为论文第一作者，顾思凡与美国俄亥俄州立大学刘征宇教授为共同通讯作者，合作者包括英国布里斯托大学Hong Chin Ng博士，美国佐治亚理工学院Jean Lynch‐Stieglitz教授，美国哥伦比亚大学Jerry McManus教授，美国伍兹霍尔海洋研究所Michael Spall博士和何诚飞博士，美国科罗拉多州立大学Alexandra Jahn教授和李令伟博士，南京师范大学严蜜教授和中国海洋大学吴立新院士。上海交通大学海洋学院为第一完成单位。

大西洋经向翻转环流（AMOC）是气候系统中最重要的驱动力之一，准确重建过去AMOC的变化是理解过去气候变化的关键。大量观测证据表明在距今约两万年的末次盛冰期AMOC经历了巨大的变化，AMOC的深度比现代浅很多，北大西洋深层水（NADW）也因此被重新命名为冰期北大西洋中层水（GNAIW）。虽然过去大量的研究试图通过观测和模拟的方式重建末次盛冰期AMOC的强度，但目前仍没有一致的结论。过去的这些研究几乎都关注的是二维的AMOC，没有考虑到AMOC具有复杂的三维结构。最新的研究结果表明，现代NADW从高纬度向低纬度传输时除了传统的西边界流和位于大西洋中脊以西的内部路径，还存在位于大西洋中脊以东的东部路径。末次盛冰期AMOC三维结构/东部路径的变化可能是准确重建末次盛冰期AMOC的关键。

图1. 模拟中末次盛冰期中深层流场的变化（a）和²³¹Pa/²³⁰Th的变化（b）。

因此，本研究通过加载同位素的末次盛冰期模拟，揭示了末次盛冰期AMOC三维结构的变化。模拟结果表明，在末次盛冰期，AMOC的东部路径显著增强（图1a）。²³¹Pa/²³⁰Th是古海洋中常用的一种可以重建过去洋流强度的代用指标，在北大西洋，更强的向南输运会导致²³¹Pa/²³⁰Th减小。模拟中末次盛冰期更强的东部路径伴随了东部洋盆²³¹Pa/²³⁰Th的减小，与西部洋盆相反，且与观测一致（图1b），进一步验证了模拟结果的可靠性。

图2. 现代和末次盛冰期东部路径的机制。现代（a）和现代无风场实验（b）中NADW主体位势密度面上的位涡和流场。末次盛冰期（c），末次盛冰期无风场实验（d），和末次盛冰期无风场且平坦地形实验（e）中GNAIW主体位势密度面上的位涡和流场。

本研究进一步利用海洋模式开展敏感性实验探究了末次盛冰期东部路径的物理机制，研究结果表明末次盛冰期东部路径的形成机制与现代不同。现代AMOC的东部路径作为斜压交流窗口的一部分其位置主要由表层风场决定，当风场减弱时东部路径向西移动（图2a和b）。然而，在末次盛冰期，当关闭表层风场之后东部路径基本不变（图2d），表明在末次盛冰期表层风场不是东部路径的主要驱动机制。在末次盛冰期，东部路径是北大西洋副极地地区洋盆尺度开放大洋深对流引起的“边缘流”的一部分。北大西洋副极地地区表层的密度强迫形成了巨大的低位涡区域，在这个区域边缘引起了反气旋的流动（图2e），形成了末次盛冰期AMOC的东部路径。本研究提升了我们对末次盛冰期AMOC三维结构的认识，有助于未来更加准确地重建过去海洋环流的变化。

本研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目、崂山实验室科技创新项目、国家自然科学基金青年基金、上海交通大学深蓝计划、上海市极地前沿科学研究基地、极地生态与气候变化教育部重点实验室和美国国家科学基金等的资助。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2405051121

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