《PNAS:深入了解海气交换作用改善了全球气候模型》

  • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者: liguiju
  • 发布时间:2023-04-03
  • 公海湍流和寒冷的高纬度地区破浪带来的气泡注入,是大气进入海洋的一种被低估的输送方式。高纬度地区海气体交换机理对于预测氧气和二氧化碳等关键气体海洋库存变化的气候模型非常重要。
    近期发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上的一项由WHOI领导的新研究“北大西洋深处的溶解气体追踪海洋通风过程”,将新的地球化学示踪剂和海洋循环模型结合起来,研究大气气体进入深海的物理学过程。研究在百慕大大西洋BATS站点(北纬31°40,西经64°10),重复巡航收集了1988年以来海洋表层水到深层水的月度数据,使用了新技术精确测量了北大西洋4.5公里深处海水样本中的惰性气体同位素。惰性气体通过海面与大气交换后,可以稳定存在于海水中。因此,百慕大海岸北大西洋深处的溶解惰性气体同位素可以揭示特殊地区气体交换物理学过程。
    论文的主要作者Alan Seltzer表示,新发现表明高纬度海洋中气泡的溶解可能是惰性气体、氧气和氮气进入深海的主要途径。这项研究对理解气体进入海洋的基本物理学迈出了新的一步。海洋吸收和释放气体过程,是气候变化反应预测极具挑战且重要的一步。二氧化碳和其他温室气体在深海(约占海洋总体积的75%)和大气之间的交换发生在高纬度地区的冬季,特别是在风暴事件中。对北大西洋深处惰性气体浓度的测量记录了在大风暴事件中形成的大气泡的重要性,大大增加了我们对深水气体交换率的理解。这提高了人们量化二氧化碳和温室气体在海气之间交换的能力,并预测气候对它们在大气中的浓度变化的响应,这对于制定缓解全球变暖的政策至关重要。(於维樱 编译)

  • 原文来源:https://www.whoi.edu/press-room/news-release/a-better-understanding-of-gas-exchange-can-improve-global-climate-models/
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    • 随着气候的变化,飓风的威力也不断增大,准确地模拟大气和海洋之间的相互作用对人们做好准备或撤离变得越来越重要。然而,海-气系统的许多机制,即所熟知的海-气通量,使得模拟变得极其复杂。最新研究结果显示目前的数值模型根本无法解释波浪、洋流和风三者耦合的影响。而这种耦合又是至关重要的,因为没有它,模型根本不能准确地显示出海洋大气边界层过程。因此,需要对这种耦合的影响进行量化,以提高海-气通量预报的准确性。如果没有对湍流进行模拟,那么在模式中就会存在一个恒定的偏差,而更好的模型可以让天气预报人员和气候科学家更准确地了解大气与海洋交汇处发生了哪些过程。 海-气通量的建模之所以如此复杂,部分原因在于系统中反馈机制的绝对数量:要模拟波浪,必须考虑到表面粗糙度和风;要模拟海表面温度,就必须考虑海-气温差、水汽、湿度、蒸发等因素;另外,对风和海流的模拟也同样的复杂。数值模型求解描述大气、海洋和陆地表面的方程,以预测未来的天气和气候。各模式分量之间的相互作用,如大气和海洋之间的热交换,在驱动海洋和大气环流方面发挥着重要作用。 飓风的动力来自海洋的热量和湿气。海流和波浪会改变风的切应力和表面粗糙度,而他们又是计算海气热量和动量通量的关键变量。通过使用高分辨率、三向耦合的海洋-波浪-大气模拟系统,确定耦合海流、波浪和风应力在减少模拟墨西哥湾流海-气通量中模式偏差的作用。 很好的理解海流-波浪-应力耦合过程可用于提高飓风强度和气候预报的准确性,以及更好地在数值模型中使用卫星观测。另外,数据显示,海流的观测是重要的,它对模型会产生重大影响。 (郭亚茹 编译,於维樱 审校)
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    • 编译者:liguiju
    • 发布时间:2023-01-04
    • 近期,来自英国国家海洋学中心(National Oceanography Centre,NOC)的顶尖科学家们研究发现,大西洋经向翻转环流(Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC)并没有像科学家先前分析的那样显示出可探测到的衰退—AMOC的衰退将导致北美和欧洲极端天气和气候的减弱。研究结果发表在《Geophysical Research Letters》上。该项研究发现格陵兰岛东部伊尔明格尔海的海洋密度解释了AMOC强度的大部分变化—AMOC是一个包括墨西哥湾流在内的洋流系统。事实上,新的数据表明,没有证据表明在过去的70年里,AMOC正在经历可探测到的洋流强度的下降。 NOC的科学家们研究了格陵兰岛和苏格兰之间的亚极地北大西洋(Subpolar North Atlantic,SPNA)海区,这是一个对AMOC系统健康至关重要的区域。在这里,从亚热带携带热量的暖流变得更冷、密度更大,这一过程对AMOC洋流系统的强度产生了强烈的影响。以前的研究认为,AMOC正在减弱,可能是由于极地冰雪融化带来的淡水增加;如果AMOC和墨西哥湾流衰退,可能会对美国和欧洲的气候造成灾难性的影响。 这些发现凸显了大西洋洋流对欧洲天气的重大影响。NOC海洋物理学和海洋气候小组负责人Penny Holliday教授指出,墨西哥湾流和急流都会影响天气,但方式不同。墨西哥湾暖流将温暖的海水带到西欧,使得欧洲的气温比加拿大同纬度地区的温度更高,并影响了整体气候。急流更直接地导致天气的短期变化。但是,包括墨西哥湾流在内的洋流变化反过来会迫使急流在英国上空带来潮湿和多风的天气,或者给英国北部带来平静和稳定的天气。 这个过程与AMOC的强度直接相关。在大西洋中,因为蒸发的影响,向北流动的海水含盐量很高。海水在被输送到北方的过程中逐渐冷却,由于较低的温度和较高的含盐量使海水密度更大、重量更重,它沉入海洋深处。下沉的海水导致更多的水被输送到北方,形成稳定的洋流。下沉的海水量决定了表层海流的一致性和强度。 Holliday教授补充道,通过这项研究,科学家们试图了解AMOC的物理原理,以提高对气候预测的信心,从而帮助评估评估哪些海洋模型运行良好,哪些模型需要改进。更重要的是,研究发现包括墨西哥湾流在内的AMOC系统还没有变得不稳定,也没有达到可以破坏世界各地气候的临界点。这项研究表明,格陵兰岛和苏格兰之间的地区对气候预测非常重要,而且发生在次极地环流中心的过程是至关重要的,而不是像以前认为的那样发生在周围的洋流中。该研究首次展示了环流内水的温度和盐度与大洋流强度之间的关系。 科学家们将利用这一发现来开发气候模型。先前的发现降低了气候预测的可信度,因为在许多气候模型中,决定洋流强度的关键过程是由格陵兰岛和加拿大之间的地区决定的,而事实上,这一过程发生在格陵兰岛和苏格兰之间。 Holliday强调,没有理由表明AMOC将全面衰退。虽然有证据表明近几十年来该系统在SPNA中放缓,但没有迹象表明两者在更长的时间尺度上的相关性。因此科学家们相信,这一研究将提供一个更准确的气候预测时间表,以及改善季节性天气预报。(刁何煜 编译)