[论文解读] New Physics-Based Early Warning Signal shows AMOC is on Tipping Course

René M. van Westen, Michael Kliphuis+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2023

Ecosystem dynamics and resilience被引用 7

一句话总结

本研究在最先进的气候模型（CESM）中首次模拟了大西洋经向翻转环流（AMOC）临界点突变事件，识别出一种新的基于物理机制的早期预警信号：在34°S处AMOC引起的淡水输送最小值。观测数据表明，当前的AMOC已接近临界点，该新信号为传统统计指标提供了更可靠的替代方案，后者对分析窗口的选择较为敏感。

ABSTRACT

One of the most prominent climate tipping elements is the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), which can potentially collapse due to the input of fresh water in the North Atlantic. Although AMOC collapses have been induced in state-of-the-art Global Climate Models (GCMs) by strong freshwater forcing, an AMOC tipping event has so far not been found. Here, we show results of the first AMOC tipping event in such a GCM, the Community Earth System Model, including the large climate impacts of the associated AMOC collapse. Using these results, we develop a new physics-based and observable early warning signal of AMOC tipping: the minimum of the AMOC induced freshwater transport at the southern boundary of the Atlantic. Available observational and reanalysis data indicate that the present-day AMOC is on route to tipping. The new early warning signal is a useful alternative to classical statistical ones which, when applied to our simulated AMOC tipping event, turn out to be sensitive to the analysed time interval before tipping.

研究动机与目标

• 在真实、逐渐增强的淡水强迫条件下，于最先进的气候模型（CESM1.0.5）中模拟AMOC临界点突变事件。
• 识别一种基于物理机制、可观测的AMOC临界点突变早期预警信号，避免传统指标所依赖的统计假设及其敏感性。
• 评估当前观测和再分析数据是否表明AMOC正接近临界点。
• 量化AMOC对淡水强迫的响应，并确定其崩溃发生的临界阈值。
• 提供一种与模型无关的、独立于背景气候状态和强迫细节的稳健早期预警信号。

提出的方法

• 在CESM1.0.5模型中开展“海面淡水强迫实验”（hosing experiment），在北大西洋（20°N–50°N）施加线性增加的淡水通量异常，速率为 $3 \times 10^{-4}$ Sv yr⁻¹，至模型第2,200年达到0.66 Sv。
• 在海洋其他区域表面实施盐度补偿，以维持全球盐量平衡。
• 根据公式（2），将AMOC强度定义为在26°N处上层1,000米范围内的经向体积输送。
• 基于相对于纬向平均值的经向速度和盐度异常，利用公式（1a）计算34°S处的翻转环流引起的淡水输送（$F_{\mathrm{ovS}}$）。
• 采用三次样条插值法，对 $F_{\mathrm{ovS}}$ 时间序列进行平滑处理，使用导数零交叉点估计其最小值，插值时间长度 $n \geq 35$ 年。
• 通过模拟临界点突变动力学验证早期预警信号，并与统计指标对比以评估其稳健性。

Figure 1: AMOC collapse. (a): The AMOC strength at 1,000 m and 26 ∘ N, where the yellow shading indicates observed ranges ( ?, ? ). The cyan-coloured lines indicate the magnitude of $F_{H}$ . Inset: The hosing experiment where fresh water is added to the ocean surface between 20 ∘ N – 50 ∘ N in the

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实、缓慢增加的淡水强迫条件下，是否可在最先进的全球气候模型（CESM）中触发AMOC临界点突变？
• RQ2 AMOC引起的淡水输送在34°S处的最小值是否可作为AMOC崩溃的可靠、基于物理机制的早期预警信号？
• RQ3 与传统统计指标（如方差和自相关性）相比，该新早期预警信号在可靠性与敏感性方面表现如何？
• RQ4 基于观测和再分析数据，当前AMOC是否已接近临界点？
• RQ5 结果在多大程度上依赖于模型偏差或特定强迫细节？该信号是否可独立于背景气候状态应用？

主要发现

• 本研究首次在最先进的全球气候模型（CESM1.0.5）中模拟了AMOC临界点突变事件，其崩溃在1,750年的渐进淡水强迫后突然发生。
• AMOC强度在1,750至1,850年期间从约10 Sv下降至2 Sv，至模型第2,000年，翻转环流和热量输送减少了75%。
• 新早期预警信号——即34°S处AMOC引起的淡水输送（$F_{\mathrm{ovS}}$）的最小值——被确认为一种稳健、基于物理机制的即将崩溃的指示信号。
• 观测和再分析数据（GLORYS12V1、SODA3.15.2、ORAS5、ORA-20C、ECCO-V4r4）表明，当前AMOC已处于向临界点发展的轨迹上，与模拟信号一致。
• 与传统统计指标相比，该新信号对时间窗口选择的敏感性更低；后者在临界点前对分析区间表现出高度敏感性。
• 本模拟中AMOC的崩溃源于内部反馈机制，而非对强强迫的直接响应，表明其行为符合真实临界点特征，类似于中等复杂度地球系统模型。

Figure 2: Climograph for different regions. The climograph for 6 different regions (spatial average over the $10^{\circ}\times 10^{\circ}$ boxes), where the bars indicate the monthly precipitation and the curves the monthly temperatures. The climograph is determined over model years 1 – 50 (red bars