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为什么欧洲大陆比处于同一纬度的其他大陆地区更暖和？是一支源于热带海区并纵跨大西洋的暖水流使得欧洲大陆有了温和冬天吗？也许并非如此。

撰文：斯蒂芬·C·赖泽（Stephen C. Riser） M·苏珊·洛泽尔（M. Susan Lozier）

翻译：韦骏、杨丽红

这个看上去简洁明了的故事可能该“退休”了。各界对全球气候研究的兴趣激增，促使科学家更深入地去探讨气候对墨西哥湾流的影响，并发现墨西哥湾流对欧洲大陆的影响机制其实并非如传统理论所表述的那样清楚。基于计算机模拟和海洋资料分析，科学家重新解释了，为什么欧洲北部的冬天通常比同纬度的美国和加拿大北部温和，而墨西哥湾流所起作用也与传统理论所描述的不同。其中一种理论还能够解释，为什么美国西北部比太平洋彼岸的俄罗斯东部暖和。

与此同时，最近的研究还对几年前一个非常流行的著名假设提出了质疑，这个假设认为，北极冰川融化会让墨西哥湾流中断，从而导致欧洲大陆气候极度恶化。但这些研究也提示，气候变化会对墨西哥湾流产生影响，这也可能减小全球变暖对欧洲的冲击。

几个有争议的理论

地球上不同地区的气候差异主要因为地球是一个球体。由于在低纬度阳光更接近于直射地球表面，因此低纬度地区在单位面积上获得的热量将比高纬度高。这种受热程度的不同产生了大气中的盛行风，盛行风的不稳定性，又可以对热量从热带到极地进行再分配。覆盖地球表面70%的海洋也对热量的再分配起到了主要作用。海洋表层两米的水体所储存的热量，超过了整个海洋上空全部大气所含的热量，这是因为一立方米的水的比热（比热用于表征储存热容量的属性）是相同体积的空气的4 000倍（也是同体积土壤的4倍）。在中纬度地区，海洋表层100~200米的水温在一年中的变幅可以达到10℃，相对于大气或者陆地来说，海洋有能力储存和释放更多的热量。另外，洋流（例如墨西哥湾流）携带着海水绕地球运动，夏天海水从一个地方获得热量，然后又在几千千米之外将热量释放到大气中。

由于洋流运动和海水储存热量的能力，人们很容易得出这样的一个假设，处于北纬50度的爱尔兰的冬天，气温比处于大西洋彼岸同纬度的纽芬兰高20℃可能是洋流造成的。同样地，处于北纬50度的东太平洋的气温（靠近加拿大温哥华），比同纬度的俄罗斯堪察加半岛南端要高大约20℃。

19世纪的地理学与海洋学家马修·方丹·莫里（Matthew Fontaine Maury）首次将欧洲相对温和的气候归因于墨西哥湾流。这支强劲的洋流沿着美国东南海岸线向北运动，同时带来了热带和副热带的暖水。和美国北卡罗来纳州的哈特拉斯角大约同一纬度的位置，墨西哥湾流转向东北方向，离开海岸线进入大西洋。莫里于是推测，墨西哥湾流为它上空的西风提供了热量，温暖的西风跨过大西洋向欧洲西北部运动。而且他进一步猜测，如果墨西哥湾流由于某种原因削弱了，那么冬天的西风将会变得很冷，而欧洲也会经历像北极一样的寒冬。多年以来，莫里的观点几乎变成了一个真理。但直到现在，这个理论仍然没有被广泛验证。

然而就在十年前，哥伦比亚大学拉蒙特—多尔蒂地球观测室的理查德·西格（Richard Seager）及其同事，对欧洲暖冬提出了一个与墨西哥湾流完全无关的解释。西格的模拟结果表明，由于大气中的喷流（jet，围绕地球的强而窄的高速气流带，集中在对流层顶或平流层）由西向东围绕地球运动，当它碰到洛基山脉时会南北摆动。这样的摆动使得喷流由西北方向吹过大西洋海盆的西部，然后再由西南方向吹过大西洋海盆的东部。这样，西北风将大陆寒冷气流带到美国东北部，而西南风将海洋暖气流带到欧洲西北部。

在这个观点里，温暖了欧洲冬季的热量并非来自墨西哥湾流，而是夏季储存在欧洲大陆外海上层100米海水中的热量，在冬天，西南风搅动混合海洋表层水时，这部分热量就释放到大气中。在此模拟场景中，莫里的经典假设是错误的：大尺度的气流被山脉中脊改变了方向，加上欧洲附近局部海洋中储存的热量，导致了大西洋东西部温度的差异（见图“不同的理论”）。

这里有很重要的一点需要注意，西格的模型模拟并没有明确地考虑到海洋对热量的传输，这一点在西格的研究发表后不久，由华盛顿大学的彼得·莱茵斯（Peter Rhines）和美国航空航天局戈达德空间飞行中心的西尔帕·海基宁（Sirpa Häkkinen）合作发表的论文中得到了详述。他们对此作出了反驳，并对莫里的经典理论给予了现代学说的支持。这两位海洋学家在仔细分析了档案库里的海表温度资料之后提出：储存在欧洲北部纬度区域的、来自东部大西洋上层海水中的热量，仅够维持当地12月一个月的温暖气温（以平均情况来说），而保持温暖冬天剩下几个月所需的额外热量必须由其他来源弥补。而最有可能的来源就是：向东北方向运动的墨西哥湾流。

观测资料显示，在北纬35度（靠近美国北卡罗来纳州的纬度），北大西洋会向北运输大约0.8拍瓦（petawatt，1015瓦）的热量，这些热量大部分来自墨西哥湾流。然而在北纬55度，这一海区向极地的热量运输则小到可以忽略。那么这些热量哪去了呢？莱茵斯与海基宁表示，热量沿着墨西哥湾流的路径从海洋释放到了大气，然后被盛行风带往东边，温暖了欧洲的气候。莱茵斯与海基宁实质上是在为莫里的墨西哥湾流假说辩护，而西格则反对莫里的假说，并强调了大气喷流的作用。

2011年，以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）的约哈伊·卡斯皮（Yohai Kaspi）和美国加州理工学院的塔皮奥·施耐德（Tapio Schneider），基于设计新颖的大气与海洋数值模拟实验提出了第三种观点。他们对西格和莱茵斯的模拟场景分别提出一个可信度参数，但主要是针对大气压力场。卡斯皮和施耐德的模型模拟结果表明，沿着墨西哥湾流离开美国东岸的路径，海洋向大气释放的热量会在东边，即位于大西洋靠近欧洲大陆的一侧产生一个稳定的大气低压系统。同时这些热量还会在西边（北美大陆的东侧）产生一个稳定的高压系统。由于某些复杂的原因，两个系统的共同作用使得稳定的低压系统通过喷流的西南暖风，将墨西哥湾流在整个冬季释放出来的热量输送到欧洲西部；稳定的高压系统从北极带来冷空气，使北美东部降温，从而也增加了北美与欧洲之间的温度差异。

这样，造成大西洋两端气候差异的原因不仅是因为欧洲西部变暖了，同时也因为北美变冷了。也就是说，在墨西哥湾流区域损失的海洋热量所形成的大气环流形态，使得上述两个地区拥有了它们各自的温度特征。

然而，仅依靠大西洋的中纬度区域在夏季获得的热量，并不足以维持由墨西哥湾流释放热量所形成的大气环流系统，因此，由墨西哥湾流从低纬度带来的另一部分热量也是必需的。从这个意义上说，卡斯皮和施耐德也部分证实了莫里早期的观点。尽管这个大气低压－高压系统的形成与洛基山脉对喷流的影响无关，这项新工作确实突出了西南风在给欧洲带来温暖冬季上的重要性。

有意思的是，卡斯皮－施耐德的模型也解释了为什么美国俄勒冈州西部、华盛顿州和加拿大不列颠哥伦比亚省的冬天比俄罗斯堪察加半岛的冬天要温和。类似的跨太平洋的气候差异还从未归因于黑潮（Kuroshio）的存在（黑潮是太平洋中类似于墨西哥湾流的暖流，又叫日本暖流）。这主要是因为太平洋是一个更大的大洋，且黑潮比墨西哥湾流要弱很多。然而，卡斯皮－施耐德的模式结果表明，通过黑潮损失的热量也可以产生一个稳定大气压力系统，就像墨西哥湾流在大西洋中产生的那种。这个系统将极地的冷空气通过西北风带到亚洲西北部，通过西南风将暖空气带到美国北部的太平洋沿岸。

墨西哥湾流的中断

尽管对于哪种模型是正确的还众说纷纭，但似乎卡斯皮－施耐德模拟的场景更受欢迎一些。莫里假说的第二部分内容，即墨西哥湾流如果中断将会导致欧洲西北部出现恶劣的寒冬，最近引起了人们的强烈兴趣。很多年以来，墨西哥湾流在气候变化中的作用被归结为这样一个问题：如果气候变暖导致北极冰川融化，那么从北大西洋进入海洋的过多淡水会不会减弱大西洋的翻转流（overturning circulation），从而中断墨西哥湾流，阻断欧洲西北部重要的热量来源？

在北大西洋，表层温暖的海水向北极流动。这些海水释放出热量后，在高纬度的加拿大拉布拉多半岛和挪威附近海域下沉，下沉到一定深度后，以北大西洋深层水（North Atlantic deep water）的形式向赤道回流，并逐渐被加热。而被加热后的海水密度减小，再次上翻到海洋表层，这样就形成了一个上下传送带一样的闭合环流。在北大西洋下沉的冷水会由在全球其他海区上升到海洋表面的暖水所补充。

在许多气候变暖的模拟场景里，北极冰川融化会给高纬度的海区注入大量淡水。但由于淡水盐度比海水低（因而密度小）而不会下沉，下沉运动受阻碍也就使得大西洋翻转流中的底层流得不到补充。在这种情况下，因为没有相应的下降流来补充，就没有任何物理过程可以使底层暖水在其他地区上升。这样的后果就是，由于没有新的暖水上升到海洋表面，那么由此形成的向北运动的洋流，即墨西哥湾流，可能就会被削弱。而在另一种相似的模拟场景里，在高纬度注入的淡水会使墨西哥湾流路径向南偏移，或者减弱其强度。不论哪一种情况，发生减弱的或偏移的墨西哥湾流都会导致欧洲在冬季得到的热量减少。许多模型结果也都明确预测了大西洋翻转流的减弱，与随后北大西洋和欧洲西北部的降温存在相关性。

然而最近，准确度更高的海洋模型研究却表明，北极融化的淡水主要流入了靠近海岸线的沿岸洋流中，因此对大洋没有显著的影响，而海水下沉主要发生在大洋区。因此即使淡水极大地影响了北大西洋海区中下沉海水的总量，这些影响也几乎不能有效地中断墨西哥湾流。而要完全停止墨西哥湾流更是不可能的，因为其路径和强度主要由大规模中纬度风的风速和方向决定。在大多数的气候变化模拟场景中，大尺度风场的总体方向是不会因为北极冰川融化而显著改变的，因此墨西哥湾流的平均路径和强度也不会改变太大。然而墨西哥湾流在东北方向的延伸区（一个将上层暖水带入副极地海域的、相对较弱的湾流分支）却有可能会被中断。这样，相当充分的证据表明了，墨西哥湾流会一直持续下去，但是，在不同气候模拟场景中，究竟墨西哥湾流会向北输送多少水量仍然不清楚。

更多数据和更高分辨率

目前，对于气候变化如何影响欧洲大陆天气，研究者主要从计算机模拟实验中找答案。而模拟实验仍然包含了大量的不确定性，只有通过更为大量的海洋数据才能消除这些不确定性。来自大洋观测的资料少有一个世纪之前的，而我们可以获得的卫星资料也只是大概过去30年的。

最近，在利用Argo计划，改进海洋资料数据库方面，科学家取得了巨大的进展。这是一个正在进行中的全球资料搜集计划，可以从分布在全球的3 000多个浮标传感器上收集海洋温度和盐度资料。Argo的浮标阵列由全球30多个国家操作和部署，浮标阵列可以让科学家取得全球海洋上层2 000米的、接近实时的温度和盐度图。近十年里，完备的浮标阵列已经部署到位，科学家开始用这些设备，去验证大气变化和大尺度海洋变化之间的联系。

例如，通过比较Argo的数据和斯克里普斯海洋研究所迪安·勒米希（Dean Roemmich）和约翰·吉尔森（John Gilson）在上世纪80年代取得的海洋观测资料，我们可以发现，上层几百米的海水在过去20年里升温了大约0.2℃，上层海洋的盐度也增加了0.1%，而在几百米之下的海水，盐度和过去20年相比却明显降低了。这些变化是否足以改变欧洲大陆或者其他地方的气候仍是一个有待回答的问题，但至少从Argo计划中获得的数据可以为我们提供一些线索。如果地球既不会变冷也不会变热，那么来自太阳的热量输入必须等于地球向太空辐射的热量。很明显，大气中累积的温室气体打破了这个平衡。在上层海洋观测到的0.2℃的升温，就是地球获得的太阳辐射与向外辐射的热量的差值（大约每平方米面积1瓦特）。

改进后的海洋观测网取得的初步结果，为气候理论和模型研究提供了一个强有力的支持。资料分析的结果还为预测未来几十年可能发生的变化提供了线索。在未来十年中，当科学家通力合作、深入研究卫星海表资料、计算机模型，以及从Argo计划取得的更长时间的次表层海洋资料时，他们或许就能够在一种新的精度上，去评估海洋在气候变化中所扮演的角色。到那时候，我们也许才可以最终确定，在我们这样一个充满海水的星球上，墨西哥湾流是如何影响气候变化的。

本文译者：韦骏是北京大学物理学院大气与海洋科学系教授，研究方向为海洋数值模拟、海洋－大气相互作用。