本研究由来自德国波茨坦气候影响研究所（Potsdam Institute for Climate Impact Research, PIK）的 L. Caesar 与 S. Rahmstorf 领衔，联合西班牙马德里康普顿斯大学、希腊雅典大学以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）下属地球物理流体动力学实验室（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, GFDL）的研究人员共同完成。论文以 Article 形式于 2018 年 4 月 11 日在线发表于学术期刊 *Nature*，卷号为 556，页码 191–195，DOI 为 https://doi.org/10.1038/s41586-018-0006-5。该研究属于气候动力学与物理海洋学领域，其核心科学问题是：在缺乏长期直接洋流观测资料的条件下，如何利用间接证据评估工业革命以来大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）的长期变化趋势。AMOC 是地球气候系统中最重要的海洋环流系统之一，它通过向北输送大量热量，深刻影响北大西洋周边乃至全球气候。由于 AMOC 具有高度非线性特征并存在临界阈值，被列为地球系统的主要“临界要素”（tipping element）之一。历史上 AMOC 的变化曾经触发过第四纪期间若干次最强烈、最快速的气候突变，因此判断其是否正在对现代人为增暖作出响应，具有重要的科学和现实意义。然而，对 AMOC 的直接连续观测仅始于 RAPID 项目，时间跨度只有十余年，且可能主要被自然变率主导。此前有研究基于副极地北大西洋的海表温度（sea-surface temperature, SST）降温趋势提出 AMOC 可能已经减弱，但也有观点认为该降温可以由大气气溶胶负荷增加等其他机制解释。因此，本研究的目标是利用高分辨率气候模式识别 AMOC 减弱的特征性海表温度“指纹”（fingerprint），并将其与观测资料进行对比，从而重建 1870 年以来的 AMOC 演变历史。

研究的工作流程主要包括四个环节：模式指纹识别、观测资料检验、CMIP5 模式集合校准以及 AMOC 历史重建。第一，研究使用 GFDL 研发的 CM2.6 全球耦合气候模式开展数值试验。该模式大气水平分辨率约 50 公里，海洋分辨率约 10 公里，能够解析中尺度海洋涡旋，并较准确地模拟墨西哥湾流（Gulf Stream）在美国东海岸的分离点位置。研究设置了两组试验：一组为控制试验，CO₂ 浓度固定在 1860 年水平，持续 80 年；另一组为 CO₂ 倍增试验，CO₂ 每年增长 1%，70 年后达到翻倍并维持 10 年。结果显示，在 CO₂ 强迫下，模式模拟出 AMOC 减弱约 4 sverdrups（Sv；1 Sv = 10⁶ m³ s⁻¹），同时海表温度出现一个典型空间型：副极地环流（subpolar gyre）区域出现相对冷却或低于全球平均的增暖，而湾流区域则出现显著高于全球平均的增暖，局部增暖可达全球平均增暖的四到五倍。该空间型即为本研究所定义的 AMOC 减弱指纹。第二，研究将 CM2.6 模拟的海表温度趋势型与 1870–2016 年 HadISST 观测资料进行对比。由于模式中的全球平均海表温度增暖幅度约为观测值的四倍，研究对两者均以各自全球平均海表温度趋势进行归一化处理。结果发现，观测资料中同样存在副极地冷却和湾流区域异常增暖的特征，且副极地环流区域的中位数趋势位于观测数据所有网格点趋势的第 3 百分位，湾流区域则位于第 96 百分位；在 CM2.6 模式中，两者分别位于第 1 和第 98 百分位。此外，研究还在另外六套观测海表温度数据产品中检验了该指纹，均发现副极地冷却特征，而湾流区域增暖则在高分辨率数据中更为明显。第三，研究利用耦合模式比较计划第五阶段（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, CMIP5）的模式集合，对基于海表温度的 AMOC 指数进行检验和标定。AMOC 指数定义为副极地环流区域平均海表温度减去全球平均海表温度，并且仅使用 11 月至次年 5 月的冷半年数据，因为研究发现 AMOC 信号在冬季和春季最为显著。在 15 个提供 AMOC 诊断量的 CMIP5 模式中，剔除 3 个 AMOC 表现不真实的模式后，剩余 12 个模式的历史模拟显示 AMOC 指数趋势与实际 AMOC 强度趋势的相关系数高达 0.95，表明 AMOC 变化可以解释该指数 89% 的方差。通过正交回归得到转换系数为 3.8 Sv K⁻¹，截距仅为 0.1 Sv，说明副极地海表温度变化中长期趋势主要由 AMOC 控制，气溶胶局地冷却等因素的影响很小。第四，利用该转换系数，将观测的 HadISST 副极地海表温度异常序列转换为 1870–2016 年 AMOC 强度距平。重建结果显示，AMOC 在 1990 年前后达到一个低值，2000 年代初期有所恢复，随后再次下降，并在近年来达到新的历史低值。该重建结果与多个独立资料来源一致，包括 RAPID 项目自 2004 年以来在 26° N 断面的直接观测、GLOSEA5 海洋再分析资料、基于卫星测高和海底电缆的 AMOC 重建，以及若干其他研究的结论。

研究的主要结果包括以下几方面。首先，CM2.6 高分辨率模式在 CO₂ 强迫下表现出 AMOC 减弱和北向热输送减少，导致副极地北大西洋出现相对冷却；同时，深层西边界流（deep western boundary current, DWBC）的减弱引起了湾流向北移动并更靠近海岸，从而造成美国东北沿岸的异常增暖。这一机制得到模式中湾流路径指数和 40° N 深层南向输运时间序列的支持。其次，观测资料在 1870–2016 年表现出与模式一致的冷、暖偶极子海表温度趋势型，且该空间型对计算线性趋势所选择的时间区间不敏感。第三，CMIP5 集合分析证明副极地海表温度指数是 AMOC 长期变化的有效指标，并提供了从温度异常到环流强度异常的定量转换关系。第四，基于观测的 AMOC 重建表明，AMOC 指数线性趋势为 −0.44 K/世纪，对应 AMOC 强度趋势为 −1.7 Sv/世纪，即过去 136 年线性减弱约 2.3 Sv；若考虑 20 年平滑曲线，则 AMOC 自 1950 年代以来已减弱约 3 Sv，相当于约 15% 的减弱幅度。这一减弱趋势位于 CMIP5 模式对历史强迫的响应范围之内。研究还指出，AMOC 减弱可能已经对欧洲天气产生影响，例如 2015 年欧洲热浪与当年北大西洋副极地“冷斑”有关，而 AMOC 减弱也与美国东海岸海平面加速上升和萨赫勒地区干旱加剧存在联系。考虑到 AMOC 是气候系统中的临界要素，且目前对其距离临界阈值的远近仍缺乏可靠估计，这一减弱趋势值得高度关注。

本研究的科学价值在于提供了一种基于观测海表温度的 AMOC 长期变化重建方法，突破了直接洋流观测时间过短的局限，为评估工业时代 AMOC 响应人为气候变化提供了重要证据。研究兼具方法创新和科学发现双重意义：一方面，利用高分辨率模式识别出包含冷、暖两个中心的海表温度指纹，并解释了其物理机制；另一方面，通过 CMIP5 多模式集合标定，显著提高了 AMOC 指数的定量可信度。研究亮点在于将模式指纹与多套观测数据结合，发现 AMOC 自 20 世纪中叶以来已减弱约 15%，并在近年来达到千年尺度上的异常低值，同时排除了气溶胶作为副极地降温主要解释的可能性。此外，研究还揭示了 AMOC 减弱通过湾流北移影响美国东北沿岸极端增暖的动力学路径，这对理解区域气候响应和海平面变化具有重要参考价值。