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一、《后天》真的要来了吗？
- X+ z# f0 O2 `' x" X5 e3 Z 二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流 4 H/ Q9 {# N1 Y3 o* B+ G
三、风生大洋环流
& G; k5 R, i3 H9 ^, ~: X 四、海流的西向强化 1 P9 Y/ t# r3 J% Z, _
五、西边界流模拟实验（对原理不感兴趣的小伙伴建议跳到这部分）
( `1 j* b; `- P0 \ 一、《后天》真的要来了吗？
/ l# y" ]; `0 E 看过电影《后天》的朋友应该会记得，影片的开头，科学家讲述了“冰河世纪”到来的原因：全球气候变暖，格陵兰岛冰川大量融化，淡水从陆地源源不断地注入海洋，原本高盐度的北大西洋暖流被不断稀释，因为无法下沉导致大西洋径向翻转流(AMOC)被迫中断，从而导致全球洋流发生紊乱，赤道热量无法输送到中纬度地区，地球进入间冰期。 ; X% Z- l$ L0 s" e
《后天》中霍尔教授对全球变暖效应的解释最近，德国波茨坦气候影响研究所的Niklas Boers发表在《Nature》[1]的研究表明，AMOC有可能处于1600年以来最弱的状态，并有可能失去稳定性，面临“崩溃”。爱尔兰梅努斯大学的Levke Caesar和伦敦大学学院的David Thonalley也认为：墨西哥湾流在20世纪的放缓是前所未有的，很可能与人类引起的气候变化有关[2]。 s7 Z* |+ [3 x: _( L
不过，目前对于AMOC是否会崩盘的说法众说纷纭，地球的未来仍然充满不确定性，《后天》中的场景似乎还很遥远，但我们仍需保持关注。本文将从地球流体实验的角度，简单解释AMOC的重要组成之一——墨西哥湾流，以及和它同类型的另一支洋流黑潮(Kuroshio)的形成原因。 ' ^; e' s4 y- q6 e+ O; T2 d$ f
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流4 T$ R+ T1 z/ [
黑潮和墨西哥湾流是整个海洋最著名的两支暖流，对全球的气候变化有着举足轻重的作用。正是由于墨西哥湾流的延伸体——北大西洋暖流的作用，才使得西北欧地区常年温暖湿润。墨西哥湾流每秒钟能输送约1.13亿立方米的水；黑潮每天可以穿行25-75英里，流量相当于6000条大河[3]。
! i; r8 n8 r6 B& Z) i* S7 y2 Z+ W) G NASA做了一个Perpetual Ocean的视频，可以详细地看到海水的流动状况，非常震撼。下面是视频的截图。
# j K/ B5 V; E 墨西哥湾流黑潮面对这地球的脉搏，你可能充满好奇：是什么驱动着它们生生不息？为什么位于西边界的黑潮（湾流）与位于东边界的加利福尼亚寒流（加那利寒流）相比，流速更快，流幅更窄呢？ 0 f4 F4 g5 \# ` Z- q# a: {% T
三、风生大洋环流$ o+ c7 A7 ]" \. N& V4 g
首先回答第一个问题。 ! F' Z9 _+ t8 m8 G% H$ K
在世界大洋1000m以浅的上层，环流是由风应力驱动的。亚热带海盆中巨大的反气旋式流涡是风生环流最显著的特征之一。这些流涡对应着相应纬度的大气环流圈，早在1735年，英国气象学家Hadley就指出，来自于太阳辐射的热量分布不均匀，是大气环流得以形成及维持的最终原动力。因此可以认为，海洋环流能量的最终来源是太阳能。 + c4 S# f$ W( t
气流从赤道上升向北输送，北半球在30°N附近下沉，由于地转科氏力的作用（向右偏），一部分气流在地表向北输送形成盛行西风带，另一部分返回赤道，形成东北信风带。由于赤道东风和西风带的作用，低纬度海水向西流动，高纬度向东流动，形成亚热带反气旋式流涡。 ) ^8 n0 @4 h: m) A' |" q x' z
全球海洋流涡大气环流圈，图片来源：earthobservatory.nasa.gov四、海流的西向强化
8 |* L. _8 S- e- ]9 ` 海盆中大型环流并不对称，西部边界的海流较窄，流速较快，广阔的内部区域的水流较缓。这种现象称为海流的西向强化。 + b% u. l) B" j5 A& Y/ P3 r3 h
西向强化，以北大西洋纬向剖面为例。图片来源：ksuweb.kennesaw.edu要详细解释海流发生西向强化而不是东向强化原因比较复杂，从数学的角度解释，涉及到Navier-Stokes方程的一系列简化和详细的数学推导，最基础的也要从大洋环流理论的三驾马车Sverdrup、Stommel和Munk的三篇划时代论文开始。为了便于理解，本文将基于物理的角度定性解释。
* n7 v0 b8 n! u4 W7 Y* P 几个概念名词： 1 J, v' R* u1 Z I p. Z* ^
涡度：矢量，流体的绕着某个轴的旋转快慢的量度，满足“右手”定则。
* ?) @" z: P( H; I; [ 行星涡度：矢量，也称科氏参数，平行于地球旋转轴。由于地球的自转效应，地球上的任何物体都在随之旋转，逆时针为正，因此北半球为正，其大小为
# c% b- S! C: J; C( r( j f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\ / L( N" E, }# |5 t) M8 B% _. ]
其中， \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。
. {- S5 `. O2 q) m X 相对涡度：流体（大气和海洋）相对于地球表面产生的涡度。 u 、 v 分别是流体速度的向东和向北分量。 1 ~# d4 a3 V4 V. o/ X# F
\zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\ 5 r+ U- ^* S5 o
绝对涡度：相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。
# x+ z$ [! ]3 I& S" U 位涡守恒：位势涡度要考虑水体的高度和涡度，定义为
& y+ V2 H* D4 R2 r$ _! D Q=\frac{f+\zeta}{H} \\
( n% v2 h. N. j" a+ E2 H 由于质量和角动量守恒，在同一纬度，如果水体高度缩短并变平，则旋转速度更慢；如果水体高度增加并变细，则其旋转速度加快。类似于旋转的花样滑冰者，将手臂伸展时会更慢，而收缩手臂直立起来则更快[4]。 2 Y+ u1 W, z1 o1 N
位涡守恒，图片来源：You Tube因此，根据位涡守恒，我们对西向强化进行定性解释： ! j- X \) K2 j4 s. @0 ^
均匀水深的海洋中，在西边界，当一团原本并未转动的海水向北移动时，因行星涡度f增大，海水必须形成负相对涡度\zeta去抵消，因此海水逐渐呈现顺时针旋转。考虑一支向北运动的洋流，其右侧部份海水因旋转所产生的流速与其整体运动方向相同，故愈往北移其左侧流速将愈快，从而形成西向强化。
! O- ?. |. D1 M" }' }, V 在东边界，海水向南移动时，因行星涡度f减小，海水须形成正相对涡度\zeta去补偿，因此海水逐渐呈逆时针旋转。考虑一支向南的洋流，其左侧部分海水因旋转产生的流速与其整体运动相反，从而会减弱这支东边界流，因此东向强化不会发生。西边界流向北，流速快，流幅窄，根据流量守恒，大洋内区和东边界水体输运向南，流速慢，流幅宽。
! i8 B4 c8 d) B. _" H; b; R7 n Stommel的西向强化模式，图片来源：ksuweb.kennesaw.edu一言蔽之，大洋环流的西向强化是行星涡度 f 随纬度变化产生的结果。
$ t& a5 S5 v# H, v( B) z0 t9 S$ B 五、西边界流模拟实验
7 t o; f) o+ K+ F, l6 g7 C' l k 实验装置 - I- A4 L7 |+ V! _
①Gopro相机 ②电机 ③旋转圆盘 ④斜坡地形 实验原理从第四节我们已经简单知道，要在旋转水槽里模拟实际海洋的情况，需要提供行星涡度、相对涡度。相对涡度即风应力旋度，可以通过在水面上放置一个顺时针旋转的圆盘，通过电机②驱动；行星涡度可以由整个水槽逆时针旋转提供。问题是，该如何模拟行星涡度的变化呢？ % z$ r, O% h" C) [. f
这时候，我们需要用到“等效法”，观察位涡守恒的公式Q=(f+\zeta)/H。当纬度增加时，f的增大可以等效于H的减小。因此，我们在旋转水槽中放置一块斜坡地形，越往北水深越浅。
. Y7 O0 @/ C) j0 ?5 ~! j0 s+ ~; P5 u 实验室旋转水槽实验视频
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+ a( s5 p( v0 `8 Z9 s9 P 一些名词解释： c6 q4 J7 H6 P7 p
刚化过程：在水槽中加入淡盐水后，需要保证流体与水槽之间没有相对移动，因此需要等待一段时间。 % k2 n# G# y. I1 V8 l. P, d4 i' }
Ekman螺旋：由于科氏力的作用，海表面流向与风向之间呈一定角度，忽略涡动粘性系数随深度变化的情况下，该角度为45°。(实验视频中的羽流可能并非Ekman螺旋)
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" h. \5 R4 t* E! ? Ekman螺旋示意图，图片来源：talleylab.ucsd.edu 后记： 关于西向强化理论的发现，Stommel在他的传记里面，有一段生动的描述。他说：“我当时的想法都出自大名鼎鼎的气象学家罗斯贝(Rossby)的讲课，他那种大胆的物理简化和直截了当的处理手法，配合上精心准备的演绎性讲座，给我后来走自己的路提供了宝贵的勇气和谨慎。在引入均匀的旋转海洋没有得到不对称环流的情况下，我想碰碰运气，也许科里奥利(Coriolis)参数随纬度的变化会起到作用。这也是刚刚从罗斯贝关于同样简单的模式中行星波的讲课中听来的[5]。”更多资源： 0 R- f& S# e8 T: W. Z3 e
[1] 英国气象局：什么是大西洋径向翻转流(AMOC)?
3 A! F4 n% R j% ^6 @7 L [2] MIT 海洋环流实验：介绍
1 ]; }+ D5 a! ]* L+ A [3] YouTube:西向强化 第二部分：Stommel的模式 3 S& w. i0 _, y, E9 D9 g8 N
[4]百度云：Stommel论文和中翻+推导 ，提取码：pe43
+ u3 O$ _' y8 @* l9 F4 ^- g" S3 R 参考资料： ' Y# K4 C8 }' }$ H2 l* B
封面：CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water / C8 D# @1 \" E. x
[1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation E/ [& D' T/ T- A; ~% y
[2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium
) k" Z k; x. R7 ] [3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS
) g9 Q7 c# B8 S8 ^9 G- Z; j [4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学（第六版）》 @4 @5 C6 l. s, Y) _# C
[5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》
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