0 t0 B1 i9 ?! J2 ` 目录：7 D5 M. o5 F5 p2 O9 K# ^
一、《后天》真的要来了吗？ & Q1 F- C6 Q' C2 y
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流 * u; }/ o w6 h, |" Z* Q
三、风生大洋环流
8 b5 y, k5 s" }4 }0 z 四、海流的西向强化
9 H9 F! I7 _, D8 {0 q0 { 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） ' F% @- O: l8 n
一、《后天》真的要来了吗？
/ r2 M3 J/ J+ g e4 t% H+ b 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。 2 ]7 l: C6 H9 W, T9 s- Q
《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]。 " A4 Q% D" a/ K! t9 k
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。 6 N" P0 }( g2 x6 y
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流) f/ Q# b ]9 Q; j7 |5 l) P6 g
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]。
$ ~; A" ~5 u" C7 C, C% A$ g$ h 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。
/ @/ z, @' G, h2 G 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？ & T# e+ ^$ F0 _$ T; X
三、风生大洋环流 [( M" q0 l+ H5 t
首先回答第一个问题。
! F: ^3 k0 B6 l: l 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。 ( f& u' O$ y. B/ J- b
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。 2 A; A, V7 M8 H% e+ S8 b3 I1 H
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
/ L* M7 _/ Q2 S4 H 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。
# M2 W& o) D/ w- B% B 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。
+ R% p; v( l3 ^. i! _' D8 q 几个概念名词：
" Y/ |8 L! F! y! {% B+ x. I6 Q 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。
, q4 C/ }( B. W9 x" Y2 {- T 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 * M6 `1 a4 w0 b
f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\
! _3 s* n$ y# r4 E 其中， \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。
: K6 ^3 M* D5 b" q- G3 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。
% L3 b0 Q: e" \; H# _ \zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\ 4 A' Y6 g2 X `5 o7 H, `8 [+ ]: v
绝对涡度：相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。 0 P& V9 `, G5 p
位涡守恒：位势涡度要考虑水体的高度和涡度，定义为
6 E) v( g. B" g% L$ X Q=\frac{f+\zeta}{H} \\
3 U J' K i2 l" 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]。
1 c# {0 c+ f+ E8 X, D0 A# I 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： 7 Q6 P$ d, ]9 `5 M5 l
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。
' u4 s" g6 ~' W' V3 p% g 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。 $ x9 r9 Y9 |; O0 Z4 T" m5 w
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。
% e- j: g+ r4 b- d 五、西边界流模拟实验# {* U( ?8 P+ r& x
实验装置 $ r+ Q2 b1 V/ R& ^0 S( Q9 A
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？
6 J6 J: `( Q$ p 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。
0 n2 ?$ d/ H; ]% C; M3 | 实验室旋转水槽实验视频
" w+ }* S" N8 ]& ^- h, `' P, H* V7 p0 O
. K; j! B1 {! x* N, |
0 Z/ Y+ ~1 Y' q: h / V1 X I! R+ R4 k: c
) S% {( R; a# O. |8 s# F
+ p- A- L+ }$ \ 2 Z ~+ b! w* q' o; B
 0
- y v2 Y- V6 t% Y
4 I: j0 N! `* [6 n1 F! R5 h0 r5 x1 E % n; F2 v8 _0 D4 L& ^ s! G) {
+ J5 b" ?4 ^6 i- }9 S+ Z9 C: j' E
( |( K; t' B) B1 j* P : ?" o1 b1 ^% v o3 r. }' ^3 c. s7 t) C
' C8 }7 K* _& b8 V+ z
一些名词解释：
9 u2 Y8 I/ K3 M4 W% d$ q6 O 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。 + ?' Q0 m! L9 S! h* s
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)
. A/ G' O$ c- Q- S
( M- h" N6 ~( _* U. u 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：
. Y" I2 ?4 f/ c4 b, e [1] 英国气象局：什么是大西洋径向翻转流(AMOC)? + a. ]) ?5 [( T6 d9 d" [6 c
[2] MIT 海洋环流实验：介绍 % U+ ^. r2 ]3 l8 S4 ]
[3] YouTube:西向强化 第二部分：Stommel的模式
x4 N8 k5 k# O3 @ [4]百度云：Stommel论文和中翻+推导 ，提取码：pe43 i( ^$ _9 G9 x( p
参考资料：
0 W5 x+ |# b A; b0 ?6 B) ` 封面：CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water " I( ?& c" Z; A8 g9 l0 d
[1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation
3 C- b/ p, i' ` V9 F* A5 M" _ [2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium . _2 G# q) G0 j
[3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS
& A3 I& u7 D4 p8 g! d* ~1 L! R" K [4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学（第六版）》
9 e V5 T/ \; Q" \, ^ [5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》
# w4 w0 Z/ n/ a" K1 y
+ [+ P* T( I" s+ ^5 n' h: Q- k$ D/ |* \2 G0 R8 b) L+ s% F, R$ \
! H( s" @! h9 W* J! Z- y
6 q7 }4 J7 U) n8 [1 y# E0 a | 
