# Z( Q2 i) s, h& D u1 \7 T 目录：& m- T& U9 l& Z6 y0 n
一、《后天》真的要来了吗？
" j8 p+ e1 | s6 i6 \) z 二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流 : s$ H" J8 K3 l, i- Y, c" e; P) y w
三、风生大洋环流
/ C5 K, s3 j. W- ?7 r 四、海流的西向强化
]) s$ Y- F( g6 K 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） 7 s' D' j; B4 R7 Y# N
一、《后天》真的要来了吗？
l& `0 Y. {5 u3 E( ^6 V 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 X4 @$ m- ^% ^" a9 o/ a 《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]。 ) U% O' o: i4 |9 Z, j
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。 9 \/ b3 v# s% Z
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
. q# h/ w4 C8 J 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]。
/ D+ l/ T9 C; K. O' y) N, V: r. ? 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。 . W3 @. s: ~% v# |
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？ 2 V; ^( G5 t! Y0 s" |( V( Z
三、风生大洋环流9 d! h* a' ^$ x* F7 u; b
首先回答第一个问题。
. J, {: l3 k0 O2 G* T 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。 * w9 c2 y9 r: z/ P
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。 9 d% w( A& `" j, O
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! E7 p. f; |" t. c5 w
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。 0 S+ Z; f( T! a
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。
0 I9 k% x8 G3 L4 [9 M0 \ 几个概念名词： 9 T. l# \, S7 `. y# K
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。 ! n) N2 I9 v; [' P& W
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
8 x g0 X0 y! P; b- p7 p/ c" g f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\
8 q# ^! y z' X- V+ [- g; m 其中， \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。
- o* k+ T2 L3 _' {! ]3 d0 ] 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。 2 [9 G2 |8 @- r. ]0 ]8 b, P
\zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\
6 ]; z' X* G+ _( w$ p8 W 绝对涡度：相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。
4 i1 \. V3 s+ L( p) E% A8 p 位涡守恒：位势涡度要考虑水体的高度和涡度，定义为
/ c3 Q+ P1 v, j; \3 Z Q=\frac{f+\zeta}{H} \\ 7 ~6 @, f$ c& G5 r/ k1 a" D
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]。 : F( V: _1 c; H- p: O7 P: e: Y# H
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：
8 j" n" K- a2 P$ Z* O- Z; }" ] 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。
, V6 Q2 S4 _5 f" u 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。
6 P2 m5 \+ U: z& Y 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。
3 k0 l d! Z' | s 五、西边界流模拟实验) p& D. g3 D' L" y
实验装置
" L' F0 u1 }8 J; \" }, g- \ 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？ 3 p f& a( Y) Y) M8 Y9 I
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。 8 W/ S- \8 ^4 |- c- g3 E
实验室旋转水槽实验视频
?! d. s% w" \& B6 M - ^3 p/ e8 x, n7 Y P, P
8 S0 b- B2 O: @% m1 C a' ]* i
8 t7 ^0 `. l" `) U
7 s, O9 H6 k/ g) }) m
: Q# U6 V( J4 R . j) {" B; r3 P
 0
8 M+ P+ ?5 o! P: h- z; z
6 _+ Q4 o6 n8 u( u
P* k# `4 v' i. h3 e
. r4 ~7 n5 k! ]. p , a% v& D- C: A/ z& i
. q5 F# Y, v+ ?' q6 c* s, z6 p
8 z( k8 \9 n! A9 O/ o! z8 q 一些名词解释：
/ u' d9 e, |9 b5 T4 F0 C 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。 * l- o9 R% w8 b' q- D1 W( Z7 u, @
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)
; H: H. c; u% y9 J0 J% ]2 F0 ?1 b$ K" t9 Z) ~% Z6 |
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： 6 o4 X% M0 |5 y# R2 o
[1] 英国气象局：什么是大西洋径向翻转流(AMOC)? - ]* K: I* b8 o: v9 _+ s
[2] MIT 海洋环流实验：介绍 - F- w( y9 |+ ]% l Q5 @
[3] YouTube:西向强化 第二部分：Stommel的模式
9 m6 E# A# |( ]% X) l* G [4]百度云：Stommel论文和中翻+推导 ，提取码：pe43
: @* S" Y5 j" a; x. B 参考资料：
! U9 f* O: K2 w) t" d; F 封面：CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water $ O$ a7 m7 A$ E
[1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation
0 d: f/ s5 `* S' r, I. @ [2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium : t! r" s% @' D9 O
[3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS
! a0 ~9 N2 u1 N# D; J [4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学（第六版）》 . |, u4 N- n5 b3 H( z! r, y
[5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》
% {5 a- ~. Z$ ^
0 Z) w1 C* p9 j
r$ t. @7 F: p0 s/ t, x& V$ W% @8 f4 U* }3 i, S
a# c0 @; B, A6 k
| 
