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2 P- B p1 R4 L( E+ T4 h 一、《后天》真的要来了吗？ 5 k. D2 }% M0 w, f% j& E8 Z0 u9 f
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流 2 L6 r% M6 c; v4 ?: {
三、风生大洋环流 ; z# U) r- E) ]0 h7 O8 f
四、海流的西向强化
/ ]4 `5 v1 j X9 M7 W E 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）
: G; l- E" V# Z- I5 U6 b 一、《后天》真的要来了吗？/ d* q3 k. B5 S" A7 P" o; T
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 V- Q9 b, _ 《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]。
3 P6 D. r" L0 M" @/ A% P7 @: c 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。
7 P& N9 O, V; v1 ` 二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流) C; k! Q2 @/ R
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]。
8 M) m8 y7 b) q! p/ ]* r$ Z 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。 ( t" I$ ? ~. l1 t/ s( H
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？
5 k5 ?$ f) u* c' C9 N" I 三、风生大洋环流& f5 Y& `# `3 V0 q3 g
首先回答第一个问题。
9 l+ @2 w- k5 @+ }3 ?- H 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。 6 ?) r U4 F+ h. s: x0 {8 f. h
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。
. E! H/ z8 l$ C+ m 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! i! q" ^) R2 k$ 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。
# F. q. ^( t( k 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。
1 D8 _( t1 U4 x+ W9 ~ 几个概念名词： 8 h2 ^$ v; f O% T h9 _
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。 7 I% \' J2 V$ x+ r4 r1 T: _/ K
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
4 I, `* A- |5 i# W# Y- L f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\
. L4 f5 X5 g1 G, N* K 其中， \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。 2 \* U$ v2 L$ U
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。
# f2 x J: m: I1 c \zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\
! v- w8 A- F0 b 绝对涡度：相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。
, a+ D, ~3 J1 a: \" w: a E 位涡守恒：位势涡度要考虑水体的高度和涡度，定义为
" s. H* K& k; Z Q=\frac{f+\zeta}{H} \\ + V6 T/ b" u% s, X; m4 d, `8 r
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 `! z: X& I' A" G- U 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： 2 p; N7 Z4 Z" X3 ^2 [5 n
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。 4 @" E/ F/ C) U' _9 Y
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。 8 g. u3 n( t$ D2 E7 C6 m
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。 2 a' m, |8 i0 ~6 b
五、西边界流模拟实验
$ Q6 k8 h5 f7 \2 G) H3 x 实验装置 & }6 I, }( F" 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？ * W+ n. ^# c9 z$ g4 R5 u, a
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。 # @+ y2 D0 W1 x8 s9 \8 g' H
实验室旋转水槽实验视频
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- d: E |% H4 V; u% @; g6 Y 一些名词解释： & z! u; N( Z$ o1 m2 n2 Y
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。
* p# W. Q; u5 D1 I# s' B8 ]) L 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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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：
8 ?4 j* Q7 u% B: ]6 ?9 I1 F [1] 英国气象局：什么是大西洋径向翻转流(AMOC)?
I V8 G( a3 w, X9 V* D' N, | [2] MIT 海洋环流实验：介绍 2 x" x3 I# w. s8 M9 n. M
[3] YouTube:西向强化 第二部分：Stommel的模式
8 l: s: h$ N9 O% b! K [4]百度云：Stommel论文和中翻+推导 ，提取码：pe43 ' f3 p5 S. F4 t+ {# @1 e* j+ T
参考资料：
* k! Y# H+ u s7 n& {) T" t3 u, W x# J 封面：CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water
! y# Y( ^/ F9 H2 P5 J* ` [1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation 3 V* Z5 T9 ]4 L" V& d
[2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium
: A. E# P1 }$ P6 Q- ]* H [3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS
( K* p! s6 ^7 A3 D* [# z+ p [4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学（第六版）》
6 X5 F, z& g7 [ [5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》
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