' C, l5 {) i9 M1 O; ]/ c
目录：
, s. t' y: K F) c; D8 u) H- N. W 一、《后天》真的要来了吗？ ! t+ N2 g* |: H3 r( y7 i
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
7 a- D4 v2 W1 G 三、风生大洋环流
, Q5 H3 u" Y7 C& I3 m1 V5 g; \8 ] 四、海流的西向强化 + u" C6 S* z6 k7 U7 f: \! ?; O6 H
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 \: c. H1 p' z' S" `# \# f: ~. O 一、《后天》真的要来了吗？
, M ]9 a5 T& X. }- X" s: T( g 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 S& Y( S7 @: u0 O 《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]。
8 W! n C' h" }3 |3 ~: i 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。 0 G- M6 {9 [' L
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
2 _7 `8 Q# W0 m, n& F* T c 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) _8 c) `' l$ f4 m; |+ \ 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。 * U1 a5 d$ R4 Z1 a4 @/ j4 M
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？
# k% Q! i! r/ ^2 t$ o- ]* Y9 {" { 三、风生大洋环流
: c+ B3 r& A/ _& S* r 首先回答第一个问题。
4 p9 ?% L; F/ a1 o- U* 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。 % s* J2 C: H2 j6 l' g
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。 0 d7 I3 v, k K0 O8 ^$ W' I
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
* H7 Y0 v1 a. H( a7 n5 S7 O2 Q) b6 { 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。
" J( b7 ^, U8 [; U/ y$ i1 ? 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。
7 S; W' F! l& l: w9 b9 S$ o 几个概念名词：
+ h# K+ m2 g' ]; a5 P 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。
4 k) t. j6 {+ F$ j 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 2 E6 H8 g+ |. G" h$ M; v, h; T
f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\
% L" y: [; N" F 其中， \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。
% G2 X! u8 n/ u- s 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。 9 V! p1 W+ C" b/ z
\zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\ T" x. B6 {1 N
绝对涡度：相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。 - y% c& k4 r6 a K' k, ? b
位涡守恒：位势涡度要考虑水体的高度和涡度，定义为 3 P9 w o N& x
Q=\frac{f+\zeta}{H} \\
/ A* g& o2 }" N0 F2 a( F" L 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]。 ' L ~0 `5 k, q/ P' _+ Z0 D, 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：
4 ~/ q- r+ K* E5 v4 b 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。 ! d- W+ s3 r# E
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。 ) w; @' ~* k. o+ D9 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。
2 Z4 c u g( R 五、西边界流模拟实验; l- h, r1 K) S, ~: Q' G
实验装置 / E- s$ e; v$ F/ X
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？
( x9 P" u" w* x. ?8 f% \: j$ ^ 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。 & ~- t! c) v/ A3 b- J3 F
实验室旋转水槽实验视频
; j4 D+ D5 R6 I5 T7 g * o( u: u7 O) |" e! d
6 Y( r% P' v3 n& z
3 v4 v8 Z/ b% Q$ W4 B" e, ~
( j9 x6 J2 a+ h1 z6 j 5 L' R, b4 c) c, l
* r& E; \ t# K8 f' q' ~  0 9 v# t, G8 b! Y2 w( k9 i9 {
/ g0 ^& o N. Y m$ V# m
0 r9 u2 N" g; T3 R D3 Z
& M$ _# Y0 h; h' N
' K7 K6 ^8 e5 g1 r6 e% h; P
' \$ e, W- a# W5 q& v7 E6 A P
- H9 _( F% b9 l. s1 C 一些名词解释：
$ J# A( F q+ Q/ a E' z 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。 L2 d- J; l, I7 M4 G# T/ h
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) - v1 x4 o! J3 k1 v. x% x" I& d) _. |
- ]4 t$ A! m' [2 x' | 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：
; T; H* e3 v" v Q& a' m [1] 英国气象局：什么是大西洋径向翻转流(AMOC)?
+ k( {* M0 Z- }& `/ b! ~ [2] MIT 海洋环流实验：介绍
& q- ]4 n" s" g. X- Q& T- x [3] YouTube:西向强化 第二部分：Stommel的模式
, P1 d L ~3 @2 n M; J% V. w [4]百度云：Stommel论文和中翻+推导 ，提取码：pe43
" s% J; b3 O6 L" v- M' o$ d 参考资料：
7 T+ w( Q f, ] 封面：CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water 9 ~: T* N' B7 |3 N
[1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation
6 Q+ M" n0 b8 R [2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium 7 o: r2 f* f9 e0 D; C, \2 v# j
[3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS 8 Z) }: Z, o* F
[4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学（第六版）》 ; U; @+ h' `) k1 u; T: V$ ~
[5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》 * ?2 Y( a( K. h
: A7 Q- A# z# q( z5 D- U: B) o; v
/ z+ P# w# u. N% Z6 T7 _ D
- J' |2 ]0 V3 D6 \$ V0 u5 P3 S: I( |6 E
& L5 P- j* H7 {3 b* \ | 
