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一、《后天》真的要来了吗？ . @; [' [' f( h
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
. ^3 h3 a6 B* R6 G) E2 r 三、风生大洋环流
0 i- y6 L( o9 Y6 h, O0 D 四、海流的西向强化
' k- h, p$ g. k E8 J. p' O; |' Y/ u 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）
3 }9 [% w' h8 |6 I; `, A 一、《后天》真的要来了吗？
* B3 ~# P% \3 i: [ 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。 ( e7 w1 i* |' L! j, V
《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]。
. H' e% P/ u! W! N, c0 q+ U8 J" p 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。
/ B9 ~) Z. ?$ ^4 ^+ V$ [$ E 二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
A; F4 Z/ ^$ z" `5 t9 M$ u 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]。
' Y* r7 }7 B- W2 e0 j! `& 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。
+ L3 l- v' j! e7 e# l. ?1 C 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？
. S @& `1 {9 W$ S0 t7 Y 三、风生大洋环流
9 c0 ?6 l3 o- Y3 C! Z 首先回答第一个问题。
+ V x6 p/ S+ X- g: |$ Y+ l" z. U 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 Y E0 z& @5 t( t/ u
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。
7 Z) s; Q7 h/ m4 f* V! s 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
# }9 z, L: q3 A7 s- Q 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。
! L5 F/ D- D, j: P4 D% _ 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 [. g, i7 M( A# C# H
几个概念名词：
]* f& X) b) Y# O3 m7 v t1 B 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。 ' S4 e5 G7 q( V, j# H1 R
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
* g& W, q, y1 l f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\
6 p" V# R. d4 |5 l& s, a; W 其中， \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。
, H r7 L1 ~" t0 I 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。 4 i7 b; I7 N! r7 c2 G
\zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\ ) p+ C/ [" F0 ?
绝对涡度：相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。
4 ?$ C, e8 K/ A& C W* D W: H 位涡守恒：位势涡度要考虑水体的高度和涡度，定义为 - Q! D5 O$ y- m
Q=\frac{f+\zeta}{H} \\ 9 y# c& L& C3 l3 q, v
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]。 5 o+ M e" `- D; p
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：
6 R- c0 m5 f% B. M 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。 $ }0 G/ m# k/ I) [: }' T$ h3 \ \
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。 . R. {! ?' Q3 [0 X( r6 g7 s
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 ]4 o" v2 a4 I5 Y
五、西边界流模拟实验
) O3 O: }3 d0 x) W3 Y8 E 实验装置
. o/ ~+ a. \- t% O( K4 f7 j% j 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 s* N$ h8 X6 j5 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。
1 R- [5 B" n( ~+ u8 w/ L7 G, Y3 w 实验室旋转水槽实验视频
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一些名词解释：
3 j: ~; m. j, [- F* c+ H9 M$ X 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。
3 ]1 n& A/ r- W% Z( E i2 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) 2 m& ^4 d v% X+ U# S( z1 `5 K
Y. D* j- B, p7 ^' b0 a) p) }$ D1 r& Y 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：
% r2 {( x8 O; m8 A9 q8 h7 } [1] 英国气象局：什么是大西洋径向翻转流(AMOC)? ! r/ ^3 v- b* f3 D9 U- w* _2 }! S
[2] MIT 海洋环流实验：介绍 ) q9 d) H X0 f5 u. j
[3] YouTube:西向强化 第二部分：Stommel的模式
8 f, e' D/ k4 v5 K% v# @# m& c [4]百度云：Stommel论文和中翻+推导 ，提取码：pe43 & f1 j3 B4 u7 p% C
参考资料：
) @; z( V: @$ |- M- t 封面：CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water
/ a( C3 c2 ?6 c7 P( H [1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation 4 S1 c8 h* H" a/ r$ c; Z
[2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium
& _. l( T. ~2 u' ]1 _( b; C [3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS
# E- u5 Z& M+ |# H7 |- W7 j [4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学（第六版）》
" o( Z0 B" I% d- E7 d4 F8 a, ] [5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》 8 L7 j' b8 c% K; d" s, t- `3 q
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