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一、《后天》真的要来了吗？
" D( e6 _" _$ U4 e: z 二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
' H- i) |& B1 B W; E1 u 三、风生大洋环流
$ {# q7 R$ r$ j4 I$ [. l 四、海流的西向强化
. I7 ^8 R4 V5 |) t0 P! L7 i 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）
% e m2 L- [% v8 i% R 一、《后天》真的要来了吗？/ U' a( a6 f4 K$ z
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。 " L; z' m- G, s
《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]。 % E, ?4 `& T+ G+ m/ x! [6 Y/ 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。 & o7 y, |9 V5 m& r8 q' b
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流7 H4 N- u+ `3 C# z# L
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. V% Q; K) 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。
. ]! k0 Q5 a$ k% p7 Z8 _ 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？
6 J# R% B, y8 `7 A5 A7 z 三、风生大洋环流+ {9 C. _- v) N$ ~/ g2 F
首先回答第一个问题。 & m+ l! n/ S* @& A7 _* W1 R
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。
' \9 k) z9 e3 |! N* K& y2 o 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。 - Y; Z3 d- G4 Y$ s) G
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
% U3 E7 k5 l3 I: R& l: I8 y! h" z 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。 . B$ G0 V) }% e# v& V8 j
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。 5 ^7 I# q( z' u* ?4 i" `' J- x
几个概念名词：
^" Q. v8 t, ?" {- | 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。
+ y8 L4 \/ L( r; B# ~& i 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
% x7 q8 Z3 O' p* o! c0 A* P) {2 j' s" U f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\
% Y% {6 D; N, Z V4 A 其中， \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。 / \- p" n c3 D
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。
+ g, ~1 m2 l8 }8 H0 A: ^ \zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\ $ \; o0 x) ` }8 L1 i/ |9 T! F) D5 e
绝对涡度：相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。
, M; v" w8 U+ h% V! v, h 位涡守恒：位势涡度要考虑水体的高度和涡度，定义为
7 d: x: ^, ]. b" a Q=\frac{f+\zeta}{H} \\
# \3 ]: a. {$ q3 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]。
" i% w4 ~# L6 Z. ? 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 n/ r; ^5 `* ]
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。 n9 ?; U$ j n- t
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。
3 M* J" {+ Q6 L 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。
8 M, I9 D* _) S3 ^! L 五、西边界流模拟实验( [4 L1 c3 U$ b( G' ?8 h
实验装置
7 W! Y4 f2 a( I+ @; F7 T9 w: K7 Z 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 Q3 `3 g" Q: b: S% O
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。 A% L/ l3 h% q1 b8 H8 S, ]
实验室旋转水槽实验视频
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# Z, y* O3 z: | 一些名词解释： ! O" H1 u9 n8 V* D5 ?' r* 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。
* @& x/ _4 Z( X/ z; y 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：
, y2 z( O2 ~" r$ ? [1] 英国气象局：什么是大西洋径向翻转流(AMOC)? ( o5 K3 {* i! ~7 x
[2] MIT 海洋环流实验：介绍
) d& b" l( G. y1 ?$ X, n3 o; h [3] YouTube:西向强化 第二部分：Stommel的模式
: X3 o1 Z) ]$ V& j" o/ }0 q [4]百度云：Stommel论文和中翻+推导 ，提取码：pe43
) q' Q1 t( i( _( a! a i- ] 参考资料： : |4 w9 r g: X
封面：CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water 9 W) A, o3 p$ l' q
[1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation
3 ~% l1 b, J& C/ `, J K [2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium
' ^: ^5 t# L1 q1 P( r [3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS ! [1 _8 \7 v, F ?% T8 S
[4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学（第六版）》
8 r4 p6 ?2 ~+ @ _3 G [5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》 + E6 ?! A, G( K8 T P1 j
1 d: y6 }# D* I1 y+ v; ]5 ]8 n6 T; A: |! V- m
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