7 T' F! j: J! F. T3 _1 i, y 目录：
% g" N+ t2 @: ^ 一、《后天》真的要来了吗？
' ^. B( ]: s4 Q" F 二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流 * J; u/ [" d2 V* i' P
三、风生大洋环流
. |5 {( B" n: L- y v 四、海流的西向强化
. l$ r5 u# B$ a& R9 n; r( ^4 Q 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） $ S4 K7 O# C( a
一、《后天》真的要来了吗？- O' n2 m6 N E# ?. B
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。 $ @+ P- g, H& W1 Y! H3 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]。
5 {# o) ^) D; p N& a' {) ^2 @ 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 ^4 b i$ g: ]* x0 V
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流+ K9 [' }( _ s l2 q
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]。
& ]6 c9 V" R9 e 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。 - \9 k& t {: Y) z' r9 ^3 U# h) x
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？
: Y1 @% [; e1 J& u 三、风生大洋环流
( E$ Q5 n& n. e/ J 首先回答第一个问题。 4 C0 v/ U3 y% A1 n/ R5 d
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( \' M/ W# C; W0 y
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。
[/ [6 f1 \% I3 U5 J 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& e: x$ X0 H4 P8 b% @+ D5 Q! w# A/ y
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。
1 d% ~/ `* @6 |3 d5 `: _ 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。
2 v6 ` H9 _! H4 d 几个概念名词：
* C" \4 x1 s/ m$ G; g 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 \; b$ X% l J& n& C2 T4 V5 x' c
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 ' J3 Y$ c8 U: T# ? v& Q4 V3 w2 ]) A
f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\ 7 J8 A$ ~3 E, _. h8 t5 S
其中， \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。
) _( D& U6 }1 _- 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。 5 |7 Z V/ g% m1 ]9 e1 C
\zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\ ( } e7 W4 f! v
绝对涡度：相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。 & }4 G! z/ L3 R
位涡守恒：位势涡度要考虑水体的高度和涡度，定义为 1 I0 n- F5 ? S. K* G' K& H
Q=\frac{f+\zeta}{H} \\ % l8 p+ E. ]! O. ~7 z- _" @2 I4 ^
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]。 & Y; b6 K# ^/ v w
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：
; q9 d& t- I: {6 I( }. u 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。
* X! {! K8 z! A2 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。
% x+ e& ^1 _$ M2 C: B$ O 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。 4 b2 o% w5 h6 n* l4 y7 ]
五、西边界流模拟实验' `0 R2 ?9 L5 M$ x8 x, x1 n" f
实验装置 5 E: E6 ], o' U! `. o' B+ E
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？ * C/ N% B% ? a( B8 y
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。 : P4 ?- u5 u* T
实验室旋转水槽实验视频
X% @7 |# l& e0 p& \ 2 e o( ^& s0 ]+ L7 Y$ @) f
( r) w9 a& }: O7 P9 D" ~ 9 H5 ^7 p* W2 j9 g
# r. f" H7 x; }0 K( w ?! q ?8 g! Q; w8 O" M* c
/ y1 X3 a& l: j$ d+ `; r; W6 |  0
0 l) A! N5 ]" W, j. m+ G( Q2 S 4 @& N7 h- ~8 V4 H; D
4 W3 P, p u, H2 d9 _ z
; Z: _9 E+ \- [9 ]
7 X5 d- D& _6 G7 q' L3 n: \
8 o: b% m1 ?9 ?' H1 z d
- A7 i" q, x' i 一些名词解释：
8 l0 r1 B( n/ M5 A$ I! ` 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。 + }) N- }' ^, J8 m
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)
# B- c) q$ |. l* W8 n) o
4 u$ z4 m- b6 j: x$ q& ^5 f 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 v0 S7 s0 k; f" i [1] 英国气象局：什么是大西洋径向翻转流(AMOC)?
5 l- J9 }1 i7 _4 G0 X4 \ [2] MIT 海洋环流实验：介绍
5 N3 ^, [1 m2 o& X& k [3] YouTube:西向强化 第二部分：Stommel的模式
% S" m( ]# a6 @2 G [4]百度云：Stommel论文和中翻+推导 ，提取码：pe43
- p" D; w! U! b. F 参考资料：
; H0 ~& e2 b& l9 R% j% W0 [ 封面：CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water
/ b6 v+ I- O5 f5 a1 } [1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation
2 i- w* \& Y, v9 O( k [2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium
/ a0 t) e0 v! V' R [3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS
' ^5 h6 k; R: u3 [$ P' d4 V- y/ o; y [4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学（第六版）》
- p7 c& A2 B! d" K- l [5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》
- R* ^ x- m, n; Y
( R6 x2 K- K% {) v, C
& }& I- h; l; U0 e7 W: I* w& j: x( l/ M, @
6 L1 t4 S- _( v3 d- [: b& a2 g
| 
