1 `% t# z& a; I8 x0 u9 z 目录：
& i1 _- c2 Z; K5 h1 Q7 K C 一、《后天》真的要来了吗？
# ^4 I, G! z+ ^ N 二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
# t" w1 m0 V) {( b! }; P2 J& a1 q, L 三、风生大洋环流
+ u( Y; l9 W/ X4 M4 R 四、海流的西向强化 5 I" u6 ]6 t1 w) Z5 Q6 B
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） 9 c! P9 V% Z% z
一、《后天》真的要来了吗？1 ]+ ?; [1 E1 P) A4 D. l7 J7 v
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。 " L3 ]$ [2 s7 b s+ z/ m# 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]。
* l, M# r/ A5 W# o 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。 - F' u7 s3 l; X& Y
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
" J: l; @9 [$ d6 t) ?% f) P0 B4 g 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]。 * w# ^7 f; U/ t" a
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。 % k. o# V8 P" l9 @: T8 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？ 7 Z2 K( z. z. h0 N, S3 Y. H
三、风生大洋环流
& |% m5 ~8 K, O0 x5 O: V 首先回答第一个问题。
' W! e( ]3 y) y1 E6 Q 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。
# T: _8 a/ b3 a+ _ b3 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。 2 G/ Y% K. [4 p; T
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
( P8 R# c: A- v: {- |! ?3 Q* W 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。
0 `+ n( T! i2 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。 & `/ T2 I4 M, Y6 ?8 R+ |* c3 T5 |; c
几个概念名词：
. ^$ w( P% |- F 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。
0 f. W$ d8 X! f& P 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 u7 R1 K' k: w+ e
f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\
; R, t# U: B6 G K 其中， \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。
- T X3 ^, Q( @2 [8 i N1 \" f( Q 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。
: n" u5 `4 V/ K" r' Q- ] \zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\
# E. T- ^: \$ Q# J, z n 绝对涡度：相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。 ' r9 x7 X- u+ F; G& Z k& s
位涡守恒：位势涡度要考虑水体的高度和涡度，定义为
$ ~/ n0 E4 [/ w! ]/ f; k Q=\frac{f+\zeta}{H} \\
$ A3 H) @! ?2 J0 @0 D 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]。 # J0 L* @9 n' ~- x
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： ) s4 a: ?- }4 K
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。 8 W- I5 X$ G4 U" d2 }
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 ? `5 y3 Z9 L/ e: H 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。 1 P* f( `3 C" I# ^
五、西边界流模拟实验
$ N0 G6 v; o/ p3 L' X 实验装置
' z+ q1 l4 p4 d1 j2 S' v4 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？
$ _1 Y3 Z, Z% |% z1 V 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。
3 k; \3 o1 \5 T) H8 ^2 h2 _ 实验室旋转水槽实验视频! P5 t( y$ ~9 C
# \( }! d+ Q# N% N4 l" ~- V6 ]! v
, ?5 ^& R o8 |( K8 @6 J0 U7 l3 R
: L, ]1 p8 T' p, [
, ]+ @, G* b, P3 ]4 g: Y8 _8 n
5 w2 {& t; j* \8 O, C |
" \; b% X- d8 S& h: h4 d  0
1 g- q m0 n* M1 A/ Q & ?: U1 k/ ?7 l
% c' D4 G, ?- o/ A+ J1 C
/ x% F3 S7 w- J9 o2 K8 f& q
, N+ _$ y1 ^" J& A9 ~" e. H
^$ J# F- D( [6 B( {
# @: }5 Z O/ S$ c1 n+ ~; q 一些名词解释： - t/ j( d; _# 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。
5 B1 F: V v7 y9 C* \ 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 c& Z3 ]# z4 m( s
3 ^. _: p5 D: Z) _' | 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：
: ]' N ^1 k5 c4 r+ F! G [1] 英国气象局：什么是大西洋径向翻转流(AMOC)? 8 T8 k) T9 e( X: p
[2] MIT 海洋环流实验：介绍 % T2 J! h* G( b0 }# f5 C
[3] YouTube:西向强化 第二部分：Stommel的模式 3 i4 C7 [: O1 E7 s b; y7 i
[4]百度云：Stommel论文和中翻+推导 ，提取码：pe43 - D8 x7 T7 c5 e
参考资料：
2 B4 ]$ B* [- r# @+ X 封面：CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water
' `+ ~) p" I( @/ I! R4 k [1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation 0 o5 I; f w2 _1 V- D c
[2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium
" Q. m' t1 C* R Z/ g! q, j [3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS + H$ p# H/ G6 U0 o) _; L
[4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学（第六版）》
$ v- ] M' H0 }5 K; k4 R [5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》
# t- b; F' ^* c8 v4 ^; c" B" Z1 B8 I% d* A7 }- w6 E7 {$ h) ]
' i$ v6 e0 v& Q( P9 V x, j- @0 a+ ^) J3 q! E1 A
/ r; X& ]3 w3 n& i | 
