m' L- F0 e9 t6 r 目录：
# f4 [9 o4 a8 o& F6 [$ D$ d7 N 一、《后天》真的要来了吗？
1 b, b' V/ ~4 Z4 e 二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
$ X& x$ \: E9 i( e/ M5 {+ ]/ P 三、风生大洋环流 * P: H) B6 A5 l5 Z& K2 L* W
四、海流的西向强化
6 M& Y( v \% e0 g( p 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） # G, L* J- A- D3 l* y8 h
一、《后天》真的要来了吗？$ V8 p, O K( ^/ I2 H
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。
U1 u$ D, i, Y. m1 R" E 《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]。 6 a, ]# \$ s9 N7 s* ]% U& v2 s
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。 ' U3 G: D2 @8 {
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
* z0 z+ E2 s% z8 g% T9 h 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]。
! o; x# u: g4 J A3 G0 ~3 C 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。
7 y) w* J! x" O& G# Y1 b 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？
: m- u. Y/ k- e* A5 j 三、风生大洋环流3 B, h' }' Q3 p& I a* m
首先回答第一个问题。 4 x; U5 o y# |* ?
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 z; H. j) b7 S0 b- s
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。
- h+ `3 Q6 Q: m n' O& l; m 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
$ D, b/ h/ R; b( 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。 % k, x3 u7 P( 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。
6 M6 G9 X/ z& A6 @* j 几个概念名词：
2 {/ }' F5 V3 g5 A/ A 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。
3 d9 | u0 c; b! A2 d- }+ K 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
1 W# L1 d+ o w, w+ } f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\
( S: B4 x1 B0 M 其中， \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。
* W7 N: J1 ?: W, X9 G 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。 6 n/ T! b) R" U- \$ Z
\zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\ ( @: o, K/ M) P( V8 m) w
绝对涡度：相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。
' ?/ \- _! J) w& P 位涡守恒：位势涡度要考虑水体的高度和涡度，定义为 4 A: s4 e3 [+ ^8 M/ |- z
Q=\frac{f+\zeta}{H} \\ ! n$ O4 o+ M" k/ o
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]。 h. n2 [( ], N5 `
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：
' R. e6 B: F, p" w, \6 s8 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。
, \( k0 T0 T2 J" A* x2 X 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。
& n$ n! _* h* I$ H+ S: C 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 @% k0 ^+ G! X2 A$ u 五、西边界流模拟实验2 Z! Z+ |- G. c2 O
实验装置
, K8 s' A$ }+ [8 ?4 | 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？
% ]; _8 X: R2 j, R4 r7 D( ~$ z- 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。 1 R) y7 \/ `: A1 t- i' P s
实验室旋转水槽实验视频0 x7 }, c. @3 o2 D4 L
; p( v7 U6 `+ B, F 4 H6 {; ]) l3 `. {. ~/ C% n
; a* B. E3 f0 q( g- V. y 1 e8 R4 x3 \3 F }/ n
/ J9 @5 G6 @% {, G1 t 2 F# W7 [6 {9 P2 ]
 0
_4 J- {9 J4 X' g7 Z( p: v- j V
8 G) j1 y7 e. |$ j# W, y4 y3 m, E
; _8 ?' h0 f' Y F, C - m! k% i* M- B
+ }5 B0 y3 { y0 W% | 2 t, X F+ Y" J
4 K) c1 E" Q' Q- ~4 @9 Y; R2 l4 n2 |: F7 P 一些名词解释：
9 Z3 w! I; H( S9 G& @+ V 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。
" w5 `" E# q* }2 ]* o* j 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) ( v: X& S$ z7 [$ F$ f2 K5 L' g* `8 n5 G
; f- d) |* Q' e: |" M) J! u h
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：
B/ {! ~+ i7 ~: a# }/ m! B9 W" j4 \ [1] 英国气象局：什么是大西洋径向翻转流(AMOC)? h% @ D2 J9 Z6 ]0 k
[2] MIT 海洋环流实验：介绍
0 `/ y2 \. K% p) r& v2 k [3] YouTube:西向强化 第二部分：Stommel的模式
1 T# O9 }* c/ a/ ^: C: n. ? [4]百度云：Stommel论文和中翻+推导 ，提取码：pe43 * r% U, j7 S8 ]$ ]4 h3 b8 u
参考资料：
1 n, b! f' c) ]$ G' o+ D# J 封面：CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water & V+ i0 e* L1 Q9 U8 {$ J; V. E" ?
[1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation 1 }8 m: O0 r0 A* Z/ l/ |7 a$ i
[2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium
2 I0 @! z5 H5 j. V$ X$ F [3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS ( o9 Q# c b, X
[4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学（第六版）》
6 j+ Z- ?* g# Q, J! J4 E [5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》
5 d5 q% I: p4 N# f9 O1 |. f9 c5 g; I! h% K* G ~" n! A$ I1 {
. g' }" u* [& d& W
' C" W @$ S# c* f8 h
& c2 G, u# R- t) k* A | 
