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6 S' b0 y9 ]1 Y- E 一、《后天》真的要来了吗? 4 d' ~5 j( V. v& t& Q
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流 0 R, w" E* F" o$ A! w# P5 v
三、风生大洋环流 ' |% y) ^8 s. L( I% T! m
四、海流的西向强化 h! H1 ^. T8 K/ C- p9 t
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) 8 I" @3 p, ^8 T0 I) J
一、《后天》真的要来了吗?
6 v* J* S+ E0 Q& q; Y 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。 ) n5 n a% R7 d, g, 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]。
! U) ?" a4 K! k 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。 2 w8 m- Z" c) I! P
二、位于西边界的暖流——黑潮和墨西哥湾流
& h7 o; {& a/ p6 v# m 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]。 ! z: [9 K) U3 k7 \9 A+ S
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 d6 A& }2 g0 k7 I) N* i 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?
. R" C/ Y( ]( f1 ?! ~9 R$ b 三、风生大洋环流2 K3 }2 w$ N- K. n4 J
首先回答第一个问题。
) |% ~% J3 f' x. S, ^ 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。
, P( n- ?. c$ ]( Y7 w; E9 Q 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 J: m! o! }. P- e/ K 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& U/ I+ X9 }7 V {9 N' G
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# S, _6 e C9 }: C: z( G9 ] 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。
. P- u% c2 m7 @/ l 几个概念名词:
* ~- ]6 n# ?. W, J, Y1 H 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。 % I- [- S" U1 w" 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
6 p0 U" |) x( L# x f=2\Omega sin(\varphi)(rad/s) \\
' [! Q2 D" q2 } r- q/ j 其中, \Omega=2\pi/day=2\pi/86160\mathrm{s}=7.293\times10^{-5}\mathrm{sec}^{-1} , \varphi 是纬度。
+ @: t" m! [- w8 F4 Y 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。
! T/ v' D) o5 v0 s2 H, x7 I% N \zeta=\mathrm{curl}_z \mathbf{V}=\frac{\partial{v}}{\partial{x}}-\frac{\partial{u}}{\partial{y}} \\
0 |# Y! Y+ A* B! N3 q5 X 绝对涡度:相对涡度 f 与行星涡度 \zeta 的总和。 5 e2 r; Z( u1 y8 B! d, _3 [
位涡守恒:位势涡度要考虑水体的高度和涡度,定义为 . V1 I3 S3 P, D1 T
Q=\frac{f+\zeta}{H} \\ : ~, }1 V, [8 D2 f3 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]。 3 t0 d" `+ L3 N
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: ( J& |: R1 {! c# z1 F! y
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。 + \& D2 y. l4 d3 N3 {0 l; 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。
0 z2 Z1 m" @% s. i 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。 ; E+ Y0 }+ l8 p! J/ O7 d1 u/ i
五、西边界流模拟实验
$ Z$ J+ X4 R" V 实验装置
e* U: z+ ^+ Z: d; f; O# b; I 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? 7 b) e( I* ]( a( x4 ?' a) S
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。 8 @/ X- B( o) S/ Q3 U0 g
实验室旋转水槽实验视频! w* H) R9 k, d$ Z& }
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一些名词解释: 1 e/ h7 E2 ?% Q" w, {3 \" a
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。 7 }1 ?/ z- B" p7 L" z o4 W
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) ) j2 x( t0 v2 O: _! z9 O; _
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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:
0 b; b4 W. z/ }7 u1 l [1] 英国气象局:什么是大西洋径向翻转流(AMOC)?
6 E- {2 a6 H5 D& m& j7 } [2] MIT 海洋环流实验:介绍
/ B* v+ o' s6 \$ p- W9 O& Y# K [3] YouTube:西向强化 第二部分:Stommel的模式
: J/ C/ A# {6 A! @5 g [4]百度云:Stommel论文和中翻+推导 ,提取码:pe43 # i) o; `) q. W. ~" R, x
参考资料:
, G+ w) N; k# O% h 封面:CNN: The amount of Greenland ice that melted on Tuesday could cover Florida in 2 inches of water & F' N! e' j5 ]+ {7 J. t4 s
[1] Observation-based early-warning signals for a collapse of the Atlantic Meridional Overturning Circulation
( }- S0 h" m: [$ D! c3 U, u+ b [2] UCL news: Earth’s Gulf Stream System at its weakest in over a millennium ) I- I3 ?+ V" ], ?: P. G7 u
[3] NOAA: MAKING WAVES: OCEAN CURRENTS ) O% f2 w! B1 o9 c2 m
[4] 《Descriptive Physical Oceanography An Introduction (Sixth Edition)物理海洋学(第六版)》 7 V" T' ~# `% Y
[5] 《探索者的海洋——斯托梅尔自传》 % U+ F/ f& R0 l6 s1 u% b
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