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温盐环流

温盐环流（英语：Thermohaline circulation，简称THC）是一种大型的洋流，由海洋表面温度和淡水通量（例如冰盖融水）产生的海水密度梯度（英语：density gradient）所驱动。[1][2]英文形容词"thermohaline"源自古希腊语中"thermo"（指温度）和"haline"（指盐度），此两因素共同决定海水的密度。由风驱动的海洋表面洋流（例如墨西哥湾暖流）从赤道大西洋向北极地区流动，途中受到冷却，最终在高纬度地区下沉（形成北大西洋深层海水（英语：North Atlantic Deep Water））。这些稠密的海水然后进入海盆。虽然其大部分在南冰洋上升，但最古老的海水（流动花费时间约为1,000年）[3]在北太平洋上升。[4]由此缘故，海洋盆地海水之间发生广泛的混合，将其间的差异降低，并在全球海洋中形成一个系统。这些回路中的海水会输送能量（热量）和质量（溶解的固体和气体）。因而环流的情况对地球的气候有很大的影响。

全球温盐环流路径概要 - 蓝色代表深层洋流路径，红色代表表层洋流路径。
全球温盐环流动画。

温盐环流有时被称为海洋传送带（ocean conveyor belt）、大洋传送带（great ocean conveyor）或全球传送带（global conveyor belt），这些名词均由美国气候科学家 华莱士·S·布拉克（英语：Wallace Smith Broecker）所创。[5][6][7]有时它也用来指经向翻转环流（通常缩写为MOC，参见纬向与经向环流（英语：Zonal and meridional flow））。MOC一词可能会较温盐环流准确，且具明确定义，温盐环流仅为由温度和盐度驱动的环流，而风力和潮汐力等其他因素也会驱动环流发生。[8]此外，温度和盐度梯度效应也会导致环流发生，并不一定包含在MOC之内。

大西洋经向翻转环流（AMOC）是全球温盐环流中的一支。

概述 编辑

 
全球温盐环流循环动画，AMOC是其中一支。 (animation)

由风驱动表层海水，所产生的流动很容易察觉。例如风很轻易可在池塘表面产生波纹。此导致早期海洋学家认为由于深海中无风，所以是完全静止状态。然而经过现代仪器测量，显示深水团的流速会很大（仍远小于表层海水速度）。一般来说，海水流速的范围从每秒几分之一公分（也称厘米，在海洋深处发生）到有时如墨西哥湾暖流和黑潮等表层洋流的速度会超过每秒一米（米）。

海水在深海中流动的主要驱动力是来自盐度和温度变化引起的密度差异（增加盐度和降低流体温度都会升高密度）。人们常对由风和密度驱动的环流组成部分混淆。[9][10]潮汐引起的洋流在许多地方也很重要，潮汐产生的洋流在相对较浅的沿海地区最为显著，但在深海中也重要。目前认为这种洋流可促进海水的混合过程，尤其是垂直混合（diapycnal mixing，由上升流或是下沉流造成，可因而穿越分层海水的等密度线（isopycnal layer），让海水中营养产生交换与海水混合（参见等密度水层（英语：Isopycnal#Mixing））。[11]

全球各地海水的密度并非一致，有显著且离散的变化。在表层形成的水团之间存在明确的边界，并随后在海洋中保持自己的特性。但这些明显的边界并非空间的观念，而是在温度-盐度图（英语：temperature-salinity diagram）（T-S diagram}}中显示。这些水团根据密度而处于彼此的上方或下方，而密度由温度和盐度决定。

温暖的海水会膨胀，其密度低于较冷的海水。咸水比淡水密度更大（因为溶解的盐填充水分子之间的间隙，导致相同单位体积的质量更大）。较轻的水团漂浮在较稠密的水团之上（就像一块木头或冰会漂浮在水面上，参见浮力）。当密度较大的水团位于密度较小的水团之上（参见水团形成所需的对流或深层对流），会导致水团根据自身密度寻求将自己定位在正确的垂直位置，这种运动称为对流（透过重力作用而分层）。密度梯度成为造成如深海西边界流（deep western boundary current，DWBC）等深海洋流背后的主要驱动力。

温盐环流主要是由北大西洋和南冰洋的水温和盐度差异造成的深水团的形成所驱动。此模拟结果由两位美国物理海洋学家亨利·梅尔逊·斯托梅尔和阿诺德·B·亚伦斯（Arnold B. Arons）于1960年提出，被称为斯托梅尔-亚伦斯MOC方格模型（Stommel-Arons box model for the MOC ）。[12]

深海水团形成 编辑

沉入深海盆地的稠密水团是在北大西洋和南大洋的特定区域中形成。在北大西洋，海洋表层的海水被风和低环境空气温度迅速冷却。风在水面上移动时也会产生大量蒸发，导致温度下降，称为与潜热相关的蒸发冷却。蒸发将水分子移除，所留下海水的盐度增加，因此水团的密度会随着温度的降低而增加。在挪威海，蒸发冷却占主导地位，下沉的水团，即北大西洋深层海水（NADW），将海盆充满，并通过连接格陵兰、冰岛和英国岩床（称为格陵兰-苏格兰海脊（Greenland-Scotland-Ridge））的裂缝向南溢出。然后以非常缓慢的速度流入大西洋深海平原，始终维持往南方向。然而从北冰洋盆地流入太平洋的洋流却被狭窄且浅的白令海峡所阻挡。

 
海水中温度与盐度对于其最大稠密度与结冰温度的影响。

在南冰洋，从南极大陆吹往冰架的强烈下降风会将新形成的海冰吹走，沿着海岸形成冰间湖（英语：polynyas）。于此的海洋不再受到海冰的保护，受到严酷又强烈的降温。海冰因而开始重新形成，表层海水也会因此变得更咸及更为稠密。事实上是因海冰形成而导致表层海水盐度增加（当周围的海冰形成时，纯净水优先受到冻结，会留下更咸的海水）。盐度增加后会降低海水的冰点，蜂窝式冰体内会包含液态盐水，盐水逐渐融化其下方的冰，最终由冰基质中滴出后下沉。这个过程称为盐水排斥（英语：brine rejection）。

由此形成的南极底层水 (AABW) 下沉，并往北和往东流动，但其密度非常高，实际上是在北大西洋深层海水（NADW）下方流动。在威德尔海形成的南极底层水主要是前往填充大西洋和印度洋海盆，而在罗斯海形成的南极底层水将流向太平洋。

这些过程形成的稠密水团在海底往下流动，如同在密度较小的液体中有一股流体在移动一样，将极地海洋盆地填满。海洋底部的地形会对深层水体和底层水体的移动产生限制。

海水在4°C时密度并非最大（与淡水不同），随着一路冷却到约-1.8°C的冰点，而密度会变更大。然而此冰点是盐度和压力的函数，-1.8°C并不是海水的一般冰点温度（见右边附图）。

深海水团移动 编辑

动画：表层洋流往北进行，变稠密后在冰岛与格陵兰下沉，之后与全球温盐环流结合，进入印度洋与南极绕极流。[13]

于北大西洋深海水团的形成和移动，这种下沉的水团会充满海洋盆地并以非常缓慢的速度流入大西洋深海平原。这种高纬度的冷却作用和低纬度的加热作用驱动深层海水朝南极方向移动。深水流经南非附近的南冰洋海盆，在那里分成两条路线：一条进入印度洋，另一条经过澳大利亚进入太平洋。

在印度洋中，来自大西洋的一些既冷又咸的海水（受来自热带太平洋的更温暖、盐分更低的上层海水吸引而来），导致稠密的下沈水与上方较轻的海水发生垂直交换。这就是AMOC中提起的"翻转"作用。在太平洋中，由大西洋而来的剩余寒冷和盐分高的海水经历盐度强迫，会更快变得更温暖和盐分更低。

于海底流出的既冷又咸的海水让大西洋的海平面略低于太平洋，而大西洋海水的盐度会高于太平洋的。这会产生大量但缓慢的温暖和盐分较低的上层海水洋流，从热带太平洋通过印尼群岛流向印度洋，以补充流出的既冷又咸的南极底层水。这作用也称为"盐度强迫"（高纬度淡水量净增加，和低纬度海水蒸发）。这些来自太平洋的温暖、盐度较低海水流经南大西洋到达格陵兰，在那里冷却并经历蒸发冷却，然后沉入海底，维系住温盐环流的循环作用。[14]

因此，对于温盐环流最近流行的一个名称是经向翻转环流，强调这种海洋环流的垂直混合性质和两极之间移动的特征。

定量估计 编辑

从2004年开始，透过英国-美国合作研究快速气候变化对南北翻转环流和热流影响的项目 - 快速气候变化-南北翻转环流和热流阵列（英语：Rapid Climate Change-Meridional Overturning Circulation and Heatflux Array）（RAPID）（系泊位于大西洋北纬26°的原位监测阵列）对北大西洋的温盐环流强度进行直接估计。[15]透过使用海流计对海水流量直接估计与使用海底电缆，依据温度和盐度以推估地转流数量，两者结合，RAPID项目能提供对温盐环流的连续、全深度、整个海盆的估计，或更准确地说，是对经向翻转环流的估计。

在经向翻转环流（MOC）的深水团具有化学、温度和同位素比率特征，可追踪、计算其流速并确定其年龄。其中包括镤同位素中最稳定的231Pa与钍-230（Th） 比率。

湾流 编辑

主条目：墨西哥湾暖流
 
美国国父与开国元勋之一 - 本杰明·富兰克林所绘制的墨西哥湾暖流图。

墨西哥湾暖流（又称湾流）及其向北延伸至欧洲的北大西洋暖流是一股强大、温暖且湍急的大西洋洋流，起源于美国佛罗里达州的顶端，沿着美国和加拿大纽芬兰与拉布拉多省东海岸流动，由于此暖流在北美东海岸附近受到边界流强化，而成为一股向北加速的洋流。[16]暖流在跨越大西洋途中，于北纬40°0′西经30°0′左右一分为二，北流奔向北欧，南流沿西非海岸往南流。

墨西哥湾暖流影响到从佛罗里达州到加拿大的北美洲东海岸，以及欧洲西海岸的气候。虽然最近发生争论，但人们一致认为如果不是因为北大西洋暖流（墨西哥湾流尾部的分支之一）的缘故，西欧和北欧的气候不会有现今般的温暖。[17][18]墨西哥湾暖流是北大西洋环流中的一支。由于有此暖流，而导致当地大气和海洋内发展出各种强烈气旋。墨西哥湾暖流也是潜在重要的再生能源发电来源。[19][20]

上升流 编辑

主条目：上升流

由于沉入海洋盆地的稠密水团取代年代较久远的深层水团，旧水团历经海洋混合而密度降低，因而上升。但由于这种温盐上升流分布广泛且分散，即使与底层水团的移动相比，其速度更慢。因此当考虑到表层海洋中正发生的其他风驱动过程，很难使用其当前速度来测量上升流发生的位置。深层海水有自己的化学特征，是由沉入其中的颗粒物，经历长途下沉过程中分解而成。有几位科学家试图利用这种示踪剂来推断上升流发生的位置。

华莱士·S·布拉克使用其模型运算，断言大部分深层上升流发生在北太平洋，并以这些水域中发现的高硅含量作为证据。其他调查人员尚未找到如此明确的证据。海洋环流的电脑模拟有越来越多将大部分深层上升流置于南冰洋，[21]这与南美洲和南极洲之间开放海域的强风有关。虽然这结果与于伍兹霍尔海洋研究所服务的威廉·J·施密茨（William J. Schmitz）全球观测综合结果一致，且扩散观测值较低，但并非所有观测综合结果都一致。于斯克里普斯海洋研究所服务的林恩·塔利（英语：Lynne Talley）以及澳大利亚研究人员伯纳黛特·斯洛扬（Bernadette Sloyan）和史蒂芬·林图尔（Stephen Rintoul）后来于2021年发表的论文，表示在南冰洋以北的某处，一定有大量稠密的深层水转化为较轻的海水。[22]

对全球气候的影响 编辑

温盐环流在向极地区域供热方面发挥重要作用，而能调节这些地区的海冰数量，但热带地区大气向极地传输的热量比经由海洋传输的数量为大。[23]温盐环流发生变化被认为会对地球能量收支产生重大影响。

科学界认为来自阿加西湖（英语：Lake Agassiz）低密度融水大量涌入和北美洲的冰河退缩，导致北大西洋北端深层海水形成和沈降发生变化，是导致称为新仙女木期（距今12,800年至115,00年的一段持续1,300年左右的冰期）的全球气温骤降，北极冰河南侵的结果。[24]

温盐循环停止 编辑

这个部分摘自：大西洋经向翻转环流 § 温盐循环减慢或可能停止[编辑]

温盐环流的减缓或停止是种气候变化对主要海洋环流产生的假设性影响。墨西哥湾暖流是这类环流之一，也是北欧通常较为温暖的部分原因 - 例如英国爱丁堡与俄罗斯莫斯科纬度相同，但爱丁堡的年平均温度高于莫斯科的。温盐环流影响世界各地的气候。 当AMOC减缓和可能停止的影响可能包括农业产出损失、生态系统变化以及触发其他气候临界点出现。[25]AMOC减弱产生的其他可能影响包括中纬度地区降水量减少、热带地区和欧洲强降水模式改变以及北大西洋路径上的风暴加强。最后，减弱还会发生北美洲东部海岸海平面的大幅上升。[26]

参见 编辑

参考文献 编辑

  1. ^ Rahmstorf, S. The concept of the thermohaline circulation (PDF). Nature. 2003, 421 (6924): 699 [2009-09-29]. Bibcode:2003Natur.421..699R. PMID 12610602. S2CID 4414604. doi:10.1038/421699a  . （原始内容存档 (PDF)于2020-02-14）. 
  2. ^ Lappo, SS. On reason of the northward heat advection across the Equator in the South Pacific and Atlantic ocean. Study of Ocean and Atmosphere Interaction Processes (Moscow Department of Gidrometeoizdat (in Mandarin)). 1984: 125–9. 
  3. ^ The global ocean conveyor belt is a constantly moving system of deep-ocean circulation driven by temperature and salinity; What is the global ocean conveyor belt? 互联网档案馆的存档，存档日期2017-12-31.
  4. ^ Primeau, F. Characterizing transport between the surface mixed layer and the ocean interior with a forward and adjoint global ocean transport model (PDF). Journal of Physical Oceanography. 2005, 35 (4): 545–64 [2023-12-30]. Bibcode:2005JPO....35..545P. S2CID 130736022. doi:10.1175/JPO2699.1. （原始内容存档 (PDF)于2022-07-17）. 
  5. ^ Schwartz, John. Wallace Broecker, 87, Dies; Sounded Early Warning on Climate Change. The New York Times. 2019-02-20 [2022-06-05]. ISSN 0362-4331. （原始内容存档于2020-11-07） （美国英语）. 
  6. ^ de Menocal, Peter. Wallace Smith Broecker (1931-2019). Nature. 2019-03-26, 568 (7750): 34. Bibcode:2019Natur.568...34D. S2CID 186242350. doi:10.1038/d41586-019-00993-2   （英语）. 
  7. ^ S., Broecker, Wallace. The great ocean conveyor : discovering the trigger for abrupt climate change. Princeton University Press. 2010. ISBN 978-0-691-14354-5. OCLC 695704119. 
  8. ^ Wunsch, C. What is the thermohaline circulation?. Science. 2002, 298 (5596): 1179–81. PMID 12424356. S2CID 129518576. doi:10.1126/science.1079329. 
  9. ^ Wyrtki, K. The thermohaline circulation in relation to the general circulation in the oceans. Deep-Sea Research. 1961, 8 (1): 39–64. Bibcode:1961DSR.....8...39W. doi:10.1016/0146-6313(61)90014-4. 
  10. ^ Schmidt, G., 2005, Gulf Stream slowdown? 互联网档案馆的存档，存档日期2006-02-20., RealClimate
  11. ^ Eden, Carsten. Ocean Dynamics . Springer. 2012: 177. ISBN 978-3-642-23449-1. 
  12. ^ Stommel, H., & Arons, A. B. (1960). On the abyssal circulation of the world ocean. – I. Stationary planetary flow patterns on a sphere. Deep Sea Research (1953), 6, 140-154.
  13. ^ The Thermohaline Circulation - The Great Ocean Conveyor Belt 互联网档案馆的存档，存档日期2022-12-19. NASA Scientific Visualization Studio, visualizations by Greg Shirah, 2009-10-08.   本文含有此来源中属于公有领域的内容。
  14. ^ United Nations Environment Programme / GRID-Arendal, 2006, [1] 互联网档案馆的存档，存档日期2017-01-28.. Potential Impact of Climate Change
  15. ^ RAPID: monitoring the Atlantic Meridional Overturning Circulation at 26.5N since 2004. www.rapid.ac.uk. [2023-12-30]. （原始内容存档于2016-08-04）. 
  16. ^ National Environmental Satellite, Data, and Information Service (2009). Investigating the Gulf Stream 互联网档案馆的存档，存档日期2010-05-03.. North Carolina State University Retrieved 6 May 2009
  17. ^ Hennessy. Report of the Annual Meeting: On the Influence of the Gulf-stream on the Climate of Ireland. Richard Taylor and William Francis. 1858 [2009-01-06]. 
  18. ^ Satellites Record Weakening North Atlantic Current Impact. NASA. [2008-09-10]. （原始内容存档于2008-09-21）. 
  19. ^ The Institute for Environmental Research & Education. Tidal.pdf 互联网档案馆的存档，存档日期2010-10-11. Retrieved on 2010-07-28.
  20. ^ Jeremy Elton Jacquot. Gulf Stream's Tidal Energy Could Provide Up to a Third of Florida's Power 互联网档案馆的存档，存档日期2011-09-14. Retrieved 2008-09-21
  21. ^ Marshall, John; Speer, Kevin. Closure of the meridional overturning circulation through Southern Ocean upwelling. Nature Geoscience. 2012-02-26, 5 (3): 171–80 [2023-12-30]. Bibcode:2012NatGe...5..171M. doi:10.1038/ngeo1391. （原始内容存档于2022-12-09）. 
  22. ^ Sloyan, Bernadette M.; Rintoul, Stephen R. Circulation, Renewal, and Modification of Antarctic Mode and Intermediate Water. Journal of Physical Oceanography. 2021-04-01, 31: 4–1005–1030 [2023-11-26]. doi:10.1175/1520-0485(2001)031<1005:CRAMOA>2.0.CO;2. （原始内容存档于2023-12-19）. 
  23. ^ Trenberth, K; Caron, J. Estimates of Meridional Atmosphere and Ocean Heat Transports. Journal of Climate. 2001, 14 (16): 3433–43 [2023-12-30]. Bibcode:2001JCli...14.3433T. doi:10.1175/1520-0442(2001)014<3433:EOMAAO>2.0.CO;2  . （原始内容存档于2022-10-28）. 
  24. ^ Broecker, WS. Was the Younger Dryas Triggered by a Flood?. Science. 2006, 312 (5777): 1146–8. PMID 16728622. S2CID 39544213. doi:10.1126/science.1123253. 
  25. ^ Explainer: Nine 'tipping points' that could be triggered by climate change. Carbon Brief. 2020-02-10 [2021-09-04]. （原始内容存档于2023-04-29） （英语）. 
  26. ^ Fox-Kemper, B., H.T. Hewitt, C. Xiao, G. Aðalgeirsdóttir, S.S. Drijfhout, T.L. Edwards, N.R. Golledge, M. Hemer, R.E. Kopp, G. Krinner, A. Mix, D. Notz, S. Nowicki, I.S. Nurhati, L. Ruiz, J.-B. Sallée, A.B.A. Slangen, and Y. Yu, 2021: Chapter 9: Ocean, Cryosphere and Sea Level Change （页面存档备份，存于互联网档案馆）. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change （页面存档备份，存于互联网档案馆） [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 1211–1362, doi:10.1017/9781009157896.011.

其他资料来源 编辑

外部链接 编辑

Template:Atmospheric, Oceanographic and Climate Models

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