缓慢而强大的大洋环流

  隐藏在海浪和潮汐之下,有一条强有力的环流在各大洋之间穿行,阳光和风力是它的引擎,陆地阻碍着它的前行,温度和盐度变化改变着它的密度,使它在垂向上重则下沉,轻则上浮。在这些因素的影响下,全球的大洋环流会如何改变?它的典型速度和循环周期又是怎样?它又是如何在不同的大洋、海域中产生次级环流的?

1. 什么是大洋环流?

环境百科全书-缓慢而强大的大洋环流-官方划分的五大洋
图1 官方划分的五大洋
[来源:Pinpin / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

  海洋占据着地球表面72%的面积,这片广阔的区域早在35亿年前就萌发出生命(见“一位热爱天文学的地质学家看生命起源”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/life/origin-of-life-seen-by-geologist-who-loves-astronomy/)),对整个地表环境有着深远的影响。在大约两万年前开始的末次冰期到间冰期过渡时期,海岸线的平均高度变化了至少120米。而在此之前,英吉利海峡和北海还没有出现,我们的克鲁玛努人祖先可以从现在欧洲大陆徒步走到那片后来成为不列颠群岛的土地上。在全新世纪元(过去一万年到现在),海洋的边界已经千年不曾改变,国际水文组织(IHO)[1]得以对其分割并命名。不过这种划分仍然有着很大的不确定性,对于栖息在大洋中的生物来说尤为如此。

环境百科全书-缓慢而强大的大洋环流-海洋表面的常态
图2 海洋表面的常态——时刻处在涌浪和波浪的搅动之中
[来源:Royalty-free image]

  我们所能观察到的海面最主要的一个特点就是它在持续地运动,其形式主要有骇人的涌浪、波浪以及周期性侵入港口的海潮(见《潮汐》)。如果将这些扰动去掉,海洋的平均表面既不是平坦的,也不是圆的,而是坑坑洼洼、崎岖不平的:全球海平面最高的区域(格陵兰岛东南部)与海平面最低区域(印度南部)的海拔差异能够达到160米;单是地中海区域海拔差异就高达80米,其海平面最高值出现在巴利阿里群岛附近,最低在克里特岛东南部(见《海洋环境》)。尽管从陆地上无法察觉,但海平面之下的海水在五大洋之间缓慢却有力地循环流动。海水的这种运动有一个特定的名称——热盐环流,从这个名字也能看出:它的存在有赖于由温度和盐度[2]变化所导致的海水密度变化。下文将对此进行详述。

2. 阳光——大气与水体运动的唯一引擎

环境百科全书-缓慢而强大的大洋环流-2010年七月的海表温度分布图
图3 2010年七月的海表温度分布图,其中红色代表温度最高值(接近22℃),蓝色代表温度最低值(接近0℃)[来源:MrFerraille / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

  大气环流的产生主要是由于海水受太阳直射升温(见“大气循环的源头(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/air-en/atmospheric-circulation-organization/)),这种现象在热带地区最甚,会使温跃层以上海水温度较高(图3)。大气环流产生风,在海面通过摩擦力拖动海水,产生了缓慢却强有力的热盐环流。由此可以说,大气和海洋两种流体介质的动能全部来自于太阳光。

  不过,空气和海水的环流又有着一个十分重要的不同点,就是海水之中有海岸、浅水等障碍物,在遇到这些障碍物的时候,海水只能绕道而行,而气流的运动如信风(见“信风的重要作用”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/air-en/key-role-of-the-trade-winds/))和喷流(见“喷流”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/air-en/jet-streams/))则没有类似的障碍影响其运动方向。海水密度的不同还会导致海水在垂向上的运动:表层水在冷却或盐度增加时变重下沉,而在受热或变淡时则会上升,这就构成了海水的三维运动结构。

3. 赤道流

环境百科全书-缓慢而强大的大洋环流-热盐环流
图4 热带地区受太阳光直射产生信风,信风进一步产生热盐环流
[来源:© EDPSciences, 已授权]

  在春分、秋分点,太阳直射赤道[3],信风(图4)根据南北半球的不同分别由南、北吹向赤道,在科氏力的作用下,这两股风在赤道交汇时产生向西的分量[4]。正是这股不是很快(风速约20公里/小时)但持续存在的东风,拉扯着海表水向西流动,形成赤道东风流

  在春分、秋分之外的时节,如北半球的冬季,太阳直射点落在赤道偏南,使得来自两个半球的信风不再关于赤道对称,其交汇点也会相对赤道向南偏移,北半球的夏季则反之。在北半球的盛夏时节,太阳直射位于北纬23°26′的北回归线,这时信风交汇的地方也就落在北回归线上。而科氏力一直是以赤道为对称轴:南半球偏向运动方向的左侧,北半球则反之,因此这两股相向的信风在北半球交汇处同时偏向各自运动方向的右侧,形成了相反的水平分量(图5)。

环境百科全书-缓慢而强大的大洋环流-夏季信风
图5 在夏季,来自北方的信风所处纬度较高,相对于来自南方的信风到达北半球产生的水平方向分量,其水平方向分量也更大,因此水平方向分量不会全部抵消
[来源:© Diane Gaillard]

  科氏力随纬度升高而增大且在赤道为0,因此在北半球夏季,北风所受的科氏力较南风强,两者水平方向的分量以北风受科氏力产生的东风为大,因此总体风向仍旧指向西,对海水的拖拽作用也仍然向西,不过弱于三月和九月的情况。相似的不对称性也出现在北半球的冬季,此时太阳直射点在位于南纬23°26′的南回归线附近。这种相向信风交汇在海面产生的向西的海流同样被称为赤道东风流

  总之,就是这股不强但持久的东风及其带来的赤道东风流,将哥伦布的多桅帆船送至委内瑞拉和西印度群岛。它们也为世界各地的高桅帆船比赛选手所熟知,虽然这风较弱,选手们仍然热衷扬起高高的船帆去捕捉它,以感受类似风暴带来的强大的推力。

4. 墨西哥湾流

环境百科全书-缓慢而强大的大洋环流-全球大洋环流
图6a 全球大洋环流:橙色代表表层流,蓝色为潜流;墨西哥湾流在大西洋北部,由黑色圈及数字1、2、3标识
[来源:© EDP Sciences, 已授权]

  让我们从大西洋看起,这里的水被风拖往北美海岸,其运动轨迹在科氏力的作用下有着指向其右侧的分量,也就是向北。这使得来源于佛得角的表层水向西北方的佛罗里达流去,并在陆地的阻挡下在佛罗里达附近海域堆积,使海平面升高,海水的受力状态不断达到受力平衡临界点,向东流去,同时保持着向北运动的分量。这就组成了一个非常典型的热盐环回路,称为墨西哥湾流(如图6a中①所示)。

  湾流这股由于受力超过平衡产生的、从北美海岸向东北方流往欧洲的水,所在的纬度没有信风,也就不受信风的削弱作用。因此这股温暖且清澈的水在抵达西班牙、法国和英国的同时(如图6a中②所示),加热其上方的大气,这里的大气同样向东运动,不过速度要比海水快的多,其形成的西风极强也极不稳定,被包裹在环绕高纬度的极地喷流中。在洋流与气流的共同作用之下[5],西欧国家虽与北美国家所处纬度相同,但前者冬天气温较后者要高一些。相似地,北欧海岸使洋流变向为西[6],在科氏力的作用下,向西北流向冰岛和格陵兰岛(如图6a中③所示)。

5. 墨西哥湾流的下沉及南归

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图6b 在格陵兰岛海域下沉后南下的墨西哥湾流,由图中数字4、5标识
[来源:© EDP Sciences, with permission]

  上述发生在北大西洋的第一个过程中,洋流一路从赤道到达格陵兰岛,期间由于蒸发盐度升高。同时,海水向北移动,随着纬度不断升高,其温度也不断降低。盐度升高和温度降低两个因素共同作用,导致水体密度增加。另外,由于盐在冰中的溶解度小于其在水中的溶解度[7],因此,海水中的大块浮冰在形成过程中析出盐分,进一步增加了海水盐度。海水密度越来越大,到达一定程度后下沉,导致海洋表层洋流消失,变为一股由冷又重的洋流,纵伸到较深层的海洋之中(如图6b中④所示)。

  由于大西洋海水较浅,这股洋流只能在其密度达到一定程度后下沉到大西洋海洋底部,海底纵横的海沟将其向南传送。由于大西洋在南半球要更加宽阔,这股洋流一经抵达南半球,受科氏力的作用,运动方向向东(如向非洲方向)偏移,也就是说,由地球自转所致的科氏力决定了洋流朝向非洲大陆而非美洲大陆移动。继续向南,经南极大陆阻挡,轨迹最终变为由西向东(如图6b中⑤所示)。

6. 回南之后的洋流

环境百科全书-缓慢而强大的大洋环流-全球大洋环流
图6c 热盐环流在印度洋上升至海表,由图中数字6、7标识
[来源:© EDP Sciences, 已授权]

  行至非洲大陆东部,这股由于低温高盐导致其运行轨迹较深的洋流有着三种可能的运行路径:北上印度洋,北上太平洋,以及自西向东环绕南极洲大陆。环绕南极洲的洋流被称为南极绕极流;除此之外北上印度洋,向马达加斯加岛移动的部分称为莫桑比克暖流(如图6c中⑥所示),该洋流水体在低纬热带地区逐渐升温,变轻上升到海表,最终受印度半岛的阻挡只能向南移动(如图6c中⑦所示),其在北半球的部分受科氏力,运动方向偏向其右侧。

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图6d 位于太平洋的另一股上升流(由图中数字8、9、10标识)以及转回大西洋的洋流
[来源:© EDP Sciences, 已授权]

  而北上太平洋的这部分深层流(如图6d中⑧所示),首先向东绕过澳大利亚,再北上太平洋,形成了南赤道流、黑潮以及北赤道流。它在穿越热带及温带的过程升至海表(如图6d中⑨所示),受到白令海峡两侧的西伯利亚和阿拉斯加的阻挡,向西南方向折返。行至南半球,科氏力方向改变,导致其分成两部分,一部分东行(如图6d中⑩所示),完整地环绕南极洲大陆;另一部分汇入印度洋环流(如图6d中11所示),向西行至非洲南部,最终在信风及赤道东风流共同作用下,汇入由南极向大西洋的洋流中(如图6中12所示)。

  另外一个鲜为人知的影响因素是:由于在地球环绕太阳运动的椭圆轨迹中,太阳并非处在该椭圆长轴的中心,导致地球与太阳的距离在长轴的两个端点处并不相同,最大相差可达80000公里。这对热盐环流具有十分重要的影响。尤其是热带地区,这里地球绕日运动的速度差异在惯性加持下,可以达到约220公里/天(9公里/小时)。这一效应是赤道流的又一驱动因素。同时,因为信风的方向与地球绕轴自转的方向相反,它也是维持信风的重要因素之一。

7. 次级洋流概述

环境百科全书-缓慢而强大的大洋环流-墨西哥湾流及其次生涡旋
图7 墨西哥湾流及其次生涡旋,来自NASA提供的彩色绘图
[来源:Donna Thomas / MODIS Ocean Group NASA / CFSG SST produced by R. Evans et al, U. Miami]. American 公开资源]
注意佛罗里达东南部(图中黑色半岛部分)的高温区(橙色),以及温度较低水体(黄色和绿色)中涡旋的温度结构特征,冷的多的水从北卡罗来纳州的哈特拉斯角的纬度流向纽约所在的纬度(蓝色)

  注意佛罗里达东南部(图中黑色半岛部分)的高温区(橙色),以及温度较低水体(黄色和绿色)中涡旋的温度结构特征,冷的多的水从北卡罗来纳州的哈特拉斯角的纬度流向纽约所在的纬度(蓝色)。我们已经一步步了解了热盐环流。因为其强大的惯性、对气候的影响,以及对次级洋流的独特的作用,热盐环流被认为是最主要的大洋环流。文中的几张图片有利于我们理解其重要性。最重要的特征无疑是其1600年的循环周期[8]:它的速度最大约达10公里/小时;平均速度却小于1公里/小时,这主要是受制于主流及其边界之间产生的巨大的自旋涡旋。

  以墨西哥湾流为例,它地处佛罗里达和欧洲大陆之间,可以看作是一条穿插在无数缓缓自旋着的涡旋中的、宽度超过100公里的大河。假设这条暖流仅浮在温跃层之上,那么它的深度约有50米,由此可以推知北大西洋的这条环流的海水输运量可以达到每小时数十亿立方米的量级。

环境百科全书-缓慢而强大的大洋环流-洋流的多样性图示
图8 洋流的多样性图示
[来源:©Yuvanoe/AEC, 已授权]

  图8在图6的基础上,显示出了各具特点的表层流的多样性,它可以看成是根据大陆及浅水进行划分的。其中一些表层流极具代表性,如洪堡德洋流是由南极绕极流被南美洲西海岸截停并产生向北的分流而形成的。洪堡德洋流对ENSO(厄尔尼诺-南方涛动现象)具有决定性的影响,控制ENSO冷(拉尼娜)暖(厄尔尼诺)的相位转换,这种转换的影响最远可波及欧洲。

  不用深入地研究整套洋流系统,我们仅从图6和图8就可以看出海岸带的重要性:阻碍环流运移、改变其方向并产生大量的次级流涡。应当补充的是,海洋的某些部分是以其海岸形成的几何形状为特点或加以区分的,如加勒比海,就几乎被其北边和西边的墨西哥湾、南边的加勒比群岛完整地包围住。

8. 大海——最广阔的自然保护区

环境百科全书-缓慢而强大的洋流环境-发生塑料污染积累的5个主要流涡
图9 发生塑料污染积累的5个主要流涡 [来源:NOAA /公开资源]

  我们在读儒勒·凡尔纳[9]的作品的同时也要知道,不能将海洋简化为浩瀚的一池清水。河流径流及降水为海洋带来悬浮物质和有机残渣,陆地及海洋的淡水蒸发再通过各种降水形式回到地面,参与全球水循环。所有的这些物质,不论是矿物还是有机质,最终都归于大海,它们在大海中沉积,而大海也有着相当的能力去容纳它们。这些物质有一部分能够供养生活在其间的海洋动物及植物,而另一部分积聚在海洋底部,构成沉积物,这些沉积物可能是未来某个地质时代的大陆的土壤。

  流涡可以通过向心力将像塑料这种比水轻的难降解物质聚集[10]。如今,科学家已经将这种现象记载在册(见《海洋中的塑料污染——第七大陆》),图9中着重标注了五个流涡,上千吨塑料物质贮存其中,组成了人们所说的第六大陆。

  即使是在最平静的情况下,大海也不是静止的,它被强大的海流切割,尤其是在热盐环流回路最深的部分。我们甚至可以看到它控制着所有其他的环流。因为热盐环流速度缓慢,我们才可以用假静态去描述海洋环境,但同时,其输运的海水在移动过程中对大气循环、气象及气候的影响都是不容忽视的。

环境百科全书-缓慢而强大的洋流环境-鱼与珊瑚
图10 海洋生命示例:鱼与珊瑚 [来源:NOAA /公开资源]

  35亿多年前,海洋曾是生命的摇篮。在近30亿年的时间里,它一直是唯一可以让生命进化和多样化的环境,这一情况持续到某些物种设法通过向地球大气充氧来彻底地改变大气环境,然后迁移到陆地上并开发新的生存发展环境(见“拉马克和达尔文:对生命世界的两种不同看法”(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/life/lamarck-and-darwin-two-divergent-visions-of-living-world/))。这也表明,我们这个星球的生物多样性大部分是在海洋环境中发现的(图10)。据估计,海洋环境中的物种数量在500万至1000万之间,其中许多物种仍然未知。相比之下,陆地上的物种只有大约130万种,其中有85万种是昆虫。

9. 知识点

  • 由于完整环流的周期约为1600年,热盐环流在各大洋之间穿行的速度是极低的,即便如此,其运送的水量也是极其庞大的,这也使得热盐环流具有十分强大的惯性。
  • 信风交汇产生了大西洋缓慢的赤道东风流,从而引起热盐环流。由于环流无法穿越美洲大陆,产生了北大西洋的墨西哥湾流。
  • 在格陵兰岛附近,墨西哥湾流变重下沉,进入南半球,流经非洲和南极大陆。
  • 南下的墨西哥湾流分出几个分支,其中两个分支分别北上印度洋和太平洋,在其中变轻回到表层,再在陆地的阻挡之下回流到大西洋,构成了完整的环流回路。
  • 在各大洋中,表面洋流被变缓的旋涡所减慢。其中一些形成流涡,通过向心力聚集了大量的轻垃圾,如塑料物体。
  • 热盐环流和次级环流对气象及气候有相当大的影响,而两者是其中最为稳定的要素。

参考资料及说明

图片封面:环绕着大地的辽阔海洋 [来源:Royalty Free Image]

[1] 国际水文测量组织,迷你维基网(https://fr.wikimini.org/wiki/Organisation_hydrographique_internationale).

[2] “haline”这个后缀起源于希腊单词alos(“αλ ο ο ζ, sel”)以及“alinos”(“salin”)。

[3] 来自拉丁语aequis(相等)和nox(夜晚)组成的aequis,用来定位白天和黑夜相等的日期。

[4] 由加斯帕德古斯塔夫·科里奥利(Gaspard Gustave Coriolis, 1792-1843)提出,这个力使我们能够以地球上的观察者为参考模拟运动,尽管它不是伽利略参考。由于地球绕着轴向正方向旋转,地球观察者看到所有不在这个方向上的物体的轨道都向相反的方向偏转。这种偏差在赤道为零,在两极最大,在北半球为右,在南半球为左。更多细节可以在我们的文章《大气环流》中找到(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/air-en/atmospheric-circulation-organization/).

[5] 在西欧海岸和加拿大东部之间,在给定纬度10到15°C量级的冬季温差中,墨西哥湾暖流所占的份额要比急流引起的西向气流所占的份额大得多。

[6] 直布罗陀海峡太窄,吸收不了这一洋流的很大一部分。另一方面,英吉利海峡,就其规模而言,允许大量的水流渗透,从而产生诺曼底海岸的强潮汐。然而,就大西洋的规模而言,这样的流量仍然只是中等。

[7] 一般来说,当一种液体混合物固化时,溶剂和溶质这两种相总是可以区分的,这两种相在固态和液态时的溶解度是不一样的。这导致液相与溶质的富集,在文中的情况下,在带盐的浮冰附近的海水富集。

[8] 相比之下,像喷流这样的气流,其速度可达每小时300公里,只需几天就能绕地球一周 (见《喷流》一文(https://www.encyclopedie-environnement.org/en/air-en/jet-streams/))

[9] 海洋是大自然的巨大蓄水池,这是出自儒勒凡尔纳最著名的作品之一《海底两万里》的说法。这部小说于1869年至1870年以连载形式首次出版,是世界上翻译次数第五多的书,已被广泛改编成电影和电视。

[10] 在旋转流体微团中,离心力使较重的部分向外偏转;相反,向心力使较轻的部分向内偏转。


译者:郎立晨          编审:肖康          责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: MOREAU René (2021), 缓慢而强大的大洋环流, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/eau-zh/slow-powerful-ocean-circulation/.

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