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AMS百年评述论文译介

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海洋环流研究百年进展 发布日期 :2021-05-13  

 作者:Carl Wunsch(美国麻省理工学院和哈佛大学);Raffaele Ferrari(美国麻省理工学院)

 编译:郑秋红 贾朋群

摘要在过去的100年中,对海洋环流认识的核心变化是,它是一种具有强烈的时间依赖性、由有效的湍流和波浪主导的流动。早期洋流观测技术仅能够支持描述大规模的准稳态流。随着过去50多年来的电子革命,地球物理流体动力学的出现,海洋环流的强非均质时间依赖特性最终被呈现出来。现在,中尺度(平衡的)、100km水平及更短尺度下的次中尺度海洋涡流以及内波,被认为是海洋环流系统许多行为的中心。人们认识到,海洋环流既涉及涡流,也涉及具有主导要素的更大尺度的流动,它们的相互作用在经典涡流、边界流区域、南大洋和热带地区各不相同。

1 引言

  在过去的100年中,人们对海洋环流的认识,从把它视为本质上是一种层状、稳态、缓慢、几乎是地质的流动,转变成认为它是一种不断变化的流体,这种流体最典型的特点是强烈的湍流,其动能以时变流为主导。目前已知,这种变化的空间尺度范围从1毫米(能量耗散发生的尺度)到地球直径的全球尺度。海洋是地球气候系统的关键要素。

  虽然海洋和大气都可以被视为全球尺度的流体,具有类似的物理机制,但直至近代,对海洋的理解大大滞后于大气。与几乎所有的流体动力学一样,认识的进步需要在理论描述和观测或实验室测试之间的密切结合。与大气相比,海洋对电磁辐射几乎是不透明的,船只可到达的表面处于持续的、有时是灾难性的运动中,海洋对过去状态的记忆可以延伸到数千年。总之,随着观测技术的发展,理论上的认识也在进步。直到近年来,随着海洋观测技术的重大进步,物理/动力海洋学才结束了仅能作为动力气象学的初级合作伙伴的地位。海洋与大气重大物理机制的差异包括,但不限于:1)经向大陆边界阻挡了否则会成为主导的纬向流动;2)加热主要发生在表面而不是在底部;3)海水密度大得多,热膨胀系数小得多;4)海洋总体上呈稳定分层。这些是主要的动力差异,还存在许多其他物理差异:辐射过程和湿对流对大气有很大的影响,大气没有与海洋中盐的作用类似的物质。

  下一步主要是给出过去100多年认识海洋一般环流演化关键要素的概要图。考虑到多样要素形成的对环流的认识,包括物理海洋学更宽泛领域的几乎所有内容,读者必然能发现在包含的内容、不包含内容和解释等方面的很多不同。偏重英语文献肯定存在。我们仅涉及随着计算机、海洋的数值表示的出现带来的进展,因为它是一个独立主题,对物理海洋学来说并非独一无二。所有的学科都发生了革命。

  本章将概述过去100多年来对海洋环流认知的主要进展。特别是,我们的主题涉及观测能力的发展及其带来的认知进步。直到相对最近的时期,主导全球海洋的观测和认知的主题是什么才出现了困难。

2 1945年以前的观测和解释

  任何物理海洋学连贯历史绝不会始于1919年而是在19世纪,因为那时为随后的所有事情设立了舞台。一个完整的历史要追溯到最早的海员[见,例如,Cartwright(2001)描述了始于500BCE的潮汐科学,Warren(1966)描述了早期阿拉伯对索马里海流的认识,Peterson et al.(1996)给出了综述]和延续到现代科学随伽利略、牛顿及很多其他人的出现。十九世纪之前,海洋学在很大程度上是制图工作,图1是根据船舶日志推断绘制的1768年左右的北大西洋海表流场,其中有本杰明•富兰克林-蒂莫西•福尔格湾流(Benjamin Franklin-Timothy Folger Gulf Stream)叠加在西侧。任何航海家,包括在最早的史前时期,都会对这种产品非常感兴趣。直到十八和十九世纪,欧拉方程与纳维-斯托克斯方程的出现,海洋学才成为一门真正的科学。直到1948年,施托梅尔(Stommel)才指出,在美国东海岸表现为湾流的强烈的西部洋流增强,是一种需要解释的流体动力学现象。

  在十九世纪中叶,人们对海洋进行观测所面临的最基本问题是航海:是在哪里进行的测量?第二个严重的问题是确定海洋有多深,以及它如何随位置变化。导航几乎完全基于天体方法和对太阳、月球和恒星的观测能力,结合观测员的技能,其中包括将测量结果复杂地还原到有用位置的能力。不出所料,还原的位置可能距离准确位置几百公里。只有在极少的地方才能知道水深,在这些地方船舶可以停几个小时将重物沉入海底,从而测得一个粗放的数值。19世纪北大西洋海水深度估计的一个例子见图2。直到第一次世界大战后回声探测的发明,才找到了真正能测量海洋深度的办法。

  现代物理海洋学通常可以追溯到1873—1875年的英国挑战者号探险,它绘制了第一张全球尺度的温度和盐度分布草图(有关其温度数据的现代分析,请参阅文献Roemmich et al.(2012))。

  十九世纪晚期海洋学家最卓越的成就之一是开发了一种纯机械系统(非电气系统),该系统允许船上的科学家以0.01℃的温度精度和0.05g/kg的盐度精度进行剖面测量(Helland-Hansen and Nansen 1909,p.27)。在平均深度约4000m的整个水柱上,该系统的深度误差仅有几米。该仪器系统基于颠倒温度表、南森瓶和滴定化学,利用其测量结果可以绘制出海洋温度和盐度的基本三维分布。但进行这种测量需要乘船花数小时或数天的时间前往各个地点,费用非常昂贵,全球勘探花费了几十年的时间,图3展示了相关测量结果(包括季节性混叠在内的采样问题,见Wunsch(2016))。

  还开发了测量海流的机械系统。Ekman的海流计是一种纯粹的机械装置,它以一种特别有趣的方法来记录流向(Sandström and Helland-Hansen 1905)。事实证明,与水文测量相比,速度测量更具挑战性,因为流场主要是快速变化的小尺度流,而不是稳定的大尺度流。关于观测历史的更多细节,请参阅Warren and Wunsch(1981)、Warren(2006)、Sverdrup et al.(1942)、Defant(1961)Stommel(1965)的第1章。

  最基本发现是,几乎所有地方都有一个永久的“温跃层”/“盐跃层”结合层,深度范围通常在表面下800米内,在那里,温度和盐度随深度迅速变化。人们还认识到深海非常非常冷,水只能来自极地附近的表面(Warren 1981)。

  物理海洋学最重要的早期进展直接源自气象学“地转流”概念的发展(压力和科里奥利加速度之间的准稳态平衡),来自卑尔根学派。Bjerknes的环流定理,由Helland–Hansen简化,用于稳态环流(Vallis 2017),被认为适用于海洋。即使有了这个强有力的思想,对海洋环流的理解也落后于大气,因为海洋学家面临着气象学中不存在的另一个复杂问题。