█ 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）和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。