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气候变化日益成为人类关注的焦点,而大洋环流,尤其是深海环流,对气候系统不同时间尺度的变化都起着重要的调制作用,越来越多的研究开始从海洋中寻找影响和预报气候变化的因子。而对于大洋环流的认识远远没有达到完善的地步,本文利用惯性理论,在保留方程非线性项的基础上,通过求解三维位势涡度方程,得到了深海环流的分布特征,通过求解经圈平面上的涡度方程,得到了经圈环流翻转环流的结构。
深海西边界流受到海表流场及海底地形的共同影响,深层水的形成并不是西边界流形成的主要原因。水平流场的分析表明,海表的地转流分布随着深度的增加会逐步减弱,到一定深度上,流向会完全发生转向,这在大西洋表现得最为明显,这也是北大西洋深层水形成之后可以沿西边界向南运动抵达南半球参与到全球性的深海环流中的重要原因。在太平洋,由于西太平洋海表副热带涡旋强度较强,流向可以一直维持到深海,且赤道西太平洋海底地形较为复杂,北太平洋深海向南的西边界流在北半球中纬度即转向东流,基本不能沿着西边界越过赤道抵达南半球。
根据计算可知,北大西洋深层水的形成并不是深海环流形成的原因,同样,北太平洋没有深层水的形成,也并不是深海太平洋不存在向南的西边界流的原因,相反,深层水在深海的分布是深海环流的结果。
深海环流的主要特点是北大西洋深层水和南极底层水在全球范围内的再分配:北大西洋深层水沿西边界向南越过赤道参与到南大洋的绕极环流中,达到印度洋时,沿西印度洋中央海岭进入印度洋,顺着大陆的轮廓逆时针流动,最终从印度洋西边界流出,到达太平洋时,沿着太平洋中央海岭向北进入太平洋,抵达赤道附近时,一部分向西参与到副热带涡旋中,另一部分向北,进入到中高纬度的气旋性涡旋之中,这就是所谓的“大洋输送带”的在深海的主要路径。南极底层水形成之后,向北扩散到三个大洋中。
将整个大洋的经圈环流归结为一个完整的理论模型,表层的经圈环流主要由风应力驱动,深层环流主要受到内部动力学过程制约,环流的结构由二者的相对大小决定。
选取合适的参数,计算结果体现了大洋经圈翻转环流的主要特点,即表层的风生环流,深层环流(北大西洋深层水)及底层环流(南极底层水)。理论分析表明,深层经圈环流的结构主要受到运动的经向尺度,海水的层结及惯性边界层厚度的影响。环流随纬度的分布主要受到β效应的影响,这使得理论上深层环流的分布以赤道为中心,向南北两极对称延伸,而环流随深度的变化则较为复杂,需要具体分析。调整参数的值,可以使风应力的影响抵达海底,也可以使深层环流的影响扩展到海表附近,这表明经圈环流受到多种因素的影响。