热盐环流最新研究进展【毕业论文】.doc

1、本科毕业论文（20 届）热盐环流最新研究进展所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要 热盐环流 (Thermohaline Circulation, THC)是地球气候系统中的一个重要组成部分，是北半球经向热量输送的重要承担者。历史重建资料及数值模拟结果显示，其变化对全球气候产生明显影响。近年来, 有关历史及当前气候变化的研究, 使得人们直接关注到大洋热盐环流的作用。大洋热盐环流的稳定性、变率以及与之相联系的极向热输送, 将对局地和全球气候产生显著影响, 是气候系统的重要调节器。通过对热盐环流进行数值模拟，我们可以对海洋进行更科学的开发和利用。本文

2、首先将阐述热盐环流研究的重要意义及其发展过程，随后将详细介绍热盐环流与气候变化联系、热盐环流年际变化及稳定性和热盐环流的数值模拟等方面的最新研究成果。希望能通过本文对热盐环流的基本内容有一个很好认识。关键字 热盐环流；数值模拟；气候变化IIAbstract Thermohaline circulation is an important part in the Earths climate system which is a major burden of the Northern Hemisphere meridional heat transport. The reconstruction

3、 of historical data and numerical simulation results both show that the change of Thermohaline circulation significant impact on global climate. In recent years, information on past and current research of climate change makes people directly concerned about the role of the ocean thermohaline circul

4、ation. Stability, variability and poleward heat transport which associated with Thermohaline circulation will have a significant impact on local and globle climate, is an important regulator of the climate system. Through the numerical simulation of thermohaline circulation, we can conduct more scie

5、ntific marine development and utilization. This paper will explain the importance of the thermohaline circulation and the development process, Thermohaline circulation will be followed by detailed links to climate change, annual change and thermohaline circulation stability and numerical modeling of

6、 the thermohaline circulation of the latest research results. Hope that through this paper, we can have a good understand on the basic content of the thermohaline circulation.key words Thermohaline Circulation;Numerical Simulation ;ClimateIII目录引言 .11.热盐环流的基本内容和研究现状 .21.1 热盐环流的基本概念及其重要意义 .21.2 大洋热盐环流

7、研究发展历程和相关研究成果 .31.2.1 G乌斯特（ Wust）首先发现深海洋流 .31.2.2 斯托梅尔深海洋流全球结构基本理论 .41.2.3 K.威尔奇特在数值上讨论热盐环流 .41.2.4 黄瑞新等关于温跃层与各大洋之间的相互作用关系的研究 .41.3 大洋热盐环流的动力机制研究 .41.3.1 大洋深海环流驱动的两个假说 .51.3.2 驱动深海环流的新观点 .61.4 大洋热盐环流稳定性及多种平衡态的研究 .71.4.1 大洋热盐环流百年到千年尺度的内部变率研究 .71.4.2 大洋热盐环流年代际变率的研究 .81.4.3 大洋热盐环流的多平衡态及其气候效应 .92.大洋热盐环流

8、主要研究方法 数值模拟研究的内容和发展历程 .112.1 大洋热盐环流数值模拟研究发展的两个阶段 .112.1.1 利用概念模式进行理论性研究阶段（ 60 年代至 80 年代） .112.1.2 三维纯大洋环流模式和海气耦合模式进行模拟研究(80 年代以来) .123.大洋热盐环流研究热门领域及主要内容 .143.1 大洋热盐环流与气候变率的关系 .143.1.1 海气陆耦合气候系统模式（ GOALS）下热盐环流与气候变率的研究 .143.1.2 全球海气耦合模式中热盐环流对大气强迫的响应 .163.2 温室效应对大洋热盐环流的影响 .183.2.1 热盐环流强度与海表温度的变化 .183.2

9、.2 温室效应与热盐环流相关的结论 .193.3 热盐环流对大西洋沿岸气候影响 .193.3.1 热盐环流强弱变化对降水分布的影响 .203.3.2 热盐环流对大西洋沿岸气候影响的相关结论 .214.讨论和总结 .22参考文献 .231引言随着社会经济的发展，作为人类生存发展第二空间的海洋受重视程度越来越高，人类开始进入探索、研究、利用海洋的新时代。作为当前国际战略争夺的“内太空” ，谁能在海洋开发中走在前列，谁就能在未来的经济竞争中占据主动地位。海洋与大气之间相互作用，共同影响气候的变化。海气相互作用对气候变化的影响越来越受到人们的重视。近年来对与之相关的理论如：大气涛动、ENSO（厄尔尼诺

10、）理论、热盐环流等进行了大量研究。20 世纪 90 年代提出的热盐环流，在气候变化中起着重要作用，他是气候变化的一个重要因子。热盐环流（Thermohaline Circulation, THC）也称全球海洋循环，它指在北大西洋表面有一支向北的暖高盐度洋流，这支洋流到了北大西洋北部海水冷却下沉，在低层向南流到南极，形成环南极的深水，其中一支洋流流向印度洋，在印度洋上升到表层后，向西南回到南大西洋；另一支则向太平洋，在北太平洋上升，向西南经印度尼西亚流向印度洋转向南大西洋，最后从南大西洋流向北大西洋，完成一个循环。热盐环流实际上是热盐流与风生流共同组成部分的大洋环流，在大西洋比较突出。热盐环流是

11、指海洋中由海水密度驱动的大洋环流，而由海表风驱动的另一类大尺度海洋环流被称为风生环流。海水密度由海水温度、盐度及压力决定，因此，改变海水温度或盐度就有可能改变或影响热盐环流。大量古气候观测及数值模拟工作表明，大洋热盐环流与全球气候有显著的相互作用。研究也表明，大洋热盐环流变异呈突变型，即在年代际时间尺度上可发生很大的变化，进而引起气候突变。研究表明，大洋热盐环流对东亚气候有潜在的影响。气候学家们对未来是否会发生由热盐环流崩溃引起的气候突变有极大的争议。不过在地球历史上的确曾多次发生过由大洋热盐环流突然变化（年代际时间尺度）而产生的气候突变，但未来是否会发生这样的气候突变则需要进一步研究。我们所

12、讨论的气候突变是指与大洋热盐环流变化有关的气候突变。 21.热盐环流的基本内容和研究现状1.1 热盐环流的基本概念及其重要意义热盐环流是全球尺度的深海大洋流动现象，又被称为温盐环流或者大洋传输带 1。热盐环流控制着全球大洋 90%的水体运动，对地球气候系统起着至关重要的调节作用，并且可能是触发气候突变的重要因素之一。而一部好莱坞大片后天也使得它不再仅仅只受到学术界的重视，也越来越多的得到公众的关注，因此目前热盐环流也已成为大洋环流研究中的一个新热点。盐度和温度主要决定着海水的密度，温度越低、盐度越高海水密度越高，位于表层风生流之下的深层洋流运动受到风及其他因素干扰较小，高纬地区高密度的水团在重

13、力的作用下下沉，而赤道地区低密度较轻水团则上升，并相互补充形成全球尺度的环流。因此，这种由密度梯度驱动的深海洋流，被称为“热盐环流” 。当代大洋热盐环流主要发生在大西洋地区，以大西洋输送带环流为主。北大西洋副极地海域低温水团，在冷却作用和海水结冰时盐析作用的共同影响下，表层海水密度骤增，并在重力作用下下沉。在此过程中，位势能转化为动能，驱动水团向赤道方向流去。与此同时，低纬度地区海水受到加热作用影响密度减小并逐渐上翻，并在较浅的深度从低纬流向高纬。两股海流相互作用形成闭合环流，构成大洋热盐环流的基本结构。热盐环流是一种全球性的温度、盐度循环系统，它对于维持全球气候系统的平衡，实现全球能量输运都

14、起到了至关重要的作用。在北大西洋高纬地区下沉的低温、高盐海水，自深海向南流向赤道，一直到达南极圈。它在南太平洋、南大西洋和南印度洋上升至海表，流向北太平洋、北大西洋和北印度洋，并汇合成一支暖而低盐的洋流，自热带太平洋向西穿过印度洋，绕道非洲南部，最后到达大西洋一直向北，从而形成一个闭合环流。其中，在北大西洋海域，海水表层向北、深层向南的传送，可以不断地将低纬地球赤道附近的高温、低盐海水带到中高纬海域，从而缓和中高纬度地区温度变化，对维持全球气候系统平衡、能量传递起到重要作用。3图 1 全球尺度热盐环流1.2 大洋热盐环流研究发展历程和相关研究成果海洋学家在研究物理海洋的过程中，习惯上把大尺度洋

15、流分为上层的风生流和深海的热盐环流。目前，人们已经对海表附近的风生环流有了较好的认识，但是受到观测技术和相关科技手段的限制对深海的热盐环流认识还很不足。海洋是一个开放的、具有多样性的复杂系统，其中有各种不同时空尺度和不同层次的物质存在和运动形态。海洋的开发和利用，依赖于科学技术的进步。人类虽然早已登上远离地球 384400km 的月球，却至今仍然没能下潜至只有10km 之多的地球海洋的最深处进行直接探测，海洋的探索和研究更具有挑战性。人类研究海洋的历史非常悠久，从海洋科学发展的历程看，可以分为三个历史时期。从史前到 18 世纪末为海洋学建立以前的时期，是海洋知识逐步获取和累积的时期；从 19

16、世纪到 20 世纪 50 年代，是海洋学建立和发展时期；自20 世纪 50 年代末以来，为海洋科学在全世界范围内向深度和广度发展的时期。在此时期，大洋深海环流研究进入了高速发展的阶段。1980 年以后，有关机构提出了几项为期 10 年的海洋考察计划，计划采用多种手段研究全球尺度的大洋环流及其所输送的热量对气候的影响。1.2.1 G乌斯特（Wust）首先发现深海洋流1935 年 G乌斯特（Wust）根据大西洋深处溶解氧含量的分布于地转流的计算指出，沿大洋西边较窄的地带内，在南半球存在着一支沿洋底向北运动速4度较快的流动，在北半球则有沿着西边在底层水之上向南的运动，后来中性浮子的观测证实了这一结论

17、。1.2.2 斯托梅尔深海洋流全球结构基本理论斯托梅尔提出了大洋热盐环流的一种模式，他认为由于海水体积的守恒性，高纬下沉的海水必然引起大洋内存在海水的上升运动。除了南极海面辐散带以外，他根据大洋主温跃层实际上是稳定的这一事实，提出了海水下沉是局部的，但上升运动遍及整个中纬度海区。理由是低纬度海区每年有净得热量收入，如果没有下面的冷水上升的补偿，则主温跃层会增深。斯托梅尔得到了关于全球深海环流的以下几个观点 2：1、全球深海洋流在每个层次都稳定的，且都是依靠地球自转驱动；2、在西边界的一个狭窄面上，地球自转强烈的驱动着这个边界流；3、全球深海环流是永不停息的，在各种作用的驱动下源源不断的流动着。

18、1.2.3 K.威尔奇特在数值上讨论热盐环流K.威尔奇特（1961 年）从数值上讨论了一种经向热盐环流，考虑海洋上层与表层的向极流，高纬海区高密水下沉，在深层向赤道方向散布，以及海水通过主温跃层上升，通过海洋上层热平衡的研究，推断上升的速度为（1-5）10-7m/s。假设水的传输率平均为 45106m3/s，则海洋热盐环流的总周期为1000 年左右，北大西洋约为 500 年，而北太平洋为 2000 年以上。现代大洋完成一次循环的时间尺度为千年量级 3。1.2.4 黄瑞新等关于温跃层与各大洋之间的相互作用关系的研究黄瑞新等通过对风生洋流和热盐环流的理论和数值研究、海洋环流与气候动力学联系，提出了

19、热盐环流驱动理论的新观点。黄瑞新等人认为机械能是驱动热盐环流的主因，特别是是风应力和潮汐扩散是机械能的主要来源，从根本上挑战了传统的浮力驱动理论。1.3 大洋热盐环流的动力机制研究目前，海洋学家们主要通过现场观测、理论分析和数值模拟等手段研究热盐环流相关问题。除此之外，人们一直试图通过试验研究的方式寻找其驱动机制，以便从根本上搞清热盐环流这一全球尺度的深海环流的动力来源，从而更好的掌握其运动的本质规律。大洋热盐环流主要涉及“深水的形成”和“经向翻转流”两个方面，但由于观测资料和科技手段的限制，我们对其认知甚少，因此，热盐环流的本质驱动机制仍在争论之中。51908 年，桑德斯勒姆通过试验首次揭示

20、了大洋深海环流的驱动机制，被称为“桑德斯勒姆定理 4”。桑德斯勒姆利用“热机”原理解释了大洋深海环流的驱动，他认为是上层海洋赤道与极地间的温差驱动深海环流，并利用相关实验进行验证。但随着人们对大洋深海环流认识的不断加深，此观点受到了越来越多的争议：一、海洋“热机”的效率极低，仅为 10-710-6 量级，这远不足以把海面在低纬度所接受的太阳辐射与高纬度向外辐射的热能转化为维持深海洋流所需的机械能；二、通过现代试验观测发现， “海洋热机”学中深海经向环流强度应和赤道与极地间的温度差成正比的观点，越来越无法解释许多古气候记录。围绕着海洋是否为“热机”的争论，已经持续了 100 多年。1.3.1 大

21、洋深海环流驱动的两个假说1.3.1.1 深海环流的传统浮动力驱动理论 “海洋热机”学派二十世纪中叶，美国海洋学家斯托梅尔 5等建立的深海环流理论为我们今天普遍接受的大洋深海环流奠定了动力学基础。科学实验研究发现，海洋和大气的热源位置不同。大气在空间立体上分为内外两层，太阳辐射绝大部分被地球表面吸收后再以感热和潜热的形式加热大气内层，而外层空间则作为冷源，从而驱动了大气环流，这就是典型的Rayleigh-Benard 对流。不同的是，海洋则为一个平面结构，由于地球自转和距离太阳远近的原因，海洋在低纬度海区加热、高纬度海区冷却，但是都在同一高度上。斯托梅尔在深海洋流全球结构基本理论 6中认为，正是

22、由于太阳辐射在高低纬度不同，导致海水受热不均，赤道极地的海表温度逐渐降低形成温差和盐度差产生密度梯度，从而驱动了深海环流。这是现有热盐环流驱动机制研究的一个基本出发点，称之为斯托梅尔浮力驱动假设。1962 年，斯托梅尔为研究现代大洋的深海环流形成，设想了这样一个实验装置：将一排垂直导管的端底与蓄水池相连，顶端则用一个具有温度分布的水平管道连接。通过不同温度实现极端不对称性：冷却端的下沉区域很小，而加热端的上升区却很大。在此基础上，Rossby 7做了一系列相关实验验证。在绝热的方形容器内，在底部分别加热和冷去以确保整个底部地区有明显的温度差。由于受热不均产生的温度差，使得容器内底部水体在冷热区

23、域间产生快速流动，并带动整个绝热容器内水体发生环流。在一定程度上，我们可以将容器底部看成是海洋表面，热源和冷源分别代表低纬和高纬地区的受热不均，因此，整个世界大洋也必将存在这样一个由温差形成的环流体系。由此推论：一个水平分布的热强迫驱动了一个贯穿整个深度的环流。6斯托梅尔假说和罗斯比实验构成了“海洋热机”学说的基础。目前，在大洋深海环流的研究中居主导地位，称之为“海洋热机”学派。1.3.1.2 深海环流机械能驱动理论 海洋非“热机”学派近十年来，随着人们对热盐环流认识不断加深，海洋学家们越来越认识到斯托梅尔假说的局限性。Munk 和 Wunsch8、黄瑞新 9和 Nillson 等 10针对热

24、盐环流驱动机制提出新的观点。他们认为热盐环流应该是一个由风和潮汐提供驱动传输热量、淡水以及其他物质的经向翻转流，而被“海洋热机”学派认为是主要动因的海表热通量和淡水通量则是建立热盐环流的前提条件。于是，海洋混合所需的机械能成为模式的外参量，且该参数随着气候变化而改变。当忽略潮汐能量对大洋环流的贡献时，海洋和大气可以联合起来工作就像一个热机；尽管单一大气也可以视为热机，但是新的观点认为，由于海洋把热能转化为机械能的效率极低，海洋就不能被称为“热机” 。二十世纪初，瑞典海洋学家 Sandstrom 就通过试验证明了上述观点。Sandstrom 在海洋系统遵循机械能守恒的基础上设计了如图 2 所示的

25、试验装置。该实验其实是将 Rossby 所做实验做了相应的改进，进行了更加全面细致的对比。实验中，热源和冷源的位置关系分别为：热盐位于冷源之上，此时观察不到环流，只有稳定的分层现象；热源位于冷源之下，有明显的环流产生；当热源与冷源位于同一高度时，也不出现环流。因此，Defant 11总结 Sandstrom 实验得到热对流能够驱动深海环流的基本条件：只有加热位置低于冷却位置时，系统能不才能存在闭合的稳定环流，并命名为 Sandstrom 定理。按照实验及相应结论：大气在下垫面受热、上边界冷却，因此大气是热机；相对海洋而言，虽然由于热膨胀等原因可以大致低纬度区域海平面比高纬度区域高 1m，但海洋基本上可以近似为相同水平面的海表在低纬度加热高纬度冷却的系统，故海洋不是“热机” 。图 2 Sandstrom 实验示意图(a)加热位于冷却之上 (b)加热位于冷却之下 (c)加热和冷却处于同一水平位置