《深海环流》课件

深海环流深海环流是地球海洋系统中最为神秘而重要的组成部分，它像一条巨大的传送带连接着世界各大洋盆地这个全球性的循环系统不仅调节着地球的气候，还影响着海洋生态系统和人类社会的发展深海环流主要由热盐环流和风生环流构成，它们相互作用形成了复杂而精密的海洋循环网络本课程将深入探讨深海环流的形成机制、运动特征以及对全球气候系统的重要影响我们将从海洋的基本结构开始，逐步了解热盐环流的驱动机制，分析深海环流与气候变化的关系，并展望未来的研究方向导言海洋环流系统全球覆盖范围气候调节功能海洋覆盖地球表面的面海洋环流是地球气候系统的重71%积，总体积约亿立方千要调节器，它通过热量和水分

13.7米海洋环流系统连接着太平的输送影响着全球气候格局洋、大西洋、印度洋和北冰洋，海洋储存了地球表面的93%形成了地球上最大的流体运动热量，并通过环流系统在不同系统这个庞大的系统每时每纬度和深度之间进行再分配，刻都在进行着物质和能量的交缓解了地球表面的温度差异换科学研究意义深海环流研究对于理解气候变化、预测未来气候趋势具有重要意义通过研究深海环流的变化规律，科学家可以更好地预测气候系统的演变，为应对全球气候变化提供科学依据海洋的分层结构阳光层表层米，光合作用活跃1200暮光层2米，光线微弱200-1000深海层3米以下，黑暗寒冷1000海洋按照光照条件和生物分布可以分为三个主要层次阳光层是海洋表层，阳光充足，是海洋中生物多样性最高的区域，大部分海洋初级生产活动都发生在这里暮光层光线逐渐减弱，生物种类开始减少，但仍有许多适应弱光环境的特殊生物深海层则是一个黑暗、寒冷、高压的极端环境，生物种类相对稀少，但都具有独特的适应性特征海洋的深度分布浅海区米0-200阳光充足的区域，是重要的渔场和旅游区，大陆架主要分布在这个深度范围内这里的海水温度相对较高，生物活动频繁，是人类海洋活动最集中的区域中层带米200-1000光线昏暗的过渡区域，是许多深海生物的重要栖息地这个深度的海水温度开始显著下降，形成了重要的温跃层，对海洋环流的垂直结构产生重要影响深海区米1000-6000黑暗寒冷的高压环境，深海环流的主要活动区域这里的海水密度大，温度低，是全球热盐环流的重要组成部分，承载着大量的深层水团运动深渊区米以下6000地球上最极端的环境之一，包括海沟等特殊地形这里的水压极高，温度接近冰点，是地球上最后被探索的区域之一，对深海环流的最深层循环具有重要影响海洋环流概述2深层环流由温度和盐度差异驱动表层环流1主要由风力驱动，影响深度约米200全球输送带连接各大洋盆地的环流系统3海洋环流是一个多层次、多尺度的复杂系统表层环流主要受大气环流系统驱动，流速快但影响深度有限深层环流则由海水的密度差异驱动，虽然流速较慢，但影响范围更深更广这两个系统共同构成了全球海洋的大洋传送带，实现了热量、盐分、营养物质在全球海洋中的输送和交换，对维持地球气候稳定发挥着至关重要的作用海洋环流的驱动力风力驱动温盐差异潮汐力量大气环流通过风应力海水温度和盐度的差月球和太阳的引力作作用于海面，产生表异导致密度变化，形用产生潮汐，对局部层环流和次表层环流成密度梯度，驱动深深海混合过程具有重风力是海洋表层环流海环流这是热盐环要贡献，影响深海环的主要驱动力，形成流的基本机制流的强度和分布了各大洋的环流圈地球自转科里奥利力影响海流的方向，使北半球的环流向右偏转，南半球的环流向左偏转，形成特定的环流格局全球性大气环流与海洋表层环流三圈环流模型哈德莱环流、费雷尔环流和极地环流构成大气三圈环流海洋表层驱动大气环流产生的风系直接驱动海洋表层环流季风影响季风环流对印度洋等区域海洋环流产生显著影响大气环流系统是海洋表层环流的主要驱动力全球大气环流形成的信风带、西风带等风系，通过风应力作用驱动海洋表层水运动三圈环流模型很好地解释了全球风系的分布格局，进而影响海洋环流的形态季风环流作为区域性的大气环流现象，对印度洋、西北太平洋等区域的海洋环流产生重要影响，形成了独特的季节性环流特征风生环流形成机制影响范围与流速空间尺度特征风应力作用于海面，通过摩擦力将动主要影响大洋上层米深度，大型风生环流系统直径可达数百至上100-200量传递给海水，形成表层流动埃克表层流速可达（如湾流）千公里，形成大洋尺度的环流圈这

2.5m/s曼输送理论很好地描述了这一过程，流速随深度增加而减小，在埃克曼深些环流圈的位置和强度与大气环流系表明表层流向与风向呈度角度处流向发生反转统密切相关45湾流系统特征100km海面宽度湾流在海面的宽度约为公里100-

1502.5最大流速表层最大流速可达

2.5m/s℃10温度梯度横向温度梯度达℃公里10/202000m影响深度可影响到海底米以下2000湾流是世界上最强的西边界流之一，具有显著的海洋学特征其狭窄而强劲的流动特征使其成为研究西边界流动力学的典型案例湾流的地转平衡状态表明其动力特征主要由压力梯度力和科里奥利力的平衡维持，这种平衡状态对其稳定性和路径具有重要影响湾流涡旋系统涡旋形成冷暖涡结构1流轴弯曲与主流分离产生涡旋南侧冷涡，北侧暖涡2涡旋运动生命周期4沿湾流相反方向移动3存在时间可达数年湾流涡旋系统是海洋中尺度过程的重要组成部分这些涡旋的空间尺度达到数百千米，对区域海洋环境产生重要影响南侧形成的气旋式冷涡携带较冷的陆坡水，而北侧形成的反气旋式暖涡则携带温暖的萨尔马索海水这些涡旋的运动和演变对海洋的热量、盐分和生物地球化学要素的输送具有重要意义热盐环流概述基本定义分布特征热盐环流是由海水温度和盐度变化引起的大尺度环流系统与风热盐环流主要分布在大洋中下层，占据了海洋的主要体积其流生环流不同，热盐环流主要由密度差异驱动，是深海环流的主要速相对较慢，但持续时间长，影响范围广热盐环流的空间尺度形式这种环流系统连接着全球各大洋盆地，形成了地球上最大可达全球大洋规模，时间尺度可达数百至上千年的物质输送系统热盐环流的动力机制1密度差异形成海水温度降低和盐度增加都会导致海水密度增大，形成垂直密度梯度2压力梯度产生密度差异在重力作用下产生压力梯度力，驱动海水运动3深水下沉过程高密度的极地冷水沿等密面下沉至深海，形成深层水团4全球环流形成深层水团在海底扩散，最终形成全球尺度的热盐环流系统热盐环流的全球输送带100000km环流总长度全球海洋传送带的总长度16M流量规模约万立方米每秒的流量16001000循环周期完成一次完整循环需要约年10001M热量输送相当于万座核电站的热量输送100全球热盐环流形成了一个巨大的海洋传送带系统，这个系统的规模和影响力令人震撼它不仅是地球上最大的物质输送系统，也是气候系统中最重要的热量再分配机制这个环流系统的任何变化都可能对全球气候产生深远影响北大西洋深层水形成区域主要在格陵兰海、拉布拉多海、挪威海等高纬度海域形成，这些区域冬季气温极低，有利于海水降温增密形成条件海水温度下降至℃左右，同时由于海冰形成释放盐分，导致海水密度显著增大-1下沉特征高密度水团下沉至米深度，形成北大西洋深层水的主体1500-3000水团性质温度约℃，盐度约，富含溶解氧，是全球深海环流的重要驱动力2-

334.9‰南极底层水形成环境极端特性主要在威德尔海、罗斯海等南极温度约至℃，盐度约-

0.50周边海域形成这些区域海冰覆，是地球上最冷、最密

34.6‰盖广泛，冷却和盐化过程强烈，的海水团这种极端的物理特性为南极底层水的形成提供了理想使其能够沉入海洋最深处条件全球扩散由于密度极大，南极底层水可沿海底向北扩散至北半球，甚至能够到达北大西洋，对全球深海环流产生重要影响核心层分析法1基本原理2应用方法核心层分析法基于海水保守性在大洋深处识别具有特定温盐原理，通过追踪海水特性（温特征的水团，确定其来源区域，度、盐度、溶解氧等）的分布分析其扩散路径和混合过程来推断环流路径和强度3科学意义为理解热盐环流的三维结构和时空变化提供重要手段，是现代海洋学研究的基础工具之一大洋深层水的运动特征活动深度流动速度运动方向主要分布在米以典型流速为主要受海底地形和科里

10000.01-下的深海区域，这个深，虽然缓慢奥利力影响，沿等深线

0.05m/s度范围基本不受表层风但持续稳定，具有巨大流动，形成复杂的三维力和季节变化影响的输送能力流场结构水团稳定性温度、盐度、溶解氧等特性在运动过程中保持相对稳定，便于追踪和识别深海环流与海洋层化层化结构1密度随深度增加呈阶梯状分布跃层形成2温度、盐度急剧变化区域混合层3表层米均匀混合区域0-100海洋层化是深海环流形成和维持的基础热盐环流塑造了大洋中下层的温盐分布特征，形成了稳定的密度层化结构这种层化不仅影响着垂直混合过程，也决定了不同水团的运动路径跃层的存在阻碍了上下层之间的物质交换，而混合层则是海洋与大气相互作用的主要界面深海环流的季节性变化驱动因素北大西洋表现1极地海冰覆盖面积和淡水输入的季节性深水形成冬季强、夏季弱2变化环流调整南极响应43强度和路径的季节性调整南极底层水形成在南极冬季更显著深海环流的年代际变化北大西洋振荡南方涛动影响观测记录分析NAO正位相时，西风增强，有利于拉布南方涛动通过影响南极周边的风场和海近年来的观测数据显示，深海环流强NAO50拉多海深水形成负位相时，深水冰分布，进而影响南极底层水的形成强度存在明显的年代际变化趋势，这些变NAO形成减弱这种振荡周期约为几年到十度期间，南极底层水形成通常化与全球气候变化密切相关El Niño几年，对强度产生显著影响会减弱AMOC深海环流与气候系统热量输送碳循环调节气候稳定性突变风险从低纬度向高纬度输送热量，深海是重要的碳储存库，影大洋传送带维持气候系统深海环流减弱可能引发剧烈调节全球温度分布响大气₂浓度稳定气候变化CO大西洋经向翻转环流AMOC

17.

21.315%平均流量热量输送近期变化瓦过去百年减弱幅度Sv1Sv=10⁶m³/s PW1PW=10¹⁵是北大西洋区域最重要的热盐环流系统，被誉为欧洲气候的暖气系统它将热带地区的温暖海水向北输送，同时将极地的冷水向AMOC南输送，对维持欧洲相对温暖的气候发挥着关键作用的任何显著变化都可能对北大西洋周边地区的气候产生深远影响AMOC深海环流观测技术锚系观测浮标深海潜标卫星遥感ARGO通过布放在海底的锚系全球约个自动剖可记录深层海流、温度、通过监测海面高度、海4000设备进行长期定点观测，面浮标，每天完成盐度等关键参数，为深表温度等参数，间接观10可连续记录深海环流的一次从米到海面海环流研究提供宝贵数测深海环流的变化特征2000流速、流向变化的观测循环据计划与深海观测ARGO1全球布局个浮标覆盖全球海洋，形成史无前例的观测网络40002工作循环天周期，米剖面观测，自动上传数据1020003观测参数温度、盐度、压力等核心海洋参数4科学贡献首次实现全球海洋实时三维观测计划是国际海洋观测史上最成功的合作项目之一这个观测网络不仅为深海环ARGO流研究提供了前所未有的数据支撑，也为气候变化监测和预测提供了重要基础数据已成为海洋科学研究和业务化海洋预报不可或缺的数据源ARGO深海环流数值模拟全球海洋环流模型耦合气候模型分辨率与挑战能够模拟全球尺度的三维海洋将海洋模块与大气、陆面、海冰模块模型分辨率从公里提高到公里OGCM10010环流，包括表层和深层环流的相互作耦合，能够更好地模拟海洋大气相互甚至更高，但小尺度过程的参数化仍-用这些模型基于流体力学方程，考作用对深海环流的影响，提高气候预是挑战涡旋分解模型需要巨大的计虑了科里奥利力、压力梯度力等各种测的准确性算资源动力因子海底地形对深海环流的影响海底山脉作用大洋中脊、海底山脉等地形对深海环流起到阻挡或分流作用，改变水团的运动路径，产生绕流现象，影响局部环流结构海峡门户效应丹麦海峡、德雷克海峡等关键海峡限制了水团之间的交换，成为深海环流的重要门户，控制着全球深海环流的强度陆坡边界流大陆坡是深层边界流的主要通道，地形引导作用使深层水团沿陆坡流动，形成强劲的西边界流系统地形涡生成复杂的海底地形会产生涡旋，这些地形涡对深海环流的混合过程和能量耗散具有重要影响深海混合过程内波与内潮深海能量传播主要形式1双扩散过程2盐指和温台阶结构湍流混合3小尺度能量耗散过程深海混合过程是维持热盐环流的重要机制内波和内潮将表层的机械能向深海传播，在海底地形和密度跃层的作用下发生破碎，产生湍流混合双扩散过程在温盐梯度共存的区域发挥重要作用，形成特殊的阶梯状结构垂直扩散系数通常在⁻⁻之间，10⁵-10⁴m²/s这个参数对深海环流模拟具有关键意义深海环流与生物地球化学循环碳循环调节氧气分布生物泵和溶解度泵的作用最小氧区的形成机制OMZ营养盐循环沉积物作用上升流将深层富营养盐水带到表层海底沉积与环流的相互影响2314深海环流是全球生物地球化学循环的重要驱动力它不仅输送营养盐维持海洋生态系统的生产力，还通过碳循环影响大气₂浓度深海CO环流形成的氧气分布格局直接影响海洋生态系统的结构，而海底沉积物则记录了深海环流的历史变化极地海冰与深海环流海冰形成过程海冰形成时释放盐分，显著增加周围海水密度，为深水形成提供重要条件多年冰变化北极多年冰减少影响北冰洋淡水收支平衡，可能改变深水形成的强度和位置南极海冰影响威德尔海和罗斯海的海冰过程直接控制南极底层水的形成强度和特性反馈机制海冰海洋大气之间存在复杂的正负反馈，影响深海环流的稳定性--深海环流对海平面的影响热膨胀效应质量再分配区域差异海水温度升高导致体积膨胀，这是海平极地冰盖融水注入海洋改变了海水的质深海环流变化导致的海平面变化具有显面上升的主要贡献之一深海环流变化量分布，深海环流强度变化会影响这种著的区域差异性，某些区域的变化幅度影响热量的垂直分布，进而影响热膨胀质量再分配的空间格局减弱可可达全球平均值的倍这种差异对沿海AMOC3的程度和区域分布不同深度的增温对能导致北大西洋海平面相对上升地区的适应策略具有重要意义海平面变化的贡献存在显著差异气候变化与深海环流全球变暖影响极地地区增温幅度最大，导致冰盖融化和降水增加，大量淡水输入极地海域，稀释海水盐度，抑制深水形成深海升温现象观测数据显示，近年来全球深海温度平均上升约℃，虽然幅度不大，

500.1但对深海环流的密度结构产生重要影响减弱趋势AMOC多项研究表明，在过去一个世纪减弱了约，未来可能进一步减AMOC15%弱，对全球气候产生深远影响临界点风险科学家担心深海环流系统可能存在临界点，一旦跨越将发生不可逆转变，导致气候系统重组深海环流的古气候记录海底沉积物冰芯证据末次冰期新仙女木事件深海沉积物中的有孔虫格陵兰和南极冰芯提供约万年前的深海环流约年前212900AMOC化石记录了过去海水的了过去温度和大气成分格局与现代存在显著差突然停滞，导致北半球温度和盐度变化，反映的高分辨率记录异，几乎停滞快速降温，持续约AMOC历史环流强度年1300末次冰期的深海环流结构深水形成南移1北大西洋深水形成位置显著南移南极水扩张2南极底层水影响范围大幅扩大减弱AMOC3大西洋经向翻转环流减弱30-40%末次冰期最盛期的深海环流结构与现代截然不同由于北半球大冰盖的存在和不同的大气环流格局，北大西洋深水形成区域南移至约°附近同时，南极底层水的影响范围大幅扩大，甚至能够到达北大西洋中部这种环流结构的重组对当时的全球气候格局产生40N了深远影响，也为我们理解未来气候变化提供了重要参考北冰洋深海环流的特殊性地理特征淡水盖层控制北冰洋是唯一被陆地完全包围的北冰洋表层存在厚度约50-200极地海域，面积约万平方米的低盐淡水层，这个淡水盖层1400千米其独特的地理位置使其与有效阻止了深层水的形成淡水其他大洋的水交换主要通过狭窄主要来源于河流径流、降水和海的海峡进行，形成了相对封闭的冰融化，是控制北冰洋深海环流环流系统的关键因素大西洋水入侵相对温暖且高盐的大西洋水从挪威海流入北冰洋中层（米），200-800形成北冰洋最重要的热源这部分水团的变化直接影响北冰洋的热平衡和海冰状况太平洋深海环流1缺乏深水形成太平洋没有自己的深水形成区，主要接收来自大西洋和南大洋的深层水团2南北向环流深层环流主要表现为南北向的西边界流，北上的深层水逐渐上翻3上翻区域集中北太平洋是全球最重要的深层水上翻区域，上翻通量巨大4化学特征明显深层氧含量低，营养盐含量高，反映了较长的停留时间印度洋深海环流深层水来源季风驱动1主要接收南极底层水和环极深层水表层环流受季风影响呈季节性倒转2偶极子影响索马里洋流4印度洋偶极子调节区域热量和水分交换3世界上季节变化最强烈的洋流系统印度洋深海环流具有独特的特征由于印度洋主要位于南半球，缺乏北向延伸的大陆边界，其深层环流主要受南大洋控制季风系统的强烈影响使得印度洋表层环流呈现显著的季节性变化，这种变化通过上层海洋与深层的相互作用，对深海环流也产生一定影响赤道深海环流潜流系统深层射流波动机制复杂的次表层东西向流动，包括赤道潜流窄而强的深层东西向流，流速可达与赤道开尔文波和罗斯贝波等波动过程密10-20和赤道反流切相关cm/s赤道深海环流系统极其复杂，包含多个垂直分布的射流结构这些射流的形成与赤道波动过程密切相关，特别是与年际和年代际时间尺度的气候变化联系紧密赤道深层射流虽然空间尺度相对较小，但对热带海洋的热量平衡和物质输送具有重要影响深海环流与海洋中尺度涡50-200km涡旋直径典型中尺度涡旋的空间范围90%能量占比包含海洋总动能的比例4000m影响深度强涡旋可延伸的最大深度数年生命周期涡旋存在的典型时间中尺度涡旋是海洋中最活跃的动力现象，它们携带着巨大的动能，对深海环流的结构和变化产生重要影响这些涡旋不仅能够深入到几千米的深度，还能够输送热量、盐分和其他示踪物质，是连接表层和深层海洋的重要桥梁边界流与内部环流西边界流特征东边界流对比内部环流系统深层西边界流是深海环流的重要组成部东边界流相对较弱，流速通常为大洋内部的环流相对缓慢但范围广阔，2-5分，流速可达，相对较快它们的作用主要体现在上升流区主要由大尺度密度梯度驱动这些环流10-20cm/s cm/s这些边界流沿大陆坡流动，受地形引导域，将深层营养丰富的海水带到表层，负责深层水团的缓慢扩散和混合，是全作用明显，是深层水团长距离输送的主支持高生产力的海洋生态系统球热盐环流的重要组成部分要通道深海峡谷与水道丹麦海峡德雷克海峡莫桑比克水道连接北欧海和北连接太平洋和大印度洋深层环流大西洋的重要通西洋的关键水道，的重要通道，连道，是北大西洋南极环流的必经接南大洋和印度深水向南流动的之路，对全球深洋北部，影响印主要路径，最大海环流格局具有度洋深层水的分深度约米控制作用布600海底峡谷为深海环流提供快速通道，加速深层水团的运动和混合过程深海环流监测系统计划RAPID自年开始在北大西洋°断面监测变化，使用锚系和卫200426N AMOC星高度计数据相结合的方法，获得了连续的强度观测记录AMOC项目OSNAP亚北极大西洋环流观测阵列，监测范围从拉布拉多海到苏格兰海，填补了北部分支观测的空白，提供了更完整的环流图像AMOC计划SAMOC南大西洋经向翻转环流观测网络，在°断面进行连续监测，

34.5S是南半球研究的重要平台AMOC整合GOOS全球海洋观测系统整合各种观测手段，包括卫星、浮标、船舶等，形成综合性的海洋监测网络计划成果RAPID1观测布局2重要发现在北大西洋°纬度建立观测结果显示平均强26N AMOC横跨整个大西洋的观测阵列，度约，但存在显著的17Sv自年持续运行至今，是季节性和年际变化20042009-目前最成功的大洋环流长期观年观测到强度2010AMOC测项目减弱的显著事件30%3科学影响数据改变了我们对变化的认识，证明了具有比RAPID AMOCAMOC之前预期更大的自然变率，为气候模式验证提供了重要基准深海环流与渔业资源上升流渔场世界级高生产力渔场1营养盐输送2深层水携带丰富营养物质初级生产基础3浮游植物繁殖的物质基础深海环流通过上升流过程将深层富含营养盐的海水带到表层，为海洋初级生产提供物质基础秘鲁、加州、本格拉和加那利等主要上升流区域都形成了世界级的渔场气候变化导致的深海环流变化可能改变这些上升流的强度和位置，进而影响全球渔业资源的分布和丰度深海环流与海洋酸化碳吸收过程海洋吸收了约的人为₂排放，是重要的碳汇30%CO酸化机制溶解的₂形成碳酸，降低海水值CO pH深海传播通过深海环流将酸化信号传播到深海未来预测到年海洋平均可能下降2100pH

0.3-

0.4深海环流是海洋酸化信号向深海传播的重要途径表层吸收的人为₂通过深海环流被输送到深海，导致整个海洋的缓慢但持续的酸化这种酸化过程对深海生态系统和钙质生物具有潜在威胁，CO同时也影响海洋的碳循环过程。