最近在拜讀一本關於黑潮的書籍「黑潮震盪」。
在我看這本書之前，我對黑潮的認識只有它經過台灣東邊北上到日本，是一股暖流，基本上這些只是非常粗淺的認識。
這本書非常吸引我並讓我想要用筆記記錄下來，是因為這本書很詳細的描述了洋流形成的動力機制，以及很多海水運動的解釋，成功地燃起我想研究物理海洋學的慾望：）
這些動力機制屬於物理海洋學，是我在學校上海洋學時也沒有學到的知識（也許老師有講過，是我自己忘記了也有可能ＸＤ），我覺得非常有趣。
這篇會是我看過書籍和查閱相關資料後，覺得想記錄下來的部分，以免之後忘記。
為了解釋專有名詞，還有後續理解大洋環流形成的動力機制，接下來會先花點篇幅在物理海洋學上。
由於沒有接觸類似的知識，有錯誤的話敬請指教。41Please respect copyright.ＰＥＮＡＮＡqKFxjJOw9H
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物理海洋學 海流
按照驅動力來分，海洋環流可分為兩大類，即溫鹽環流 Thermohaline circulation 以及風生海流 Wind-driven circulation。
前者由海水密度分佈不均勻所引起，後者則受風吹引起。
表層環流因觀測資料多故其行為與型態較為人知，深層環流則觀測甚少，多依靠間接證據例如水團特性等，以及少數觀測、推論其狀態。
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水團：
海洋學研究海洋特性時常將某點各不同深度之海水溫、鹽資料一併繪在一張T-S圖（橫軸為鹽、縱軸溫度），藉由溫鹽點之散佈情形可以幫助我們研判這些水體源自何處。
摘自Keith Stowe (1987)41Please respect copyright.ＰＥＮＡＮＡdiKA4JyKTZ
"Essentials of Ocean Science"。
如果許多溫鹽值一致均勻叢集於一處（最理想情況是匯集於一點），那麼分佈之意義就代表水柱中有相當厚的一層，其溫度與鹽度都呈均勻分佈的海水，這個水體就稱為水型 Water type。
我們可以想像，水型能夠生成所隱含的意義是自然界中會有一些有時較孤立的水域，當某種特殊環境狀況在此能夠維持比較久的時間時，這片水域的海水經過不斷混合後，於是便會形成溫鹽一致均勻的水體。
當水型離開源區時，不免將與外界海水（其他水型或混合物）再發生混合作用。
在二不同水型相互混合時，各不同階段混合水之溫鹽值在T-S圖上之分佈均為一直線。
海洋學上將T-S分佈為直線者稱為「水團 Water Mass」。
換言之，水型多僅存源區，離開源區即是水團。
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海流運動時所受之驅動力：
表面海水可被風推動，深層海水則可受重力推動。
海水一但流動後，將受固體邊界、科氏力以及壓力梯度力等控制。
科氏力 Coriolis force：
地面上的物體隨地球旋轉，如物體相對於地面能保持靜止不動，表示物體之切線速度與地表一致。
地表之切線速度隨緯度而遞減，故物體向北運動時其原有之切線速度大於新抵地點者，因此運動時將向東偏（應是因為地球自轉由西向東），反之則偏西。
物體向東運動時，其切線速度亦大於當地所有值，其平衡位置應在南方，故物體向南偏，反之則往北偏。
綜合而言，在北半球因地球自轉由西向東之故，物體運動時將感受一股向右的偏向力，此力稱為科氏力，是旋轉系統下特有之假想力。
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壓力梯度力 Pressure gradient force :
當你站在水中同時水位漫過頸部，這時呼吸需特別用力，因為總感覺有一股外力正在全面壓迫肺部，這就是壓力梯度力。
流體也會像你的肺一樣，如果流體質點處於壓力分佈不均勻之處，那麼流體質點便會感受到同樣的這種壓力梯度力，這股力量的作用方向為高壓指向低壓，其大小則與壓力梯度呈正比，所以稱為壓力梯度力。
這個作用力也可以推動水流運動，相鄰的水柱如果密度垂直結構不一樣，那麼水的重量不同也會產生壓力梯度力。
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艾克曼螺旋 Emmanuel Spiral :
當風吹掠洋面時，風隊海面就施加了一股順風向拖曳力（風應力 Wind stress）將造成表層海水流動，海水流動時又產生科氏力，因此流向會偏向風向右側。
當上層水流動時又會拖曳下方流體運動，而下層流向又再稍偏右。
如此一層層牽引，水流流向由水面向下呈現螺旋型態之旋轉構造，此種構造即為艾克曼螺旋。
當流況達到平衡狀態時，此時風應力會與科氏力平衡，即二力大小相同但方向相反，如此則表示海面下各層海流平均是流往風向之右側（南半球向左）這現象稱為艾克曼效應，此流量則為艾克曼搬運。
艾克曼搬運 Ekman transport 是沿岸風製造近岸湧升流或下沈流的重要動力過程，在大洋環流的產生機制裡扮演重要角色。
摘自「黑潮震盪」p.33
地轉流 Geostrophic flow :
如果有某種原因造成某處海平面相對較高，那麼在水面下某一水平面上的壓力分佈便不均勻，因此就有水平的壓力梯度力，後者將推動水質點由高壓向低壓方向加速流動，但水一流動後科氏力便立即作用並促使流向偏右，最後當科氏力與壓力梯度力抵銷（二者大小相等但方向相反，此時合力為零，稱為地軸平衡），水流即不再加速運動，水流方向與壓力梯度方向垂直（北半球面朝流向高壓在右）科氏力與壓力梯度力二者平衡的海流稱為地轉流。
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湧升流 Upwelling 與沉降流 Downwelling :
經由艾克曼效應可以促成海面抬升或下降。
例如氣旋型風場所造成之艾克曼搬運均為離心方向，因此氣旋中心處水位會較低同時必需要有下層海水向上層補充，這就是湧升流。
同理沿岸地區在沿岸風向適當也會形成。
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大洋環流的推手：地球表面經年累月的風場。
假設有一個理想的海洋，低緯度吹東風，中緯度為西風，高緯度為極地東風。
由於艾克曼搬運，北半球上層海水在東風和西風帶的風力作用下，分別產生低緯度海域向北、中緯度海域的海水艾克曼搬運向中監匯集，大洋中間水位因而堆高隆起。
這個中間高、四周低的海面高低差造出一個「水往低處流」的「水丘」環境，由水丘中心向四周流動的海水又一直被科氏力向右方堆，最終形成龐大的順時針旋轉環流系統。
需注意的是這個環流是在球面上流動，而地球自轉給予的科氏力由赤道海域向兩極越來越大，所以在北半球，由南向北的海流受科氏力影響越來越大，反之則越來越小。
大洋上低緯度東風（信封帶）、中緯度西風帶的風場結構同時也在海面上加了一個順時針方向旋轉的風力。
以專業術語來說，就是「同方向風（東西向）」在「橫風方向（南北向）」大小的差異產生了「旋度（一個衡量風在平面上打轉強弱的數值）」，除了製造出先前的水丘，也造成艾克曼搬運量由水丘四周向中心越來越小。
在海水幾乎不可壓縮下，水流量在一個固定體積的盒子裡，一定要遵守體積守恆。
進來的水如果向上堆高，就會發現堆高到一定高度，推力跟重力平衡後就要在水丘表層水裡製造出下沈流，把後到的水、再也堆不上去的水向下送，這個垂直向下的作用流叫做「艾克曼汲吸作用 Ekman pumping 」。
下沈流的速度非常緩慢，一年只能下降30公尺，但是對於在地球自轉下的大尺度海洋運動來說非常重要。
龐大的旋轉水體轉速變慢了，在地轉環境下必須向南移動到地球科氏力較小的低緯度地區，使自己跟周遭環境的旋轉度一樣，這套理論發表在挪威海洋學家及氣象學家史沃卓普1947年的期刊論文裡，用簡單、概念式的把大洋環流背後的動力精髓解析出來。這個緩慢向南的海水通量叫做「＊史沃卓普通量 Sverdrup transport 」。41Please respect copyright.ＰＥＮＡＮＡcyrrToUjDt
那些流向低緯度地區的海水又會隨著西向海流（北赤道洋流或南赤道洋流）向著大洋西邊匯集，最後在海洋西側陸棚邊緣匯集成強勁、流向高緯地區的西方邊界流（黑潮、灣流均屬之），這個現象亦稱為「西行強化」。
是物理海洋學中關於海洋環流理論的重要部分。
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以上所述都是形成大洋環流背後的動力機制，最重要的兩點：
1、海面恆常風的水平分佈能不能行成「風旋度」，這很關鍵，與風力本身大小無關。
2、地球自轉渦度在球面上會隨著緯度改變，如果是定值，那就不會產生大洋環流。
以太平洋為例，前者順時針方向的風旋度產生艾克曼汲吸作用，在水丘中間形成下沉流，後者迫使水丘必須以史沃卓普通量對應的速度，向南遷徙到行星渦度較小的環境。
北半球順時針旋轉風的艾克曼搬運由四周向中間集中，在中間部分向下擠壓形成下沉流，反之逆時針行成上升流。
一樣的動力機制，海岸在右手邊的沿岸風，在沿岸海域形成向岸艾克曼搬運製造出下沉流。
海岸在左手邊的沿岸則形成離岸艾克曼搬運製造出上升流。
在下沉流的海域通常表水溫度比四周高，在上升流的海域因為比較冷的下層海水被帶上來上層，所以表水溫度較四周低。
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以下補充：
＊史沃卓普通量 Sverdrup transport ：
海洋上低緯度吹由東向西的信風，中緯度吹西風，在這風場之間是順時針（反氣旋）的風應力旋度經由空氣與海水的界面施加在海面，進而製造出向南移的史沃卓普通量，推著海水南遷到地球自轉渦度（行星渦度）較小的海域。
渦度是指大氣（氣塊）或海洋（水體）旋轉的程度，造成流體的機制又可分為兩個部分，一是地球自轉時的地球自轉渦度，又稱行星渦度，另一個是由流速在空間上的差異所造成的。
其中行星渦度是用來表示地球球面上地球旋轉效應大小的一個物理向量。
在任一緯度位置，行星渦度的向量都該垂直該緯度的近似平面。
行星渦度在南北極之方向就是地球自轉軸向，大小為2倍地轉角頻率，即2Ω，其他地方則隨緯度變化，關係為2Ω sin θ，θ是緯度，由此可知行星渦度在赤道的平面上為0，隨著緯度增加而上升，兩極最大。
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＊位渦度 Potential vorticity :
海水運動的位渦度是由海流的相對渦度 Relative vorticity +流動所在緯度的地球自轉渦度（行星渦度），除以流動水層的厚度所得。
例：一支由南往北的海流，若其厚度保持一定，往北過程中地球自轉渦度隨之增加，那麽相對渦度必須要變小以維持位渦度守恆，海流及要使自己左邊流速加快、右邊減速以產生負的相對渦度來抵銷增加的行星渦度。
資料參考：
黑潮震盪41Please respect copyright.ＰＥＮＡＮＡLDoRPKAKIU
物理海洋學41Please respect copyright.ＰＥＮＡＮＡKVyhEqHrtt
大洋環流中的西邊界強化41Please respect copyright.ＰＥＮＡＮＡH0SMXHi8XI
渦量41Please respect copyright.ＰＥＮＡＮＡSqVUzaF3Uk
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