引用本文
邵秋丽, 赵进平. 北欧海深层水的研究进展. 地球科学进展, 2014, 29(1):42-55[Shao Qiuli, Zhao Jinping. On the deep water of the Nordic Seas. Advance in Earth Science, 2014, 29(1):42-55]  
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北欧海深层水的研究进展
邵秋丽, 赵进平
中国海洋大学物理海洋重点实验室, 山东青岛, 266100

作者简介：邵秋丽（1987-），女，山东泰安人，博士研究生，主要从事北欧海动力学研究. E-mail:shaoql@ouc.edu.cn

基金:国家自然科学基金重点项目“北极海冰与上层海洋环流耦合变化及其气候效应”(编号：41330960)；南北极环境综合考察与评估专项课题“北冰洋物理海洋与气象环境变化评价”（编号：CHINARE2013-04-03-01）资助.
摘要

北欧海作为联系北大西洋和北冰洋的纽带, 在全球气候系统中具有重要作用。受冷却等作用的影响, 北欧海上层海水下沉形成中层水和深层水。该部分海水向南输运, 以溢流的形式进入北大西洋深层, 是在全球大洋输送带中具有关键性作用的北大西洋深层水的重要来源。通过综述国内外关于北欧海深层水的研究历史和研究现状, 剖析了北欧海深层水形成的重要物理过程, 分析了影响北欧海深层水的可能因素和物理过程、北欧海深层水的输运过程以及北欧海深层水近年来的变化趋势, 为开展相关研究提供参考。

关键词: 北欧海; 深层水; 对流混合; 溢流; 多年变化
中图分类号:P725.1 文献标志码: 文章编号:1001-8166(2014)01-0042-14
On the deep water of the Nordic Seas
Shao Qiuli, Zhao Jinping
Key Laboractory of Physical Oceanography, College of Physical and Envionmental Oceanography , Ocean university of China, Qingdao, Shandong 266100
Abstract

As a connection region between North Atlantic and Arctic Oceans, the Nordic Sea plays a critical role in global climate system. In the Nordic Seas, surface water converts into intermediate water and deep water after cooling and other effects. These waters transport southward, and enter into North Atlantic as a form of overflow, therefore, they are the main source of the North Atlantic Deep Water(NADW), which play a key role in global ocean conveyor. The causes and processes of the deep water formation in the Nordic Seas are still uncertain. Based on a review of current and historical research results of the deep water in the Nordic Seas, the most important process for deep water formation convection is addressed. Factors and physical processes that may have impact on deep water formation are summarized. The transport of deep water in the Nordic Seas is summed up. Multiyear variation of the deep water is described with the aim of giving some instructions and research directions to the readers.

Keyword: The Nordic Seas; Deep water; Convective mixing; Overflow; Multiyear variation
1. 引言

北欧海（The Nordic Seas）, 也称GIN海, 即格陵兰海（Greenland Sea）、冰岛海（Iceland Sea）和挪威海（Norwegian Sea）的统称, 是北冰洋和大西洋之间最主要的海洋通道。带有不同温盐特性的海水在此交汇, 如流经该海域的东格陵兰流（East Greenland Current, 简称EGC）和挪威大西洋流（Norwegian Atlantic Current, 简称NAC）分别来自北冰洋和大西洋。另外, 北欧海的的中层水和深层水以深海瀑布的形式进入北大西洋, 成为全球热盐环流的主要驱动因素。

本文主要评述与北欧海深层水有关的研究成果。我们对深层水的关注主要源于以下因素：第一, 北欧海深层水与上层、中层和深层环流密切相关, 对了解整个北欧海区的流动和水团意义重大。第二, 该深层水是深海溢流和大洋热盐环流的重要水源, 其产生及运动对全球大尺度环流和气候系统有重要影响。

过去十多年来, 北冰洋发生了很大的变化, 气温升高, 海冰的覆盖范围和总冰量明显减少。这一切都将影响北欧海的物理过程, 改变深层水的结构和运动, 对全球海洋循环和气候系统产生不可低估的影响。这里我们讨论北欧海深层水的形成, 以期增进对北欧海正在发生的变化的深入理解。

本文的章节安排如下：第2节介绍北欧海的环流及输运, 第3节简述北欧海的水团及其形成, 第4节介绍北欧海的对流, 第5节重点阐述影响深层水的主要因素, 第6节介绍北欧海深层水的循环及变化, 第7节指出了北欧海急需解决的关键科学问题, 最后给出文章的结论。

图1 北欧海地形图1.Boreas海盆;2.格陵兰海盆;3.Knipovich海脊;4.扬马延断裂带；5.莫恩海脊;6.Kolbeinsey海脊;7.冰岛海台;8.罗弗敦海盆; 9.挪威海盆;10.Vring海台;11.法罗群岛Fig.1 The bathymetric features of the Nordic Seas1.Boreas Basin; 2.Greenland Basin; 3.Knipovich Ridge; 4.Jan Mayen Fracture Zone; 5.Mohn Rigde; 6.Kolbeinsey Ridge; 7.Iceland Plateau;8.Lofoten Basin; 9.Norwegian Basin; 10.Vring Plateau; 11.Faroe Islands
2. 北欧海的环流及输运
2.1 北欧海的地理特征

北欧海位于格陵兰-苏格兰海岭以北, 弗拉姆海峡-斯匹次卑尔根（Spitsbergen）-北挪威断面以南, 面积约2.5×106km2。陆架、海盆、大洋中脊系统与陡峭的陆坡共同组成了北欧海十分复杂的地貌（图1）。北欧海内有较为完整的大洋中脊系统, 包括Kolbeinsey海脊、莫恩海脊和Knipovich海脊。其中, Kolbeinsey海脊从北冰岛陆架一直延伸到扬马延地区, 并被扬马延断裂带切断。北欧海分为格陵兰海、冰岛海和挪威海三部分, 有两个主要海盆：格陵兰海盆和大挪威海盆。北欧海海岭、海台、海脊纵横交错的地形分布对该海域的环流状态有重要影响。

2.2 北欧海的入流和出流

来自大西洋的入流

起源于大西洋西边界流——湾流的北大西洋流（North Atlantic current, NAC）经过查尔利-吉布斯断裂带（Charlie Gibbs Fracture Zone, CGFZ）后, 分别由三个通道北上进入北欧海（图2）。冰岛东侧的两个支流统称为挪威大西洋流, 流量占大西洋入流的绝大部分。其西侧支流相对低温低盐, 受海底地形的约束形成北极锋急流, 流向弗拉姆海峡。东侧相对高温高盐的陆坡流流过罗弗敦群岛后主要部分形成西斯匹次卑尔根流。

受北欧海海底地形的影响和弗拉姆海峡的限制, 进入北冰洋的流量只有入流流量的20%-50%, 其余部分形成回流。回流水脱离主流后进入各个海盆的流涡中, 与大气进行热交换[ 1, 2], 是冷却下沉形成深层水的主体[ 3]。Furevik和Nilsen[ 4]认为, 大西洋进入北欧海的入流是由格陵兰-苏格兰海岭北部的底层水形成效应、河口效应（estuarine circulation effect）以及风力强迫共同驱动的。

来自北冰洋的入流

北冰洋携带低温低盐的极地水通过弗拉姆海峡进入北欧海。该极地水一部分进入到北欧海内部流圈中, 另一部分汇入东格陵兰流中, 沿格陵兰岛向南流动, 并从丹麦海峡以溢流的形式进入北大西洋。但是, Aagaard和Coachman[ 5]认为, 东格陵兰流是北欧海内部的流动, 至少在冬季, 从北冰洋流出的极地水仅仅是东格陵兰流总流量中很小的一部分[ 6]。

溢流

北欧海和北大西洋之间的交换主要由热盐过程驱动。北上海流绝大部分通过发生在格陵兰海的下沉运动到达海洋深层, 形成高密度中层水, 越过格陵兰-苏格兰海岭形成溢流。进入北欧海的四分之三的大西洋水, 都会转换成高密度的溢流水[ 7], 最终汇入大西洋经向翻转环流[ 8], 是北大西洋深层水（North Atlantic Deep Water, 简称NADW）的主要来源, 被认为是全球热盐环流的主要驱动力[ 9]。

溢流水的密度在几周的时间尺度上是稳定的[ 10]。受北欧海中层水和深层水形成减少的影响, 表现出减少的趋势。观测显示, 1960-1980年间挪威海深层水对底层水的贡献率为60%, 1990s减少到40%[ 11], 1994年为30%[ 12], 导致溢流水密度逐渐减小。

2.3 北欧海的环流

在高纬度海区, 斜压Rossby波产生的斜压调整过程很缓慢, 海洋环流对大气变率的响应时间为季节性到年内尺度, 流场比在中纬度的海洋中更容易受到地形的引导[ 13]。北欧海的海流普遍受到地形的引导（图2）, 冰岛海台、挪威海盆和格陵兰海盆表层的气旋式流涡主要是地形动力约束的结果[ 14]。流涡产生的混合使北上的暖水盐度减小[ 15], 在流涡中央形成弱层化水, 容易发生对流导致海水下沉[ 3]。格陵兰海和冰岛海的对流过程是将海表面的特性输运到深海的主要通道[ 16]。

图2 北欧海上层流场示意图[ 17]红色实线表示来自大西洋的暖流, 黑色虚线表示来自北冰洋的寒流。图中主要流动分别表示东格陵兰流（EGC）、扬马延流（JMC）、北大西洋流（NAC）、挪威大西洋流（NWAC）、西斯匹次卑尔根流（WSC）以及大西洋回流（RAC）Fig.2 Schematic diagram of upperlayer circulation in Nordic Seas[ 17]Red solid lines represent Atlantic Water. Black broken lines represent Arctic and Polar waters.EGC.East Greenland Current； JMC.Jan Mayen Current;NAC.North Atlantic Current; NWAC.Norwegian Atlantic Current; WSC.West Spitsbergen; RAC.Return Atlantic Current
2.4北欧海的淡水输运

大西洋高纬度海区的淡水收支对全球大洋环流的稳定性有重要影响[ 18, 19, 20, 21]。北欧海淡水除少部分来源于陆地冰川融化外, 其余均来自北冰洋[ 16, 22, 23, 24]。北冰洋液态淡水和海冰是北欧海最大的淡水来源。任何影响北冰洋海冰形成和输出的因素都会对格陵兰海和冰岛海深对流的强度产生影响[ 17], 并通过影响深层海洋的“通风”[ 16], 最终影响热盐环流和全球气候[ 25]。

3.北欧海深层水
3.1 北欧海的主要水团

北欧海的不同水团有两个来源：低温低盐的极地水和高温高盐的北大西洋水(图3)。表层水基本上是外海区流入的水体及其在北欧海变性产生的水团, 来自大西洋的海水形成法罗大西洋水、伊尔明哥大西洋水和挪威大西洋水。来自北冰洋的海水为低温低盐的极地表层水。

中层水与北欧海内部循环及对流有关, 加之海盆之间的交换不畅, 可以细分为较多的次级水团。极地中层水和大西洋中层水是极地水和大西洋水直接变性产生的, 分别表示表层水之下的温度最小值层和盐度最大值层。格陵兰大西洋中层水以及冰岛大西洋中层水是大西洋水变性产生的, 被认为是参与丹麦溢流的重要组成部分。北冰洋流入水直接影响北欧海表层水与中下层水的交换, 在北欧海三个海域的中层海水中, 均有北冰洋水的产物, 分别为格陵兰北冰洋中层水、挪威北冰洋中层水以及冰岛北冰洋中层水。北冰洋的水体温度极低, 是影响北欧海深层水形成最重要的因素。北欧海区的深层水主要受到欧亚海盆深层水的影响, 但是偶尔也有加拿大海盆影响的迹象[ 3, 17]。格陵兰海深层水、挪威海深层水以及冰岛海深层水都直接或者间接地受到北冰洋流入水的广泛影响。

图3 北欧海两大主要水体来源示意图[ 26]EGC.表示东格陵兰流; WSC.表示西斯匹次卑尔根流Fig.3 Sketch of two main sources of water in the Nordic Seas[ 26]EGC.East Greenland Current; WSC.West Spitsbergen Current

3.2 北欧海深层水概况

北欧海的深层水主要是指格陵兰海深层水（Greenland Sea deep water, GSDW)和挪威海深层水（Norwegian Sea Deep Water, NSDW）两大部分, 另外还有少部分冰岛海深层水。在1500米以下海水可以根据温度和盐度区分开来[ 27]：GSDW较冷、较淡, NSDW较暖、较咸[ 28]。格陵兰海深层水是北欧海深层水最初的源地, 它的温度最低、盐度最小, 并且现场密度最大[ 3]。基于对格陵兰海深层冷水的首次观测, Nansen[ 29]提出了格陵兰海深层水形成的经典模型。通常认为格陵兰海深层水的更新时间尺度为30-40年[ 30, 31]。法罗海峡（Faroe Strait）附近的北极深层水被定义为挪威海深层水[ 32]。通常认为, 挪威海深层水是格陵兰海深层水平流产生的。同时由于局地相对高盐高温的北大西洋水的影响, 挪威海深层水相对格陵兰海深层水较暖且盐度相对较大。

观测表明, 深层水存在长期变化, 1920-1950年间GSDW形成较少[ 17], 1960年代GSDW变冷[ 33], 1960年代后期以来, 深层水形成量也有所减少。越来越多的证据表明, 1970年代早期以来的深层水形成有减少甚至终止的趋势[ 34, 35, 36]。而后, 最重要的变化是深层温度升高[ 17]。观测表明, 1970年代早期到2000年代末, 北欧海的表层水和中层水、溢流以及北大西洋的深层水盐度普遍减小[ 37, 38, 39]。

3.3北欧海深层水对北大西洋深层水的贡献

北欧海和拉布拉多海是贡献于北大西洋深层水的重要源地[ 40, 41]。更多的证据表明, 北冰洋也是北大西洋深层水的来源[ 3, 42, 43]。Kuhlbrodt等[ 15]认为, 每年冬季通过大尺度垂直对流过程产生的格陵兰海深层水深度较大, 部分向北大西洋流动产生溢流[ 31, 44]。此外, 北欧海深层水更为重要的贡献是形成了溢流中层水的下垫面。深层水密度相对较大, 填充

了北欧海较深的海域, 使得密度相对较小的中层水跨越海岭形成溢流水。

3.4 北欧海海洋锋

北欧海的锋面大都存在于极地水和大西洋水交汇的区域, 与区域内部各海流和水团的变化相关。锋面的分布受到地形的强烈控制, 走向基本与海岭或大陆坡折一致。北欧海有5条主要锋面, 分别是东格陵兰极地锋（East Greenland Polar Front）、北极锋（Arctic Front）、冰岛-法罗群岛锋（Iceland-Faeroe Front）、挪威陆架锋（Norwegian Shelf Front）和冰岛沿岸锋（Iceland Coastal Front）。锋区的物理过程如等密度混合、双扩散等作用显著, 而等密度混合和双扩散等对流形式被认为是形成深层水最有效的途径, 因此, 北欧海区锋面的研究历来受到重视[ 45, 46, 47]。

4. 深层水的形成：对流

对流是不同深度水体进行交换的主要形式之一, 也是形成深层水最有效的形式。对流的变率是由已存在的层结条件、表面浮力通量和浮力的侧向通量决定的[ 41]。Chu[ 48]分析了各种形式的对流, 提出用下式表达5种主要驱动力作用下的对流, 全面概括了各种能够产生对流的因素, 也表明各种能够引起静压不稳定的因素都可以产生对流。

其中g为重力加速度, N为Brunt-Väisälä 频率, 下标 分别表示热动力不稳定形成对流的五种不同的物理过程：（1）浮力通量导致的不稳定；（2）位势不稳定, 表征水团随着海流输运到不同静态稳定度区域所导致的稳定度的变化；（3）热盐分子扩散率的差异导致的双扩散现象；（4）不同盐度水的压缩性不同产生的热压效应；（5）由于海水状态方程的非线性而产生的混合增密效应。

格陵兰海的水团特性有利于深对流[ 8]：上层为高盐的大西洋水, 散热后密度会很快增大建立热对流过程。格陵兰海的深对流发生在冬季。对流的时间尺度变化很大, 1950年代早期至1970年代早期, 格陵兰海的对流活动显著。1950-1960年代, 深对流深度达到最大。从1970-1990年代, 格陵兰海基本没有深对流活动。到1990年代后期开始才重又出现深度超过1500m的深对流[ 41]。格陵兰海的深对流能力近年来有所下降[ 34, 49, 50], 对流局限于1000米之内, 格陵兰海深层水没有被局地对流“通风”[ 8]。

格陵兰海是开阔大洋对流的热点场所[ 51, 52], 但是各种对流形式的相对重要性目前仍然存在争议[ 8, 52, 53]。Marshall和Schott[ 52]认为, 发生在格陵兰海的对流主要是表面冷却和卤水释放导致的对流（即开阔大洋对流）, 热压效应产生的对流以及混合增密产生的对流。

4.1 浮力通量产生的对流

北欧海深层水形成的短期变化受到浮力通量（包括淡水通量和热通量）的显著影响。浮力通量损失的地区被局限在格陵兰海北部[ 41]。鉴于浮力通量在改变水体的稳定性以及对流强度等方面的显著作用, 其研究一直受到广泛重视[ 18, 54, 55]。

淡水通量

淡水在海洋环流和气候变化中的作用得到了广泛关注, 主要有两方面：降水和蒸发不平衡对驱动大尺度热盐环流的作用[ 54, 56]和冰川快速融化对海洋环流的影响[ 57], 即所谓的盐跃层灾变。Byran[ 18]利用一个海洋模式证明全球海洋对于高纬度大量淡水输入导致的热盐环流和气候突变的响应时间只有一个世纪或者更短。淡水对高纬度对流的重要性在于低温状态下盐度对密度的影响比温度更大[ 55], 因而淡水对高纬度海水的垂直运动至关重要。Aagaard和Carmack[ 16]发现, 即使在表层很冷的情况下, 加入少量的淡水也可能阻止垂直对流的发生。如果盐度较低, 即使冰情很重, 海水的密度也不够大, 不能下沉到深层[ 17]。这就是格陵兰海上层的低盐阻碍深层水形成的机制。

此外, 淡水导致表层水向极的密度增加减慢, 形成较浅的低密度表层水。其下的密度跃层阻碍了海洋深层向大气的热量输送。淡水的变化可以改变甚至停止对流, 北大西洋1960-1970年代的盐度异常[ 58]就是一个例子, 其原因可能是来自北冰洋的淡水的增多。

热通量

在格陵兰海盆, 中下层水与深层水的形成有关, 而表层海水的变化则主要受到局地海气热通量的控制[ 13]。在相对较冷的冬季, 海洋向大气释放大量热量, 导致了深对流过程的产生[ 8], 并由此生成了格陵兰海深层水[ 17]。挪威海较强的热损失使得冬天的对流深达600-800米。观测显示, 冬季挪威海混合层可以影响到中层水[ 59], 上层1000 米湍流混合全年都非常强[ 60]。

4.2 混合增密产生的对流

由于海水状态方程的非线性, 当两种不同温度、盐度的海水混合时, 得到的海水密度将大于原来各自水团密度的线性平均值, 这就是混合增密效应。混合增密可以通过相邻水团之间的混合引发深对流[ 53, 61]。根据混合方式的不同, 混合增密效应可以分为沿等密度面的混合增密以及跨越等密面的混合增密两种形式。由于观测资料的限制以及出于研究难度的考虑, 以往的研究主要集中于等密度混合增密的方式上。如, 史文奇和赵进平[ 62]基于等密度混合的主体是大西洋回流水与北冰洋流出水体的事实, 探讨了北极内部不同海域的水体对混合增密对流可能造成的影响。他们定义了有效对流速度, 强调水平温度梯度和垂向层化强度是影响有效对流速度的决定性因素：水平温度差越大, 垂向层化越弱, 产生的对流越强。

4.3 双扩散效应产生的对流

北欧海受到表层风和对流作用输入能量的显著影响, 混合增强。另外, 双扩散对流也可能增强混合。两者的相对重要性目前仍存在争议。

McDougall[ 63]证明, 当可能发生的混合增密中一个水团位于另一个水团之上时, 垂直静力稳定将阻止由于混合增密作用产生的大尺度下沉。此时双扩散对流占据主导地位, 是将大西洋水转化为格陵兰海深层水的重要途径。Cottier和Venables从温盐特征讨论了北极锋的双扩散环境以及混合增密的潜在能力[ 46]。1958年国际地学年期间, 作为极地锋研究的一部分, 对北欧海进行了详细调查[ 64]。由于此次考察中在格陵兰海没有观测到可能受到表层风力等作用而产生的自上而下的均匀水柱, 所以Camack和Aagaard[ 30]提出, 格陵兰海深层水可能通过双扩散过程形成于中层。McDougall[ 65]设计了一个平流与双扩散过程之间的平衡模式, 研究结果同样支持穿越扩散界面的双扩散过程是格陵兰海深层水形成机制的观点, 并指出, 表层以下流入格陵兰海的大西洋水, 最初由双扩散对流过程改变, 然后在流涡中心附近下沉形成底层水, 从而排除了表面混合层作为底层水来源的可能性。

4.4格陵兰海深层水的形成

格陵兰海深层水是北极中层水和表层水通过深对流作用形成的[ 33, 66]。Aagaard等[ 67]研究发现, 北冰洋水可以影响格陵兰海中层和底层的水文特征。北冰洋相对高盐的流入水在格陵兰海下沉到不同深度, 导致格陵兰海区在中层和深层分别存在盐度极大值。他们进一步指出, 格陵兰海和挪威海深层水都是起源于北冰洋, 所不同的是, 格陵兰海深层水与结冰析盐有关。也有一些学者提出了格陵兰海深层水形成的其他途径, 主要有三种：

其一, “烟囱”过程。通过深层水形成研究中尺度（空间尺度为1-10km）动力学和大洋环流之间的联系是海洋科学的一个重要领域, 其中一个重要的研究对象是烟囱过程[ 68]。Marshall和Schott[ 52]对此进行了详细综述。Killworth[ 69]首先提出了“烟囱”过程的相关机制, 指出在格陵兰海中央等地区由于斜压不稳定形成了下沉“烟囱”。McDongall[ 65]利用模式结果指出, 双扩散导致的大西洋水次表层的改变使得次表层水达到了形成底层水的温度和盐度要求, 是对“烟囱”过程相关工作的补充。Gascard等[ 70]和Wadhams等[ 71]观测发现, 格陵兰海确实有长期存在的小尺度的对流“烟囱”, 直径为10km, 对流深度可达2000m。然而, 这些烟囱对格陵兰海的深层水形成是否存在很大的影响, 目前尚不明确[ 41]。

其二, 次表层水转化过程。Carmack[ 72]提出一个不同于传统的格陵兰海深层水形成机制, 他认为格陵兰海深层水的产生与格陵兰大西洋中层水在次表层的冷却过程有关。格陵兰海底层水和深层水实际上是大西洋水的次表层过程形成的[ 30], 而不是表层直接冷却得到的。Skjelvan等[ 73]认为, 在格陵兰海, 冷而重的上层水混合到较大的深度。在冬季, 由于各种形式引起的深对流和风引起的垂向混合影响到了主温跃层上部, 海洋表层形成了垂向性质均匀的水层[ 74], 有助于水体转换过程。

第三, 北冰洋深层水的补充。格陵兰海的深对流减弱, 佐证了格陵兰海深层水通过北冰洋深层水的对流实现的观点[ 8]。过去几十年中, 格陵兰海的深对流减弱, 但是北冰洋的深层入流增多, 最终产生了较暖、盐度稍高、密度相对较小的格陵兰海深层水[ 67]。Karstensen等[ 75]指出, 如果格陵兰海不再有深层水形成, 则格陵兰海深层水将在20年内与北冰洋深层水性质相同。

4.5 挪威海深层水的形成

挪威海的冬季对流相对较浅[ 33], 不能有效地形成深层水。挪威海深层水是北冰洋深层水团经过格陵兰海最终流至挪威海形成的。挪威海深层水是暖而咸的北冰洋深层水[ 76]和冷且淡的格陵兰海对流形成的深层水两者混合而来的[ 3, 33, 77, 78]。Aagaard等[ 67]对其进行纠正和解释, 认为格陵兰海深层水和格陵兰陆坡源于北冰洋1700m的入流流核, 本身并不能形成挪威海深层水的相关特性。挪威海深层水的形成至少应包含来自于北冰洋2000m以下的深层水。Langehaug和Falck[ 26]指出, 挪威海深层水的温盐性质的变化是由其组成水团比例的变化引起的。

该平流观点意味着格陵兰海深层水与挪威海深层水在水团年龄上会有很大的差别。一般来说, 格陵兰海深层水由于更新较快, 水团年龄比挪威海深层水要小。Peterson和Rooth[ 31]的同位素分析结果表明格陵兰海深层水和挪威海深层水的更新时间分别为30年和100年, 即格陵兰海和挪威海的深层水交换的时间尺度为100年。

5. 影响北欧海深层水形成的因素

除了以上提到的海洋动力学因素外, 还有一些外界因素影响北欧海深层水的形成, 主要有海气相互作用、海冰形成过程以及大气环流状态等。

5.1 海气相互作用

北欧海的海气相互作用在时间和空间上都非常复杂。在大西洋水回流区, 较强的海气耦合作用导致表面降温（在冰期还会发生盐析作用）, 从而引起对流。

Furevik和Nilsen[ 4]综述了大尺度大气环流及其对北欧海海洋气候的作用。大气变化的主导因素是冰岛低压和亚速尔高压, 决定了西风带的强度。从1960年代到1990年代, 大气环流中的弱西风带变成强西风带, 并且导致风暴路径深入到北欧海的东北部。这种转变的强迫来源于热带海洋以及大气的内部过程, 而与这些低频变化相联系的是海气之间的动量、热量和淡水通量的变化, 引起了海洋中的一系列变化, 包括深层水形成减少, 进入北冰洋的海水增暖以及溢流的淡化和可能的减少等。

大气强迫的变化可能影响维持北欧海的大西洋入流稳定的所有机制[ 4]。首先, 海冰覆盖率的减少意味着更多的海水在冬季冷却, 从而导致深层水的形成增多, 其实现途径主要是陆架的盐析过程和新冰形成区的开阔大洋对流过程[ 16]；其次, 加强的水圈循环[ 39]和更薄的冰一起[ 79], 增加了从弗拉姆海峡输出的淡水通量。这将通过与其下层的海水混合增加河口环流而影响大西洋入流流量[ 80]；最后, 北大西洋的风应力旋度增强, 会导致更多的大西洋水进入北欧海。

海气热交换的影响

在对流过程中, 格陵兰海表层水受到海表面的热力强迫。在北欧海, 海洋向大气释放热量, 从而导致表面海水冷却。北欧海的大气变化对大西洋热盐环流有重要影响, 其主要影响途径分为两类：

a)直接影响：大气过程的改变将导致风力和海表面热力条件的改变, 并通过动力和热力过程影响北欧海深层水特别是格陵兰海深层水的形成[ 55]。

b)间接影响：高盐的北大西洋水导致北欧海表层水密度增加, 水体稳定性减弱, 从而有利于产生深层水的深对流的发生。大气系统通过河口效应影响北大西洋水的流量而影响北欧海深层水的形成。

海面风场变化的影响

一些气候模式表明, 21世纪大西洋经向翻转环流（AMOC）中北大西洋深层水环流圈的减弱[ 81, 82]主要是由海表面的热通量和淡水通量的改变引起的。但是考虑到风作为海洋中能量来源的角色, AMOC的短期变化是否因风场而改变仍存在争议[ 83]。

北欧海区1960年代中期以来西风有所增强。随着该西风加强, 一些海洋中主要的变量表现出相应的趋势[ 13], 直接或间接地影响了深层水的形成。

北大西洋中高纬度的风应力是北欧海气候变化的重要影响因素[ 84]。Jónsson[ 85, 86]认为, 从东格陵兰流向冰岛海释放淡水的机制主要受制于该地区的风应力旋度[ 86]。Orvik和Skagseth[ 84]证明62°N处的挪威海离岸的大西洋水的北向输送与北大西洋55°N处的风应力有关, 并且存在15个月的滞后。Meincke等[ 87]扩展了Jónsson[ 86]的工作, 指出风应力旋度与格陵兰海年代际的和年际的冬季对流深度有关。

5.2 海冰的影响

海冰在高纬度气候中起着重要作用, 包括反射太阳辐射、隔离较暖的下层水和较冷的大气、结冰过程中释放卤水以及在融冰过程中补充淡水等。夏季北欧海基本无冰, 而在冬季, 北欧海的北部和西部容易形成海冰。局地海冰形成的盐析过程导致的表面浮力通量损失占总表面浮力通量损失的50%以上[ 41], 北欧海的淡水收支主要取决于北冰洋的海冰输入[ 88, 89]。表层对流对深层海洋通风的有效性主要取决于层化和相关的冰况[ 3]。其他的因素如海表面和大气之间的动量和水汽交换等, 也取决于海冰的数量[ 90]。

格陵兰海区海冰的下列物理特性可以进一步改变当地的海气系统, 直接或者间接地影响北欧海深层水的形成：

（1）高反照率。海水的反照率仅为0.0-0.10, 而海冰的反照率为0.80左右。

（2）“锅盖”效应。海冰的热传导性极差, 对海洋起着保温作用。

（3）海冰的热容。海冰的热容比纯水大, 且随盐度的增高而增大；海冰的融解潜热也比纯水冰大。

（4）海冰冻融过程。海冰生成过程能有效地促进大洋深层水的形成, 而海冰消融过程则会抑制深层水的形成[ 91, 92]。

海冰的形成受到多种因素的制约。1960年代中期以来西风加强, 导致海冰形成过程停止, 并由此引发了深层水的增暖[ 13]。另外, 通过弗拉姆海峡输入的海冰主要与局地风相联系[ 93]。海冰减少可能导致北欧海融化水路径和扩展范围的变化, 导致格陵兰海深层水形成减少, 并由此引发北半球气候的大范围改变[ 90]。

5.3 海洋层化的影响

格陵兰海存在深对流的一个重要原因是水柱中有适宜的的层结条件。气旋性风应力的加强通过Ekman抽吸过程削弱北欧海上层的层化, 提升了环流圈内部的等密面。在NAO正位相时这种密度层结的改变加强了北欧海的表面浮力通量损失, 有利于深对流的发生[ 41]。

混合层深度是表征深层水生成率强弱的一个重要物理量, 混和层越深表明垂直深对流越强。通常来说, 强盐度层结可以抑制对流, 但是少量的盐度层结却是有效地更新深层水所必需的。在只有温度层结稳定的水体中, 当表层的海水冷却时产生对流, 水柱将被逐渐的“通风”, 上混合层加深。若存在盐度层结, 则最初的冷却会降低混合层的温度但是不会增加其厚度。在低温状态下冷而淡的海水相比暖而咸的海水更可压, 最终, 表层足够冷却, 其压力将增加, 密度增大, 从而下沉到更深的深度, 所以少量的盐度层结在深层水的更新过程中占有重要地位[ 16]。

5.4 热量平流的影响

经向海洋环流的主要作用是产生体积通量、热量和盐量的经向输运。北欧海的热量平流主要来自北大西洋, 但是也有少部分热量通过北冰洋水体带入[ 13]。温暖的北大西洋水携带大量的热量进入北欧海。这些热量一部分向大气输送, 另一部分继续存在于海水中向北输送。在北欧海, 海洋全年向大气输送热量, 决定了北欧气候较同纬度其他地区更温暖[ 94]。盛行的西南风携带大量的水汽进入北欧海, 使大气吸收更多来自海洋的热量。

经向环流的热量输运受到海水垂向密度差的影响, 垂向密度差则受制于高纬地区海洋和大气间的热传递效率、北极地区的地表径流和海冰的变化情况等。北冰洋范围内地表径流量增加时, 会迫使北大西洋水向南退缩, 生成深层水的海区南移, 经向环流被削弱, 北欧海的热量平流减弱；相反地, 如果径流量减少, 北冰洋海水层化减弱, 则有利于北极海冰的形成以及大西洋表层洋流进入北冰洋, 北欧海的热量平流增强[ 32, 95]。

5.5北大西洋涛动/北极涛动的影响

北大西洋涛动（NAO）是指亚速尔高压和冰岛低压气压之间的反向变化关系[ 4], 与北欧海的海表温度(SST)密切相关[ 77], 在北欧海的气候变化中起主导作用。NAO全年都存在, 但是在冬季最为显著。NAO超前于SST, 表明SST是对大气强迫的月时间尺度上的响应[ 96, 97, 98]。

对海洋而言, NAO可以通过影响对流和海表面温度等因素而有效地影响深层水的形成, 是驱动北大西洋热盐环流年代际变化的一个重要因子。当NAO呈强正位相时, 西风较强, 较强的风应力旋度将大量的大西洋暖水和湿润空气输运到北欧海, 导致北欧气温偏高而格陵兰则气温偏低。1980年代末90年代初, NAO正位相的加强将温暖低盐的挪威大西洋水向北输运到弗拉姆海峡和巴伦支海[ 99], 引起了北极地区的增暖和北极环流及海冰的变化。NAO正位相时, 来自北大西洋温暖湿润的空气带来大量的降水, 降低了海水的盐度。另外, 北大西洋的风暴也与NAO密切相关[ 100, 101, 102], 风暴对北欧海的对流活动有重要影响。NAO正位相时, 气压差的增大将导致更多更强的冬季风暴进入北欧海甚至更北的地区, 从而限制了来自北极的冷空气的活动。负位相时, 与以上情形相反。

北极涛动（AO）是海面气压场EOF第一主模态, 其时间系数与NAO指数高度相关, 很多人认为二者是同一过程的不同表达。北欧海是北极涛动核心区[ 103]的下垫面, 势必会受到北极涛动的显著影响。当北极涛动AO指数从负值变为正值时, 通过弗拉姆海峡的淡水和海冰输出分别增加了12%和56%[ 104]。

6.北欧海深层水循环和变化
6.1海域内部深层水的循环

格陵兰海深层水主要是通过对流混合等作用局地形成的, 而邻近海盆内的深层水则是平流作用的结果。

北欧海的深层水被格陵兰-苏格兰海岭约束, 形成内部循环。由于格陵兰海和挪威海存在密度梯度[ 4], 挪威海深层水主要是格陵兰海深层水平流而来的。Aagaard等[ 67]发现, 北冰洋水可以与格陵兰海深层水混合形成挪威海深层水。1960年代以来, 格陵兰海深层水温度降低, 但是随后逐渐增高, 这主要是格陵兰海深层水形成减少以及北冰洋水补充增多。如果这种状态持续下去, 那么只需要20年格陵兰海深层水和底层水就将与北冰洋深层水性质相同, 之后挪威海深层水也会出现同样的特性[ 17]。

6.2格陵兰海深层水向北冰洋的输运

Nansen于1902年首次提出, 极地海盆中的深层水起源于格陵兰海[ 105]。后来的研究证实, 北欧海和北冰洋的深层水在弗拉姆海峡2600米以浅的深度上交换[ 106], 格陵兰海低盐低温的深层水进入北冰洋[ 26, 35]。深层水交换并不通畅, 除了地形屏障之外, 也有由风力驱动的格陵兰海气旋式流涡所产生的动力屏障[ 107]。

6.3北欧海深层水与溢流

在北欧海, 挪威大西洋水因其热含量较高而存在于表层, 无法与局地海水进行对流混合。在向北流动中, 由于向大气释放热量, 水团密度逐渐增大, 浮力减小, 进而发生对流混合, 到了78°N附近开始下沉。这个发生在北欧海的过程通常被认为是深层水生成的“预处理”过程。经过“预处理”的海水下沉形成溢流中层水的下垫面或者直接以溢流方式进入北大西洋。所以, 深层水形成, 即所谓的深层“通风”作用对热盐环流以及全球气候有着重要影响。

6.4北欧海深层水温度和盐度的多年变化

模式研究表明, 由于深层水更新缓慢, 海洋深层需要几千年的时间才能达到稳定状态[ 15]。所以, 深海的季节变化和其他短期变化都不明显, 而是表现出缓慢的长期变化态势。深层水的生成率是影响深层海水温度的重要因素。到1980年代末, 已有大量格陵兰海深层水生成率变化趋势的示踪物数据[ 34, 50]。在Schlosser等[ 34]多个示踪物的研究中,3He的长时间序列提供了1980年代格陵兰海深层水生成强烈减少的证据。Bönisch和Schlosser[ 35]在Heinze等[ 108]的时间相关动力学箱式模型的基础上引入了新的参数化方法计算深层水的生成率和交换率, 得到了更为可靠的结果。

温度

北欧海的深层水呈现变暖的趋势[ 109]。Aagaard[ 28]给出了格陵兰海在1901-1910年间和1954年观测期间增暖0.2℃的证据, 并指出1950年代和1960年代之间深海温度存在振荡。1960年代, 北欧海深层水的温度达到最小值。1960年代中期到1990年, 西风由弱变强, 阻止了海冰的生成, 北欧海表层水以下的海水普遍变淡, 格陵兰海的深层水生成显著减少甚至消失[ 110], 格陵兰海底层水逐渐变暖[ 111]（图4）。挪威海深层水在1999年之前有一个急剧的变暖过程：2000米变暖始于1986年, 然后暖信号逐渐向上传播；1993年起之后急剧的变暖暂停[ 33]。挪威海的异常增暖可能是由于格陵兰海深层水的改变或者两种参与混合的水团的比例改变引起的[ 26]。

Clarke等[ 33]认为深层水温的变化是间歇性的, 并不是每年都会发生, 与全球变暖并没有直接且明显的关系。基于实测数据, Hansen等[ 112]预测若没有其他来源补偿北欧海深层水, 那么变暖引起的深对流减弱会导致全球热盐环流的减弱和北欧海的大西洋入流流量的减少[ 113]。

图4 格陵兰海中央2 000 m以下的平均温度[ 109]Fig. 4 Time series of the mean temperature below 2 000 m in the central Greenland Sea[ 109]

盐度

20世纪后半叶以来, 北大西洋海水正经历着显著的淡化趋势[ 33]。导致北欧海海水淡化的因素有：（1）区域风类型的改变；（2）北冰洋海冰淡水输出增加[ 104, 114, 115]；（3）降水增加；（4）水团的内部再分配过程[ 37]。在格陵兰海中央大西洋水被北冰洋水代替。有学者指出, 近年来北欧海上层海水的盐度淡化趋势终止, 盐度开始升高[ 116]。

在格陵兰海, 深对流的缺失导致了底层密度降低、盐度升高；但是尽管盐度增加, 盐度最大值层的密度保持不变[ 8]。这说明, 盐度最大值被北冰洋深层流入水通过对流作用更新。

6.5 全球变暖对北欧海深层水的影响

北欧海受到北冰洋和北大西洋的双重影响。北冰洋间歇式进入北欧海的淡水（pulses）和北大西洋副热带环流及副极地环流对北欧海水温特性的年代际振荡有重要作用。全球变暖将不可避免地影响到上述因子。

全球变暖可以通过两个方面减弱热盐环流：表面增暖和表面淡化。两种方式都可以增加北大西洋和北欧海水柱的稳定性, 从而减小高纬度表面海水的密度, 抑制深层水形成。

7. 北欧海需要解决的重大科学问题

近年来北欧海和北冰洋地区的海洋和大气发生了显著变化, 主要表现在：a）1960年代以来, 西风加强, 导致冬季南欧寒冷干燥、北欧温暖湿润[ 101]；b）格陵兰海深层水形成减弱, 向北大西洋输出的高密度水减少[ 110, 112]；c）北冰洋变暖[ 117, 118], 海冰范围[ 119, 120]和厚度[ 79, 121]都在减小。过去几十年间, 海表面的盐度普遍下降[ 37, 39, 122]。北欧海作为联系北大西洋和北冰洋的枢纽, 深入了解其物理过程和机制极其重要。

7.1 北欧海深层环流的形成过程

位于苏格兰-格陵兰海岭高度以浅的海流的强度主要受制于海盆内外的压力差, 而海岭以下的海流则受到地形的强烈约束在海盆内循环。挪威海深层环流受到格陵兰海深层环流和北冰洋深层水的双重影响。但由于深层环流观测困难, 在北欧海海水结构发生显著变化的今天, 深层环流的变化还不为人知, 需要开展更多的研究, 了解深层环流变化对全球海洋循环的影响。

7.2 北欧海深层环流与上中层环流的联系

对流过程将表层水向下输运, 将中上层环流与深层环流联系在一起。Cramack[ 72]以及Carmack和Aagaard[ 30]推断格陵兰海深层水很可能形成于中层水与深层水之间的对流过程。中层与深层水之间的对流仍然是知之甚少的物理过程, 需要在未来深入研究。

7.3 北欧海对全球海洋热盐环流的驱动作用

Rooth[ 57]和Byran[ 123]研究指出, AMOC的强度主要是由北大西洋深层水的生成率决定的。北欧海的海表状况和环流热力过程对AMOC的变率有重要影响[ 18, 124]。另外, 北欧海的海冰形成过程也影响到北大西洋深层水的形成。近年来北欧海的海冰形成减少, 可能导致北欧海融化水路径和扩展范围的变化, 并通过减少全球热盐环流中格陵兰海的深层水形成而极大地影响北半球的气候。

7.4 北欧海与大气环流的耦合作用

北欧海是全球大洋中少数存在强海气耦合过程的海区之一。北欧海海气系统的交换和耦合在11月份到次年4月份最强。有研究指出, 由于淡水注入的增多而导致AMOC 的减弱, 将会引起冬季北大西洋涛动的正异常模态[ 18]。还有研究指出, 当注入到高纬度的淡水增强时, 热带年平均降水带的位置将向南偏移[ 125], 引起热带海表面盐度的变化。另外, 海表风场的变化受下垫面热力状况的影响, 而作为表层海流的驱动因素之一, 变化的海表风场又会反过来作用于大洋环流。总之, 在耦合模式当中, 海表性质、NADW 生成率、海洋内部的垂直混合以及风场等对于淡水强迫增强下AMOC 的响应所产生的影响是相互联系、相互作用的。这些事实说明, 北欧海的海气耦合在北欧海的深层水形成过程中起着重要作用, 应当受到格外的重视。

7.5 北欧海对北冰洋海洋环流和热量输运的影响

从地貌学来看北欧海的海底地壳与北冰洋连为一体, 并由深达2600米的弗拉姆海峡连通；另外北欧海的深层环流也表明它跟北冰洋之间的联系非常密切。挪威大西洋流沿挪威陆架边缘向北流动, 流过罗弗敦群岛后分叉：一支作为北角海流向东转向, 进入巴伦支海；另一支则作为西斯匹次卑尔根流部分进入极地海盆中。通过弗拉姆海峡和通过巴伦支海和喀拉海进入北冰洋的两支海流具有不同的演化历史, 在维持北冰洋的温盐结构和海冰分布上都有着举足轻重的地位。

8 总结和讨论

北欧海深层水作为影响北大西洋深层水的重要因素, 对其进行深入的研究具有重要意义。受到北欧海地形的影响, 到达北欧海的大部分暖流会形成回流。回流水分布于北欧海的主要海盆中, 水团的性质在滞留过程中发生显著改变, 通过对流过程下沉。北欧海的海气相互作用在时间和空间上都十分复杂, 冰岛低压和亚速尔高压所决定的西风带强度的变化会导致海气之间的动量、热量和淡水通量的变化, 从而影响深层水的形成过程。风应力对北欧海深层水形成的影响目前尚不明确, 但风应力旋度的影响范围可能与格陵兰海的冬季对流深度有关。北大西洋涛动（NAO）是北半球气候变化的重要指标。格陵兰海的深层水形成与NAO之间是否存在明确的联系目前仍存在争议, 但是挪威海盐度的减小被认为与NAO密切相关。

海冰的生成过程对海气动量通量和热通量产生强烈影响, 海冰的任何变化都可能引起反馈机制, 如“温度-反照率”反馈以及“锅盖”效应等。浮力通量通过影响层结而影响北欧海深层水的形成。北半球的气候环流受北欧海及邻近海区海表面温度和海冰的影响。北冰洋的陆地径流和大气环流状态的改变通过影响海冰输出而影响了北欧海深层水的形成。近几十年来, 格陵兰海深层水形成率比较低, 其受到起源于北冰洋的水团的影响越来越显著[ 126]。1960年代以来, 北欧海深层海水普遍呈现淡化的趋势。与此同时, 格陵兰海的深层水形成显著减少[ 35, 110], 格陵兰海底层水逐渐变暖[ 111]。观测数据证实了北欧海深层水的淡化和暖化趋势。

由于观测数据的限制, 北欧海深层水仍然有许多问题亟待解决, 对北欧海深层水进行深入研究和探讨是极地科学的重要使命。

本项研究由国家自然科学基金重点项目“北极海冰与上层海洋环流耦合变化及其气候效应”(41330960)和南北极环境综合考察与评估专项课题“北冰洋物理海洋与气象环境变化评价”（CHINARE2013-04-03-01）支持, 特此致谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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