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。
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. Multiyear variation of the deep water is described with the aim of giving some instructions and research directions to the readers.
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。
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。
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。
来自北冰洋的入流
溢流
3.3北欧海深层水对北大西洋深层水的贡献
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。
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。
淡水通量
热通量
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。
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。
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：
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
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。
5.5北大西洋涛动/北极涛动的影响
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。
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
温度
盐度
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。
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。
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。
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。
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。