北欧海深层增暖和北极锋面分叉的物理过程

摘要

北欧海既是大西洋与北冰洋之间最重要的海洋联系纽带，同时也是北极涛动的核心区。特殊的地理条件使得表层水体通过对流与混合过程可以实现和中层，甚至和深层之间的水体交换，从而使北欧海成为影响北半球高纬度海洋垂向热盐分配的重要一环，是北大西洋溢流水和北冰洋中层水的源地。研究北欧海内部海洋结构的变化趋势及其相关的物理过程，尤其在当前北极气候快速变化的背景下，对于认识北欧海在区域及全球海洋-大气气候系统中的作用和地位有重要意义。
　　自1970年以来，北欧海三个主要海盆（格陵兰海盆，罗弗墩海盆和挪威海盆）的深层表现出一致的增温趋势，其中增温最早同时也最为明显的是格陵兰海盆，在3000m深度上40年来水体的升温幅度达到了0.37℃。相比之下，罗弗墩海盆和挪威海盆深层水的增温幅度要偏弱一些，这与挪威海盆原海盆深层水体积量大，通过深层环流进行的水体更新较缓慢有关。除深层的增温外，近些年来北欧海深层的盐度也出现了增加，导致当前北欧海内部，尤其是格陵兰海盆深层和上层海洋之间的密度差异逐渐增大。近半个世纪以来格陵兰海深层对流总体上是在减弱的，尤其是最近20年来几乎处于停滞状态，这也是造成目前格陵兰海深层增温增盐的主要原因。来自北冰洋相对高温高盐的北极深层水通过弗拉姆海峡持续进入北欧海深层，而深对流减弱之后与上层相对低温低盐水体的交换不足以抵消北极深层水带来的影响。当前深层增强的层化导致了中层和深层之间的海洋层结更加稳定，这会进一步抑制海盆内深对流的发生与发展，加剧北欧海深层的升温和增盐过程。
　　格陵兰海中层与表层的通风会导致海盆中层的降温和降盐，这有助于维持格陵兰海中层水低温低盐的性质，同时通过与深层之间的对流混合过程可以中和北极深层水带来的影响。但是当前在格陵兰海次表层至中层的水体温度和盐度其变化与深层的变化趋势基本一致，以对流到某一深度海水所需释放的热量作为衡量水体稳定度的标准，发现2003年之后格陵兰海在中层的稳定度出现了明显下降的趋势。这是因为弗拉姆海峡附近回流的北大西洋水为海盆的次表层带来了大量盐分，同时海洋内部的混合过程导致当前次表层和中层之间水体性质差异减少，层化减弱。虽然这种变化有利于中层对流的发生和发展，但是次表层至中层增加的盐分同时也导致了对流水体温度的升高，使得即便未来格陵兰海深对流重新恢复后北欧海深层水体的增温趋势也还会持续下去，直至其上层通过水体交换将目前额外增加的盐分排出。
　　扬马延海脊-扬马延破碎带-莫恩海脊是北欧海三个主要海盆相接的区域，北极锋在这里构成一浅一深的倒“人”字形分叉结构。这种结构表明格陵兰海盆内的水体在300m以浅不能直接进入其他两个海盆，但是在300m以深则存在通过中层的环流和挪威海盆进行水体交换的可能。格陵兰海次表层之下水体持续地增温增盐导致当前格陵兰海盆中层海水的温度和盐度已经超过了其他两个海盆，2014年的观测显示格陵兰海次表层的高盐水体通过扬马延水道进入挪威海盆后，沿挪威海西侧的扬马延海脊向南流动。这支目前盐度已经超过34.915psu的变性后的大西洋回流水为挪威海盆的中层(400m～1500m)带来了额外的盐分，对维持挪威海盆中层水的盐度有重要意义。
　　我们对1979年以来北冰洋海冰漂流的多年变化进行了分析，研究发现北冰洋中央区的海冰漂流主要存在波弗特涡流/穿极流型，反气旋涡流型，气旋涡流型和内外对称流型这4种类型，不同的类型对于北冰洋海冰维持的贡献不同。夏季北冰洋海冰受到低压气旋的影响盛行以气旋式漂流为主的气旋涡流型，而冬季相对来说北冰洋上空被波弗特高压控制，此时海冰漂流多呈现出反气旋式运动。在年际变化方面，当北极涛动(AO)处于较强的正（负）位相时，北冰洋海冰运动更多地表现出运动性质更加一致的气旋涡流型（反气旋涡流型），而当AO接近中性时，则会有更多的过渡类型发生，导致北冰洋的海冰漂流形式变得更加复杂。
　　海冰拖曳冰底海水所形成的Ekman漂流的影响深度会随着混合层的减薄而变浅，同时混合层内海水动量相对于海洋无层化的情况有所增加，而且混合层越薄，混合层内动量的增加越显著。按照当前加拿大海盆混合层平均厚度减薄至20m计算，冰下Ekman漂流结构调整所导致的混合层总动量增加了大约10％。上层海水流动加快除了导致加拿大海盆内波弗特流涡的加强外，还会通过减少海冰与海水之间的应力导致海冰运动速度的进一步加快。如果以北冰洋冰表面风速与海冰速度的比值作为衡量海冰运动状态的一个因子，我们发现2003年至2012年间该因子相较1979年至2003年的平均值减少了近30％，而且海冰流动性冬季低夏季高的周期变化几乎消失。这表明自2003年以来北冰洋的海冰，尤其是冬季海冰在同样风速条件下流动性更高，运动地更加快速。海冰速度变大之后一方面会导致结冰期海冰在海盆内部生长增厚的时间减少，从而不利于北冰洋总冰量的维持和积累，另一方面也可能会导致淡水输出（固态的海冰和海冰拖曳下海洋边界层内的淡水）的暂时增加，尤其是冬季淡水输出量的变化对于格陵兰海的表层冷却对流有重要影响。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 北欧海基本水文特征

1．1．1 北欧海地形

1．1．2 北欧海水团，锋面以及环流

1．1．3 北欧海在区域及全球气候系统中的作用

1．2 北冰海冰漂流与上层海洋

1．3 科学问题的提出及本文主要研究内容

1．4 本文研究意义

2．北欧海当前水文基本特征和结构

2．1 数据介绍

2．2 北欧海水团性质与分布

2．2．1 上层海洋

2．2．2 中层海洋

2．2．3 深层海洋

2．3 格陵兰海盆冷却对流的深度

2．4 小结

3 北极锋锋面结构与水体交换

3．1 北极锋面空间结构

3．2 格陵兰海盆与挪威海盆中层水体通道

3．3 本章小结

4 北欧海温盐特征的多年变化

4．1 数据处理方法介绍

4．2 加速增暖的海盆深层水

4．3 海盆内温盐结构的多年变化

4．4 格陵兰海盆内上层和中层温盐结构的多年变化

4．5 小结

5．北极海冰漂流及其对北冰洋上层海洋的影响

5．1 数据和分析方法说明

5．2 北冰洋海冰漂流的变化

5．2．1 海冰漂流类型的划分

5．2．2 北冰洋海冰漂流类型的季节变化

5．2．3 北冰洋海冰漂流与北极涛动关系

5．2．4 北冰洋海冰漂流状态的多年变化

5．3 冰下海洋Ekman层

5．3．1 湍流粘性系数的参数化

5．3．2 迭代法求解Ekman漂流

5．3．3 混合层减薄对冰下海洋Ekman层的影响

5．4 小结

6．工作总结与展望

6．1 主要结论

6．2 主要创新点

6．3 现阶段研究不足以及未来展望

参考文献

致谢

个人简历

已发表的学术论文