序二

海洋在天气和气候中起着至关重要的作用，同时也是食物和矿物质的重要来源，此外，海洋承担的商务作用对全球经济也极为关键。因此，海洋直接或间接地成为日常生活的一部分。然而，我们并没能很好地理解海洋环流的复杂性，而是仅限于对海洋的生物生产力、海洋与大气的相互作用或者海洋对不断增加的人口所倾倒的废弃物的承受程度等的理解。直到最近，我们对海洋的观测能力也还是有限的，现场测量的艰难及其高昂的成本限制了对海洋的探索能力。尽管传感器随着卫星沿轨道运行或者由自由移动的浮标携带，或者由自动的水下机器人携带，或者由暂时的战略性布局的系泊工具携带——这些20世纪科技的胜利成果已经开始填补着我们对海洋运作机制理解的知识缺口，而它们仅仅是解决方案的一部分。

在21世纪，将会越来越依赖于20世纪科学技术的另一个奇迹：高性能计算机。运行于高性能计算机上的海洋数值模型将极大地增强我们对海洋的模拟和理解能力、检测海洋当前状态的能力甚至一定程度上受到限制的预测海洋未来状态的能力，这些模型以独立模式运行或者与观测数据相结合运行。然而，它们满足当代社会需求的能力将很大程度上依赖于它们模拟海洋过程的真实程度。尽管21世纪的高性能计算机的万亿次甚至上千万亿次的强大运算能力将会有助于该项任务，但它们代替不了对潜在机制的理解及其描述。这就是为什么我们需要聪慧年轻的下一代人——计算机的使用能力得到锻炼的人，掌握必须的知识基础的人，并且自愿地去应对解密自然运作机理这一艰难任务的人。我们期望本书随同其姐妹篇《地球物理流中的小规模过程》能够有助于这项任务。

如同许多其他的计算机科学那样，海洋数值模型需要不同技术的相互结合。首要的是对海洋动力学知识或者至少对海洋静态特征有一个熟练掌握。（为了对化学状态或者生物状态进行模拟，必不可少地要具备一些关于化学过程或生物过程的知识）。与描述海洋学不同的是，动力海洋学要求学生具备足够的数学和物理学方面的技能，因为通过求解相关的守恒方程对海洋过程进行定量化的能力不是选择性的，而是必须的。其次要求的是编程以及与计算机交互的能力，对于这点，年轻一代拥有一定的优势，他们能更轻松地接触计算机。然而，他们需要熟练掌握至少一门编程语言（FORTRAN是当前用来进行科学计算的首选语言），还需要一个操作系统（当前通用的系统是UNIX）。此外，若熟悉一些基本的数值方法那就更好了。而这些必备技能的融合是很难实现的，很少有学生能够掌握所有的这些技能。从教授这一门课程的经验来看，将海洋数值模型与一些海洋动力学以及数值方法一起教授比较好，这一理念塑造了本书的内容。虽然已经具有很好的处理海洋动力学和数值方法的书籍，我们还是努力编写了本书——为了缓解参考的压力和避免被控诉，本书包括以下内容：①为试图在计算机上进行模拟的读者提供动力学的基本却较实用的知识；②不同方程和数值分析的数值解法中的一些基本概念；③海洋数值模型。然而，与次网络尺度过程相关的话题如海洋混合和建模混合层以及耦合的物理—化学—生物系统等已经分别包含在《地球物理流中的小规模过程》一书中。我们希望这两本书能够为本课题提供有用的参考。

对这样一个庞大的课题，要对其每一子课题都深入透彻的理解是不现实的，因为要做到这点，就需要对每一子课题本身进行深入描述的完整书籍。然而，我们已经设法提供关于这些与海洋模型有很大关联的课题的一些基础资料。当然，现代的参考资料让学生能够在很大深度上去详细考察一个特定的课题。写这本书的目的是使进入这一领域的新人能够轻松地学习这个课题，不过前提是他们具备必要的数学和物理学的知识以及一定的计算技能，并介绍一些当前的研究课题，而不用他们亲自去做一次广泛的文献调查。我们希望本书至少能够吸引并鼓励世界范围内的一些年轻人去从事环境科学与工程方面的职业，从而为更好地理解我们的环境和改善广大民众的生活环境方面做出贡献，在21世纪，变幻莫测的大自然将更大程度上影响我们的食物来源。

最好使用现代多媒体手段教授本学科。因为海洋数值模型与其他计算科学一样，仅仅从书本上去学习远远不够，无论所用的书本有多好。此外，它要求动手实践。因此我们希望提供本书的电子版，除了常规的硬拷贝格式外，我们还希望为学生提供电子版的源代码、数据库、彩图、动画包以及运行实例，从而让学生能够更具交互性地使用相关资料。每个章节尽可能地提供一些项目式的练习，目的在于改善学生的技能和理解力。阅读有关近岸海浪的文献与实际观察它们的传播，观察由相关参数振荡所带来的变化是两件完全不同的事。希望这些电子版的资料能够使这些枯燥、困难而且曾经也确实挫败了不少才华横溢的年轻人的课题变得更加易学且“有趣”。

Lakshmi H.Kantha　　　　　　　Carol Anne Clayson

University of Colorado　　　　 Purdue University

Boulder，Colorado　　　　West Lafayette，Indiana

kantha@ colorado.edu　　　　 clayson@ purdue.edu