前言

本书的主题是海洋和海洋过程的数值模型，也就是计算海洋动力学。尽管重点是海洋，我们也考虑了海冰和大气，因为它们与该主题有着本质联系。我们主要关注以下物理过程：大尺度环流和密度结构。《地球物理流中的小规模过程》一书对化学和生物过程的模拟进行了简要介绍，其中主要论述了与海洋中的垂直混合及运输有关的小尺度过程。

海洋建模和海洋状态的估计与理解、预测长期的天气和气候的关系日益紧密。厄尔尼诺现象，澳大利亚季风和年代间变化是三个很好的例子。海洋环流及其结构的真实模拟对渔业管理、污染控制以及许多其他海军作业等应用同样重要。本书的目的是提供与海洋建模和相关主题有关的坚实背景，虽然开始的模型比较简单，但最终将描述综合数据同化及最先进的海洋数值模型。

很显然，一个海洋模拟人员首先必须理解他试图用数字计算机要模拟的东西。因此，第1章将介绍海洋动力学的入门知识，这是海洋数值模型这一三脚椅的第一只脚。该主题包含广泛的循环特性，比如流域尺度的风力环流，Ekman层，与地形、锋面、中尺度可变性以及温盐环流有关的正、斜压流。用一种准解析的方法对待这些主题，因为海洋动力学的坚实知识基础及基本概念对一个海洋建模人员来说是必不可少的，已经具备这些知识的读者可以略读或跳过本章。第2章主要解决这张椅子的第二只脚：数值方法，熟悉数值技术是进行海洋建模的另一先决条件。本章的课题包含不同原方程和偏微分方程的显示和隐式解法，定常问题和时间依赖问题，数值化方法的稳定性，空间离散化和时间离散化。本章同时给出了不少例子，从简单的惯性振荡问题到麻省理工学院近期研究得出的最先进的非静力模型。

接下来继续解决椅子的第三只脚，即海洋数值模型本身。第3章～第5章分别是热带地区、中纬度地区和高纬度地区的海洋过程以及模拟这些过程的一些简单的数值模型。这种用纬度带的方式来划分以考虑海洋过程并对其进行数值模拟是一种很有效的方式，第3章描述了赤道波导的调整过程以及对其进行模拟的简单减重力模型。第4章描述中纬度过程，比如Rossby波、斜压不稳定和适合模拟中纬度动力学的准地转模型。第5章检测了高纬度海洋中的海冰的作用并描述了怎样模拟海冰覆盖范围。第6章是潮汐和潮汐模型，这一主题传统上是极重要的河流和河床水流动力学以及模型，但是它对于边缘海和大洋海盆的模拟也越来越重要。最后，第7章研究了海岸动力学和海岸海洋的简单的正压模型。

第8章～第9章的3个模型分别描述了用于求解控制海洋环流过程的基本方程的方法，它们是不同的垂直离散化方法。第8章描述了称为sigma坐标的地形追踪垂直坐标所构成的模型，该模型模仿了一个类似的大气模型（Phillips，1957）。开发sigma坐标模型的目的是进行陆架环流和河口环流的相关应用，这里通过使用局部深度和垂直方向的等级数对垂直距离z进行正则化后，在所有格网点处是相同的，它与局部的水柱深度无关，因此，浅海大陆架和深海区域的求解都不需要过多的垂直等级数，而且海底的运动边界条件的正确性可以得到满足。在地形梯度大的区域，用动量方程计算水平压力梯度时，模型具有承受一定截断误差的潜力（Haney，1991；McCalpin，1994；Mellor等，1994）。第9章所研究的传统z坐标系统中构建的模型虽然不受这个问题的困扰，却要受到海底深度“梯度” 离散化的影响，因此也会受到不精确的底部动力学边界条件的影响，这反过来又会导致局部垂直速度过大（Gerdes，1993）。不同格网点处的等级数是不同的，这与局部深度有关。只有上层中的垂直分辨率很高时，浅海大陆架区域才能够被恰当地进行模拟。在将z坐标系中建立的模型应用到大洋海盆中时，习惯上忽略围绕在它们边缘的浅海大陆架区域。

第10章中的海洋大气耦合模型适合于对海洋大气耦合系统的长期状态的模拟。本书没有对物理—生物耦合模型进行考虑，不过在《地球物理流中的小规模过程》一书中涉及了对它的讨论。

我们已尽可能地在本书中介绍了一些基本（但是重要）的概念以及与各课题有关的先进材料，由于科学发展突飞猛进，后者也许容易受到新知识的影响，而前者却在定义上是相对不变的，可以沿用下去。最近提供的参考资料应该能使读者在需要的情况下进一步深入研究某一特定的课题，比较适合于研究生。然而，本书也适合于熟悉流体流动的读者。本书对于教授海洋模型方面的综合性两学期制研究生课程特别有用，尽管其中一些精选的课题仅用一个学期就可以教完。

编者

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