序一

该书首先对早期的海洋建模进行回顾，在20世纪四五十年代，Jules Charney和Norman Phillips在数值天气预测方面取得了显著成效，来自普林斯顿高等研究院的Joseph Smagorinsky参与了他们的工作，在回到华盛顿后，他说服了美国气象局（该局后来成为美国国家大气和海洋管理局的一部分），要求该局支持一项富有长远意义的工程，即建立一个包括大气和海洋在内的全球气候综合数值模型。在这项工程的早期阶段，从事相关工作的科学家和程序员不到10人。此外，当时工作所需要的超级计算机庞大且昂贵，并且操作不便。由于这项研究所需要的资源极大，并且它要求人们将精力集中于这样一个长期的目标上，因此从事类似研究的组织很少便不足为奇了。

Smagorinsky率先对全球海洋环流数值模型进行了研究，他组织的实验室被证明是进行该项工作的理想环境。赋予实验室主任的一项开明政策使我能够得到很多的机会，在这期间我曾经回到伍兹霍尔海洋研究所，在那里我发现同事对我的工作倍感好奇，不过他们对海洋模型的构建却没有积极兴趣，因为做这类研究所需的工具只有在极少数的几个专门实验室才有。对地球物理流体动力学有兴趣的研究群体是很小的，因为与之相关的海洋学所关注的问题更为抽象，虽然当时的计算机已经能够解决该问题。

当前的情形已经截然不同，计算机设计和制造技术的巨大进步使模型构建广泛地普及到实验室、高等院校甚至个人，并且有的学生在进入大学前就已经擅于使用计算机。计算机模型已经成为几乎所有科学领域中从事研究和教育的工具。物理海洋学是从一个在根本上与全球海洋的探索相关的领域发展而来的，它关注更为详细的问题，包括海洋环流的机制及其在气候变化中所扮演的角色。几十年前，大多数对海洋的观察可以归结为一些印刷的地图册。现在，由卫星和观测船所获取的大量数据可供海洋学家使用，卫星测高仪和温度数据让人们首次看清了海洋的“概貌”，大气科学家认为这是理所当然的，而在几十年前，基于考察船获取的观察结果不可能得到对海洋的“概貌”。冷战的结束使美国和苏联所保持的大量数据档案公诸于众。

同时，海洋环流数值模型可以在许多交叉学科领域发挥有益的作用。地球化学测量在检测海洋中化学成分的微小浓度方面的能力开启了在调查海洋混合物以及注入海洋表面的示踪剂的全球通路的详细信息方面的巨大的可能性。这些交叉学科领域中，很多领域是科学研究和重要国际政策问题相互交叉的。比如，一些建模团队正尝试着对化石燃料燃烧产生的额外二氧化碳中被海洋吸收的部分进行定量，同时尝试确定这种吸收随不同的气候状况可能产生的变化，建模团队在尝试着改善温室气体不断增加的世界的气候环境，这意味着要理解海洋和大气之间的相互作用是怎样影响着陆地的降雨量和温度的。自原始国际气候变化小组（IPCC）在1990年报道以后，气候对温室气体的增加的反应模型被认为只有在包含海洋环流的主动模型时才是完整的。

大气和海洋耦合模型的发展为常规的测量海洋表面以下的观测网提供了一个坚实的基础，并且这样的网络已经存在，它监视着赤道附近的太平洋发生厄尔尼诺现象的区域。除了全球问题外，海洋环流模型已在近岸区域具有很多重要的局部应用，近岸区域的模型需要科学地理解沿海环流，同时还需要解决涉及渔业管理和污染的环境问题。

随着海洋模型在生物学、工程学、地球化学和气候学等如此多领域中的大量重要应用，很多具有不同背景的科学家对海洋模型产生了兴趣，也许一个共同的原因是他们熟悉计算机在解决科学问题方面的应用。本书由Kantha和Clayson编写，汲取了众多的来源和一个广泛的背景，同时包含作者建模的一些经历，提供一个易理解的教学工具，并对相关研究提供一个指导。它以一种通俗易懂的方式总结当前存在的对海洋环流进行数值化模拟的方法。本书为读者提供了一条途径，使读者可以独自从传统的参考文献或者网络资源获得代码和信息，从而使其自己尝试使用海洋模型，或者将其应用到全新的领域中去。

Krik Byran

Princeton，NJ