序一

該書首先對早期的海洋建模進行回顧，在20世紀四五十年代，Jules Charney和Norman Phillips在數值天氣預測方面取得了顯著成效，來自普林斯頓高等研究院的Joseph Smagorinsky參與了他們的工作，在回到華盛頓后，他說服了美國氣象局（該局后來成為美國國家大氣和海洋管理局的一部分），要求該局支持一項富有長遠意義的工程，即建立一個包括大氣和海洋在內的全球氣候綜合數值模型。在這項工程的早期階段，從事相關工作的科學家和程序員不到10人。此外，當時工作所需要的超級計算機龐大且昂貴，并且操作不便。由于這項研究所需要的資源極大，并且它要求人們將精力集中于這樣一個長期的目標上，因此從事類似研究的組織很少便不足為奇了。

Smagorinsky率先對全球海洋環流數值模型進行了研究，他組織的實驗室被證明是進行該項工作的理想環境。賦予實驗室主任的一項開明政策使我能夠得到很多的機會，在這期間我曾經回到伍茲霍爾海洋研究所，在那里我發現同事對我的工作倍感好奇，不過他們對海洋模型的構建卻沒有積極興趣，因為做這類研究所需的工具只有在極少數的幾個專門實驗室才有。對地球物理流體動力學有興趣的研究群體是很小的，因為與之相關的海洋學所關注的問題更為抽象，雖然當時的計算機已經能夠解決該問題。

當前的情形已經截然不同，計算機設計和制造技術的巨大進步使模型構建廣泛地普及到實驗室、高等院校甚至個人，并且有的學生在進入大學前就已經擅于使用計算機。計算機模型已經成為幾乎所有科學領域中從事研究和教育的工具。物理海洋學是從一個在根本上與全球海洋的探索相關的領域發展而來的，它關注更為詳細的問題，包括海洋環流的機制及其在氣候變化中所扮演的角色。幾十年前，大多數對海洋的觀察可以歸結為一些印刷的地圖冊。現在，由衛星和觀測船所獲取的大量數據可供海洋學家使用，衛星測高儀和溫度數據讓人們首次看清了海洋的“概貌”，大氣科學家認為這是理所當然的，而在幾十年前，基于考察船獲取的觀察結果不可能得到對海洋的“概貌”。冷戰的結束使美國和蘇聯所保持的大量數據檔案公諸于眾。

同時，海洋環流數值模型可以在許多交叉學科領域發揮有益的作用。地球化學測量在檢測海洋中化學成分的微小濃度方面的能力開啟了在調查海洋混合物以及注入海洋表面的示蹤劑的全球通路的詳細信息方面的巨大的可能性。這些交叉學科領域中，很多領域是科學研究和重要國際政策問題相互交叉的。比如，一些建模團隊正嘗試著對化石燃料燃燒產生的額外二氧化碳中被海洋吸收的部分進行定量，同時嘗試確定這種吸收隨不同的氣候狀況可能產生的變化，建模團隊在嘗試著改善溫室氣體不斷增加的世界的氣候環境，這意味著要理解海洋和大氣之間的相互作用是怎樣影響著陸地的降雨量和溫度的。自原始國際氣候變化小組（IPCC）在1990年報道以后，氣候對溫室氣體的增加的反應模型被認為只有在包含海洋環流的主動模型時才是完整的。

大氣和海洋耦合模型的發展為常規的測量海洋表面以下的觀測網提供了一個堅實的基礎，并且這樣的網絡已經存在，它監視著赤道附近的太平洋發生厄爾尼諾現象的區域。除了全球問題外，海洋環流模型已在近岸區域具有很多重要的局部應用，近岸區域的模型需要科學地理解沿海環流，同時還需要解決涉及漁業管理和污染的環境問題。

隨著海洋模型在生物學、工程學、地球化學和氣候學等如此多領域中的大量重要應用，很多具有不同背景的科學家對海洋模型產生了興趣，也許一個共同的原因是他們熟悉計算機在解決科學問題方面的應用。本書由Kantha和Clayson編寫，汲取了眾多的來源和一個廣泛的背景，同時包含作者建模的一些經歷，提供一個易理解的教學工具，并對相關研究提供一個指導。它以一種通俗易懂的方式總結當前存在的對海洋環流進行數值化模擬的方法。本書為讀者提供了一條途徑，使讀者可以獨自從傳統的參考文獻或者網絡資源獲得代碼和信息，從而使其自己嘗試使用海洋模型，或者將其應用到全新的領域中去。

Krik Byran

Princeton，NJ