序二

海洋在天氣和氣候中起著至關重要的作用，同時也是食物和礦物質的重要來源，此外，海洋承擔的商務作用對全球經(jīng)濟也極為關鍵。因此，海洋直接或間接地成為日常生活的一部分。然而，我們并沒能很好地理解海洋環(huán)流的復雜性，而是僅限于對海洋的生物生產(chǎn)力、海洋與大氣的相互作用或者海洋對不斷增加的人口所傾倒的廢棄物的承受程度等的理解。直到最近，我們對海洋的觀測能力也還是有限的，現(xiàn)場測量的艱難及其高昂的成本限制了對海洋的探索能力。盡管傳感器隨著衛(wèi)星沿軌道運行或者由自由移動的浮標攜帶，或者由自動的水下機器人攜帶，或者由暫時的戰(zhàn)略性布局的系泊工具攜帶——這些20世紀科技的勝利成果已經(jīng)開始填補著我們對海洋運作機制理解的知識缺口，而它們僅僅是解決方案的一部分。

在21世紀，將會越來越依賴于20世紀科學技術的另一個奇跡：高性能計算機。運行于高性能計算機上的海洋數(shù)值模型將極大地增強我們對海洋的模擬和理解能力、檢測海洋當前狀態(tài)的能力甚至一定程度上受到限制的預測海洋未來狀態(tài)的能力，這些模型以獨立模式運行或者與觀測數(shù)據(jù)相結合運行。然而，它們滿足當代社會需求的能力將很大程度上依賴于它們模擬海洋過程的真實程度。盡管21世紀的高性能計算機的萬億次甚至上千萬億次的強大運算能力將會有助于該項任務，但它們代替不了對潛在機制的理解及其描述。這就是為什么我們需要聰慧年輕的下一代人——計算機的使用能力得到鍛煉的人，掌握必須的知識基礎的人，并且自愿地去應對解密自然運作機理這一艱難任務的人。我們期望本書隨同其姐妹篇《地球物理流中的小規(guī)模過程》能夠有助于這項任務。

如同許多其他的計算機科學那樣，海洋數(shù)值模型需要不同技術的相互結合。首要的是對海洋動力學知識或者至少對海洋靜態(tài)特征有一個熟練掌握。（為了對化學狀態(tài)或者生物狀態(tài)進行模擬，必不可少地要具備一些關于化學過程或生物過程的知識）。與描述海洋學不同的是，動力海洋學要求學生具備足夠的數(shù)學和物理學方面的技能，因為通過求解相關的守恒方程對海洋過程進行定量化的能力不是選擇性的，而是必須的。其次要求的是編程以及與計算機交互的能力，對于這點，年輕一代擁有一定的優(yōu)勢，他們能更輕松地接觸計算機。然而，他們需要熟練掌握至少一門編程語言（FORTRAN是當前用來進行科學計算的首選語言），還需要一個操作系統(tǒng)（當前通用的系統(tǒng)是UNIX）。此外，若熟悉一些基本的數(shù)值方法那就更好了。而這些必備技能的融合是很難實現(xiàn)的，很少有學生能夠掌握所有的這些技能。從教授這一門課程的經(jīng)驗來看，將海洋數(shù)值模型與一些海洋動力學以及數(shù)值方法一起教授比較好，這一理念塑造了本書的內容。雖然已經(jīng)具有很好的處理海洋動力學和數(shù)值方法的書籍，我們還是努力編寫了本書——為了緩解參考的壓力和避免被控訴，本書包括以下內容：①為試圖在計算機上進行模擬的讀者提供動力學的基本卻較實用的知識；②不同方程和數(shù)值分析的數(shù)值解法中的一些基本概念；③海洋數(shù)值模型。然而，與次網(wǎng)絡尺度過程相關的話題如海洋混合和建模混合層以及耦合的物理—化學—生物系統(tǒng)等已經(jīng)分別包含在《地球物理流中的小規(guī)模過程》一書中。我們希望這兩本書能夠為本課題提供有用的參考。

對這樣一個龐大的課題，要對其每一子課題都深入透徹的理解是不現(xiàn)實的，因為要做到這點，就需要對每一子課題本身進行深入描述的完整書籍。然而，我們已經(jīng)設法提供關于這些與海洋模型有很大關聯(lián)的課題的一些基礎資料。當然，現(xiàn)代的參考資料讓學生能夠在很大深度上去詳細考察一個特定的課題。寫這本書的目的是使進入這一領域的新人能夠輕松地學習這個課題，不過前提是他們具備必要的數(shù)學和物理學的知識以及一定的計算技能，并介紹一些當前的研究課題，而不用他們親自去做一次廣泛的文獻調查。我們希望本書至少能夠吸引并鼓勵世界范圍內的一些年輕人去從事環(huán)境科學與工程方面的職業(yè)，從而為更好地理解我們的環(huán)境和改善廣大民眾的生活環(huán)境方面做出貢獻，在21世紀，變幻莫測的大自然將更大程度上影響我們的食物來源。

最好使用現(xiàn)代多媒體手段教授本學科。因為海洋數(shù)值模型與其他計算科學一樣，僅僅從書本上去學習遠遠不夠，無論所用的書本有多好。此外，它要求動手實踐。因此我們希望提供本書的電子版，除了常規(guī)的硬拷貝格式外，我們還希望為學生提供電子版的源代碼、數(shù)據(jù)庫、彩圖、動畫包以及運行實例，從而讓學生能夠更具交互性地使用相關資料。每個章節(jié)盡可能地提供一些項目式的練習，目的在于改善學生的技能和理解力。閱讀有關近岸海浪的文獻與實際觀察它們的傳播，觀察由相關參數(shù)振蕩所帶來的變化是兩件完全不同的事。希望這些電子版的資料能夠使這些枯燥、困難而且曾經(jīng)也確實挫敗了不少才華橫溢的年輕人的課題變得更加易學且“有趣”。

Lakshmi H.Kantha　　　　　　　Carol Anne Clayson

University of Colorado　　　　 Purdue University

Boulder，Colorado　　　　West Lafayette，Indiana

kantha@ colorado.edu　　　　 clayson@ purdue.edu