前言

本書的主題是海洋和海洋過程的數值模型，也就是計算海洋動力學。盡管重點是海洋，我們也考慮了海冰和大氣，因為它們與該主題有著本質聯系。我們主要關注以下物理過程：大尺度環流和密度結構。《地球物理流中的小規模過程》一書對化學和生物過程的模擬進行了簡要介紹，其中主要論述了與海洋中的垂直混合及運輸有關的小尺度過程。

海洋建模和海洋狀態的估計與理解、預測長期的天氣和氣候的關系日益緊密。厄爾尼諾現象，澳大利亞季風和年代間變化是三個很好的例子。海洋環流及其結構的真實模擬對漁業管理、污染控制以及許多其他海軍作業等應用同樣重要。本書的目的是提供與海洋建模和相關主題有關的堅實背景，雖然開始的模型比較簡單，但最終將描述綜合數據同化及最先進的海洋數值模型。

很顯然，一個海洋模擬人員首先必須理解他試圖用數字計算機要模擬的東西。因此，第1章將介紹海洋動力學的入門知識，這是海洋數值模型這一三腳椅的第一只腳。該主題包含廣泛的循環特性，比如流域尺度的風力環流，Ekman層，與地形、鋒面、中尺度可變性以及溫鹽環流有關的正、斜壓流。用一種準解析的方法對待這些主題，因為海洋動力學的堅實知識基礎及基本概念對一個海洋建模人員來說是必不可少的，已經具備這些知識的讀者可以略讀或跳過本章。第2章主要解決這張椅子的第二只腳：數值方法，熟悉數值技術是進行海洋建模的另一先決條件。本章的課題包含不同原方程和偏微分方程的顯示和隱式解法，定常問題和時間依賴問題，數值化方法的穩定性，空間離散化和時間離散化。本章同時給出了不少例子，從簡單的慣性振蕩問題到麻省理工學院近期研究得出的最先進的非靜力模型。

接下來繼續解決椅子的第三只腳，即海洋數值模型本身。第3章～第5章分別是熱帶地區、中緯度地區和高緯度地區的海洋過程以及模擬這些過程的一些簡單的數值模型。這種用緯度帶的方式來劃分以考慮海洋過程并對其進行數值模擬是一種很有效的方式，第3章描述了赤道波導的調整過程以及對其進行模擬的簡單減重力模型。第4章描述中緯度過程，比如Rossby波、斜壓不穩定和適合模擬中緯度動力學的準地轉模型。第5章檢測了高緯度海洋中的海冰的作用并描述了怎樣模擬海冰覆蓋范圍。第6章是潮汐和潮汐模型，這一主題傳統上是極重要的河流和河床水流動力學以及模型，但是它對于邊緣海和大洋海盆的模擬也越來越重要。最后，第7章研究了海岸動力學和海岸海洋的簡單的正壓模型。

第8章～第9章的3個模型分別描述了用于求解控制海洋環流過程的基本方程的方法，它們是不同的垂直離散化方法。第8章描述了稱為sigma坐標的地形追蹤垂直坐標所構成的模型，該模型模仿了一個類似的大氣模型（Phillips，1957）。開發sigma坐標模型的目的是進行陸架環流和河口環流的相關應用，這里通過使用局部深度和垂直方向的等級數對垂直距離z進行正則化后，在所有格網點處是相同的，它與局部的水柱深度無關，因此，淺海大陸架和深海區域的求解都不需要過多的垂直等級數，而且海底的運動邊界條件的正確性可以得到滿足。在地形梯度大的區域，用動量方程計算水平壓力梯度時，模型具有承受一定截斷誤差的潛力（Haney，1991；McCalpin，1994；Mellor等，1994）。第9章所研究的傳統z坐標系統中構建的模型雖然不受這個問題的困擾，卻要受到海底深度“梯度” 離散化的影響，因此也會受到不精確的底部動力學邊界條件的影響，這反過來又會導致局部垂直速度過大（Gerdes，1993）。不同格網點處的等級數是不同的，這與局部深度有關。只有上層中的垂直分辨率很高時，淺海大陸架區域才能夠被恰當地進行模擬。在將z坐標系中建立的模型應用到大洋海盆中時，習慣上忽略圍繞在它們邊緣的淺海大陸架區域。

第10章中的海洋大氣耦合模型適合于對海洋大氣耦合系統的長期狀態的模擬。本書沒有對物理—生物耦合模型進行考慮，不過在《地球物理流中的小規模過程》一書中涉及了對它的討論。

我們已盡可能地在本書中介紹了一些基本（但是重要）的概念以及與各課題有關的先進材料，由于科學發展突飛猛進，后者也許容易受到新知識的影響，而前者卻在定義上是相對不變的，可以沿用下去。最近提供的參考資料應該能使讀者在需要的情況下進一步深入研究某一特定的課題，比較適合于研究生。然而，本書也適合于熟悉流體流動的讀者。本書對于教授海洋模型方面的綜合性兩學期制研究生課程特別有用，盡管其中一些精選的課題僅用一個學期就可以教完。

編者

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