物理海洋学需要学习什么专业知识？

1. 物理海洋学与海洋物理学的区别

严格来说，物理海洋学（Physical Oceanography）和海洋物理学（Marine/Oceanic/Ocean Physics）并不是一个学科。

简单地讲，物理海洋学是用物理学的观点和方法来研究海洋，海洋物理学是研究海洋中的物理现象和过程。

具体说明如下(吕华庆,2012)：

物理海洋学主要研究发生在海洋中的流体动力学和热力学过程，其中包括海洋中的热量平衡和水量平衡，海水的温度、盐度和密度等海洋水文状态参数的分布和变化，海洋中各种类型和各种时空尺度的海水与运动及其相互作用的规律。

海洋物理学主要研究(1)海水各类运动和海洋与大气及岩石圈的相互作用的规律，(2)海洋中的声、光、电、磁等现象和过程，(3)海洋探测的各种物理学方法。

---

2. 物理海洋学重点研究内容

主要是温盐密浪潮流，即温度、盐度、密度，波浪、潮汐、海流。

不过物理海洋学发展至今，仅用这六点概括是不够全面的。吕华庆老师认为可以概括为海洋热盐结构、海水宏观运动、海-气相互作用、海洋湍流四个方面(吕华庆,2012)。

                               
登录/注册后可看大图

---

3. 主要研究方法

                               
登录/注册后可看大图

3.1. 数据分析

包括常规数据，比如乘船出海直接观测的数据，或者验潮站等单位采集的数据，以及非常规数据，比如卫星采集的遥感数据。通过分析数据进行研究，是一种非常基础的研究方法，早期的海洋科学研究也是由此起步的。

优点是入门简单，本科生也容易上手，了解一些基础理论之后就可开展。

缺点是数据获取难，出海需要大量经费和人力资源支持，优质且独家的一手数据很少。

3.2. 数值模型

运行模型，将输出结果与观测数据和其他模型进行比对和分析，可借此了解参数变化对模型结果的影响，并可借助模型弥补观测数据的缺失。比较知名的模型有ROMS，FVCOM，HYCOM，POM等。

优点是发文章容易，而且有一定代码基础的话上手也不太困难。

缺点是对现有知识和理论难有较大突破，建立一个优质的模型非个人之力能够完成，大部分人都是用已有的模型做些简单的工作。

3.3.理论推导

进行公式推导，建立自己的理论，解释和预测海洋现象。比较知名的例子有，Ekman的风生流理论，Stommel的西向强化理论等。

优点是一旦出优质成果，很容易青史留名。

缺点是对数理基础和专业知识要求极高，很难出优质成果。

---

4. 专业知识

我国著名海洋科学家高抒老师曾说，对于有志于做海洋科学研究的本科生来说，打好数学、英语、计算机的基础非常重要。

数学为什么重要？因为要了解理论，推导公式。

英语为什么重要？因为要阅读文献，发表论文，参与国际上的学术交流。

计算机为什么重要？因为要处理数据，运行模型。

此外，由本文上述列举的研究内容可以看出，相关学科（尤其是物理）的知识也十分重要。接下来是我结合个人经验列出的清单：

数学：微积分（特别是微分方程部分），线性代数

英语：六级480以上（保研和读博有用），托福、GRE（本专业推荐出国读博）

计算机：fortran（很多海洋模型使用fortran写的），matlab（数据处理）

物理：大学物理学（热力学部分），流体力学（运动方程部分），计算流体力学

此外，再推荐几本专业相关书籍，可在http://gen.lib.rus.ec/下载。

1. Oceanography: An Invitation to Marine Science

2. Introduction to Physical Oceanography

3. Descriptive Physical Oceanography: An Introduction

4. Physical Oceanography Developments Since 1950

5. Introduction to Geophysical Fluid Dynamics

6. Numerical Methods Used in Atmospheric Models

7. Ocean Modelling for Beginners

8.《物理海洋学基础》

9.《我所理解的流体力学》

1. 物理海洋学与海洋物理学的区别
  f8 e. m2 e. O. a严格来说，物理海洋学（Physical Oceanography）和海洋物理学（Marine/Oceanic/Ocean Physics）并不是一个学科。
简单地讲，物理海洋学是用物理学的观点和方法来研究海洋，海洋物理学是研究海洋中的物理现象和过程。
" F  P5 g. i0 \" _具体说明如下(吕华庆,2012)：
物理海洋学主要研究发生在海洋中的流体动力学和热力学过程，其中包括海洋中的热量平衡和水量平衡，海水的温度、盐度和密度等海洋水文状态参数的分布和变化，海洋中各种类型和各种时空尺度的海水与运动及其相互作用的规律。
$ w- j, t. L9 q3 U5 W/ X; y4 n! i海洋物理学主要研究(1)海水各类运动和海洋与大气及岩石圈的相互作用的规律，(2)海洋中的声、光、电、磁等现象和过程，(3)海洋探测的各种物理学方法。
<hr>2. 物理海洋学重点研究内容
主要是温盐密浪潮流，即温度、盐度、密度，波浪、潮汐、海流。
不过物理海洋学发展至今，仅用这六点概括是不够全面的。吕华庆老师认为可以概括为海洋热盐结构、海水宏观运动、海-气相互作用、海洋湍流四个方面(吕华庆,2012)。
<hr>3. 主要研究方法
3.1. 数据分析
  f+ a5 q1 T. z2 x" U3 J& C包括常规数据，比如乘船出海直接观测的数据，或者验潮站等单位采集的数据，以及非常规数据，比如卫星采集的遥感数据。通过分析数据进行研究，是一种非常基础的研究方法，早期的海洋科学研究也是由此起步的。
: f" b( g6 k$ O+ b9 U优点是入门简单，本科生也容易上手，了解一些基础理论之后就可开展。
缺点是数据获取难，出海需要大量经费和人力资源支持，优质且独家的一手数据很少。
3.2. 数值模型
' _5 P6 R* H8 A2 G8 N运行模型，将输出结果与观测数据和其他模型进行比对和分析，可借此了解参数变化对模型结果的影响，并可借助模型弥补观测数据的缺失。比较知名的模型有ROMS，FVCOM，HYCOM，POM等。
7 T6 S/ \- G" ~: K( o优点是发文章容易，而且有一定代码基础的话上手也不太困难。
; ^, ^8 g. q+ k( h, F3 Q缺点是对现有知识和理论难有较大突破，建立一个优质的模型非个人之力能够完成，大部分人都是用已有的模型做些简单的工作。
3.3.理论推导
进行公式推导，建立自己的理论，解释和预测海洋现象。比较知名的例子有，Ekman的风生流理论，Stommel的西向强化理论等。
优点是一旦出优质成果，很容易青史留名。
1 y3 U/ [& d; d; `; U, T6 i, Q缺点是对数理基础和专业知识要求极高，很难出优质成果。
$ X9 B. S$ C7 s<hr>4. 专业知识
我国著名海洋科学家高抒老师曾说，对于有志于做海洋科学研究的本科生来说，打好数学、英语、计算机的基础非常重要。
* }9 a& b2 j8 P" b( ^数学为什么重要？因为要了解理论，推导公式。
英语为什么重要？因为要阅读文献，发表论文，参与国际上的学术交流。
计算机为什么重要？因为要处理数据，运行模型。
此外，由本文上述列举的研究内容可以看出，相关学科（尤其是物理）的知识也十分重要。接下来是我结合个人经验列出的清单：
数学：微积分（特别是微分方程部分），线性代数
英语：六级480以上（保研和读博有用），托福、GRE（本专业推荐出国读博）
计算机：fortran（很多海洋模型使用fortran写的），matlab（数据处理）
% b) V, N% i0 ]* E1 G* e2 ~  r物理：大学物理学（热力学部分），流体力学（运动方程部分），计算流体力学
此外，再推荐几本专业相关书籍，可在http://gen.lib.rus.ec/下载。
9 P$ R; @( e4 A" N1. Oceanography: An Invitation to Marine Science
: b+ X% P+ _9 \7 c' }2. Introduction to Physical Oceanography
$ U5 e6 Z& T4 d  B- @  B3. Descriptive Physical Oceanography: An Introduction
/ R) P( Z. ?1 F6 E' p3 v4. Physical Oceanography Developments Since 1950
' E2 Q3 i$ O( \/ ~3 A5 ~' `1 a5. Introduction to Geophysical Fluid Dynamics
/ j3 n7 L3 ?% m7 u6. Numerical Methods Used in Atmospheric Models
0 s' b' ~( C! [3 O0 q7. Ocean Modelling for Beginners
3 q  |6 u6 T( @. r% O8.《物理海洋学基础》
9.《我所理解的流体力学》

背景：物理本科，物理海洋博一在读
  ~7 ~/ C( ~/ {- K1 ]) T我觉得之前几位答主说的都很不错，要学习物理海洋一般需要不错的物理，数学，计算机，英语（排名分先后）的基础。但是学物理海洋的学生其实在这些学科上的能力参差不齐，物理海洋本身研究的方向对于这些学科知识的要求也参差不齐，所以不好一概而论。下面我将列一下我在本科和博一第一学期上过的觉得有用的课和课本（我是在美国上的本科，所以所有课本都是用英文编写的，请见谅）。
物理：
力学：作为物理的基础，本科的力学虽然在海洋上直接的应用不多，但是学习这部分知识对于理解物理学的大框架和掌握物理学的思维模式很有帮助。
% y7 W( T4 S, Z* E8 Y5 V; rKleppner, Daniel, and Robert Kolenkow. An introduction to mechanics. Cambridge University Press, 2013. （入门力学课本）
9 N) p" ~9 {  K3 q. ~Goldstein, Herbert. Classical mechanics. Pearson Education India, 2011 （稍微进阶一点的力学课本，会更多的涉及到分析力学）
% e+ m+ D  l2 M+ G9 W: [(Optional) Landau, Lev Davidovich, and E. M. Lifschic. Course of theoretical physics. vol. 1: Mechanics. Oxford, 1978. （分析力学的大作之一。但有一个问题是朗道的力学课本因为默认学生有一定的分析力学的基础，所以不注重推导而更注重结论和物理思想上的训练。而且这部分知识在海洋中比较少接触到，所以可以作为选读/一本工具书）
电磁学：电磁学相对于力学在物理海洋中的联系更少，也是更多的是对于物理方法的训练。电磁学中用到的一些数学方法（比如计算电场时的高斯定律，计算磁场时的斯托克斯定律等）在海洋/流体中比较常用。
, s+ k5 i( \2 T  F2 ~0 ePurcell, Edward M., and David J. Morin. Electricity and magnetism. Cambridge University Press, 2013. （入门电磁学书）
1 ?2 }4 B3 S; R; X6 }$ c- n（Optional) Heald, Mark A., and Jerry B. Marion. Classical electromagnetic radiation. Courier Corporation, 2012.
  ~- j  R9 q/ }0 p* _4 M波动力学：波动力学在物理海洋中很常见，尤其是在做和水波/声呐/浅水方程有关的时候，物理系的波动力学不一定直接讲海波，但是会对水波/声波的形式有推导，对于以后学习物理海洋作用还是很大的。
- d) S1 [2 J9 F) w1 X# DGeorgi, Howard. The physics of waves. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1993. Schroeder, Daniel V. "An introduction to thermal physics." (1999).
4 t' S  k# l& B: k8 q/ I$ c5 S
; ^% o% m/ |5 o5 a
/ s5 u' P, m) k+ S5 |! E数学：
6 r3 Z3 Q; ^, ?, u4 N线性代数：线性代数作为数值方法的数学基础之一，在海洋模拟里非常重要。学习线性代数也可以对理解向量空间/方程空间等思想有很大帮助。
0 r$ `9 X/ k# ~. w% N& WLinear Algebra and Its Applications by David C. Lay, Steven R. Lay, and Judy J. Mcdonald
: o+ P, U# h2 o1 l微分方程：非常重要！！！物理海洋中几乎所有描述性的方程都是微分方程（大部分还是偏微分方程），我博一第一学期上的四门课全都是在推导各种微分方程。所以学好微分方程至关重要。
/ n6 |4 i. q' I) `. GBoyce, William E., and Richard C. DiPrima. "Elementary Differential Equations and Boundary Value Problems." (2001).
2 H) k! A# T9 `9 K' a多元微积分：多元微积分也是非常重要的基础。一般配合微分方程使用。
* G* n5 P3 i( Q* B7 G/ U) hMultivariable calculus with applications by Peter Lax and Maria Shea Terrell.
# a0 t1 L/ D6 D3 S. ?统计：统计学在物理海洋中的重要程度很取决于小方向。一般来说最少要学统计学的基本知识（均值，方差，分布，回归等），但有些方向需要非常高级的统计学知识。因为我的方向不大需要高难度的统计，所以我就只上了一门很水的统计课就结束了。
Diez, David M., Christopher D. Barr, and Mine Cetinkaya-Rundel. OpenIntro statistics. Vol. 12. CreateSpace, 2012.
动力系统/混沌理论：这是一个比较专精的方向，在海洋中有些老师在用这些方法来认识海洋（比如我所知的MIT的 Themistoklis Sapsis以及Pierre Lermusiaux)，但在我理解里这不是目前主流的研究方法。
% X2 X* z* o& k7 X; ?Strogatz, Steven H. Nonlinear Dynamics and Chaos: With Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering. Hachette UK, 2014.
数学物理：这是一个比较综合的课程，主要是讲在解决物理问题中会用到的很多数学方法，比如复分析，拉普拉斯变换，曲面坐标的计算，等等。如果不想系统学习每一个在海洋研究中可能用到的数学方法的话这是一个不错的概述。
3 N/ B0 Y: ]( G; k1 d1 OKusse, Bruce R., and Erik A. Westwig. Mathematical physics: applied mathematics for scientists and engineers. John Wiley & Sons, 2010. （一本写的还算可以的教科书。里面的知识比较全，但逻辑和推导不是非常好。但最起码是可以当作工具书的）。
流体力学
! X/ T+ n2 a5 e) t7 t一般性流体力学：非常重要！！！物理海洋研究的主要对象就是海水和海水里面的物质，成分等。所以流体力学是物理海洋的基础。一般物理海洋学生必学的GFD （geophysical fluid dynamics）就是在地球影响下的流体力学。
: c1 w- o, D" s1 E% WWhite, Frank M. "Fluid mechanics, WCB." Ed McGraw-Hill Boston (1999). （入门流体力学书。比较简单易懂，有很多图）
! T' I( i& E, U; S: r4 JGoldstein, R. J., Fluid mechanics measurements. Washington : Hemisphere Pub. Corp., 1983. （实验流体力学书）
# e/ D* e0 C& O  y) IKundu, Pijush K., et al. "Fluid mechanics." (2015). (中级流体力学书。在美国基本上是大四/研一用到的课本）
Landau, Lev Davidovich, and Evgenii Mikhailovich Lifshitz. "Fluid mechanics." (1987). （又是朗道系列。Again，我个人觉得这本书对于研究物理海洋的同学用处不是很大）。
Pedlosky, Joseph.Geophysical fluid dynamics. Springer Science & Business Media, 2013. (这是一本将地球流体/海洋做为重点的书，我个人觉得非常好，介绍了绝大部分物理海洋研究需要的知识点）
4 Q( Q' D, H# G- Q: [; n湍流：湍流作为流体力学研究的皇冠之一，在海洋中也是非常常见的。但是物理海洋对于湍流的研究和机械工程等学科对于湍流的研究是不大一样的。物理海洋不侧重于研究湍流本身的性质，而侧重于研究湍流在海洋中的影响（例如能量耗散，和沉积物作用等）。
Pope, Stephen B. "Turbulent flows." (2001): 2020.


关于流体力学，美国国家委员会在60年代专门拍了一套流体现象的演示视频，非常深入浅出，值得学习。我刚在B站看到了有up主传了上来，非常用心。在此感谢
: u+ Y1 d( ]6 o& ?5 G! o【搬运】流体力学经典演示实验（流体力学影片美国国家委员会NCFMF，1961年，英文语音，无字幕）_哔哩哔哩 (゜-゜)つロ 干杯~-bilibili
- `4 r* n% a* u计算机：
0 j8 E5 k6 c% ?' z& X% B编程语言：大部分物理海洋研究都是需要或多或少的用到计算机。即使做观测的研究人员们也需要用计算机进行数据处理分析。计算机编程语言多种多样，但我个人只系统学习过MATLAB。
, z3 y  S! k; Y- w  C3 fVan Loan, Charles F., and K-Y. Daisy Fan. Insight through computing: a MATLAB introduction to computational science and engineering. Vol. 117. SIAM, 2010.
除了MATLAB之外，R/Python/Julia也可以用来做数据处理。一部分新的模型（比如Dedalus) 是用Python写成的。Fortran/C/C++是许多大型模型（比如ROMS）的编写语言，想做模拟的同学可以考虑学习一下。
' \+ r! |3 k7 }5 T' W: H数值模拟：数值模拟方法对于想做海洋模拟的同学来说至关重要。如果不了解自己所用模型背后的方法/原理，不单在使用模型的过程中会觉得很难受，而且很多时候也无法对其进行优化/改进。
8 D8 f) c9 z' v9 j) _Chapra, Steven C. "Applied numerical methods." With MATLAB for Engineers and Scientists (2012). （入门的数值模拟书）
Kincaid, D. and Cheney, W., Numerical Analysis: Mathematics of Scientific Computing,Third Edition, Brooks/Cole, 2001. （中级数值模拟书）
Moler, C.B., Numerical Computing with Matlab, SIAM, 2004 （专门为MATLAB编写的数值模拟书，比较偏向解决一些和微分方程有关的问题。个人非常推荐，书中有很多数学推导帮助学生了解算法的原理，也有很多经典的例子可以用来练习。）
Ascher, Uri M., and Chen Greif. A first course on numerical methods. Vol. 7. Siam, 2011.
; j! B8 o+ w& A  g) s" K4 i" GTrefethen, Lloyd N., and David Bau III. Numerical linear algebra. Vol. 50. Siam, 1997. （推荐，这本书主要讲的是用数值模拟的方法解和线性代数有关的问题）
Canuto, Claudio, et al. Spectral methods. Springer-Verlag, Berlin, 2006.
Kopriva, David A. Implementing spectral methods for partial differential equations: Algorithms for scientists and engineers. Springer Science & Business Media, 2009. （两本介绍Spectral method（谱方法）的书，非常有用。如果希望用模型做海洋理论的同学可以看一下）


其它学科：
' F- }, b1 ~$ L; m! w气象学：气象学虽然和海洋差的比较远，但其实他们所用的公式和研究方法都是很相近的，因为两者都研究非惯性系下的相对来说比较大尺度的流体运动。两者的区别主要在于空气是可压缩流体，以及热力学性质的不同。
（Optional）Aguado, Edward, et al. Understanding weather and climate. Upper Saddle River, NJ, USA: Pearson Prentice Hall, 2007. （基础气象学书。公式不多，主要以理解现象为主，这本书如果以后不想做和气象有关的话不用看其实）。
Holton, James R., and Gregory J. Hakim. An introduction to dynamic meteorology. Vol. 88. Academic press, 2012. （气象动力学书，和海洋比较相关）
) {0 J$ `$ g9 m) T5 }$ UPetty, G.W., A First Course in Atmospheric Thermodynamics, Sundog Publishing, 2008.
Hess, S.L., Introduction to Theoretical Meteorology,  Robert E. Krieger Publishing Co., 1979. （两本和热力学相关的书。Hess 的推导更多一些，也更难一些。Petty的书难度比较适中）
; F6 k3 H6 p, p0 b  x" `6 }以上

数学：高等数学分析，概率统计，线性代数，数学物理方法，计算方法，海洋要素计算
物理：力学，声学，光学，电磁学，理论力学，流体力学，物理海洋学，动力气象学
3 O  U% {9 _- U; \2 A& `计算机：fortran，matlab必会，其他如python等建议自学一些
英语：六级是最低要求，最好达到gre的阅读水平
* W/ T0 S0 F0 n9 i海洋科学专业本科期间的理论知识大概就是这样，但是因校而异。海大的海洋科学着重培养物理海洋方向的学生，而厦大似乎是偏向海洋物理方面（物理学和计算机学的少，生物化学稍多，故专业也稍显轻松，如有不对还请知友指正）

我是海洋物理的呀。。
/ o$ H; I4 }3 H# N+ q+ C! ]6 l) [9 T物理海洋在我们学校还是很好的。。
& T. x& }0 E: e( A( N! s( {虽然我们跟物理海洋名字差不多。。
4 I6 ]/ o% F% ^4 ?1 V其实他们学海洋我们学物理。。
简直物理大坑。。