洋流可以用海水的位温、盐度、密度、压力、两个水平速度分量和垂直速度等七个要素在三维空间的分布及其随时间的演变来描述。这七个要素在旋转球面上满足简化的纳维-斯托克斯方程（简称N-S方程），其热动力驱动项为各种能量源（太阳辐射、风应力、蒸发和降水等）。海洋环流模式是在超级计算机上通过确定的计算方法和坐标系统求解纳维-斯托克斯方程的计算模型。

20世纪60年代，美国地球物理流体动力学实验室（GFDL）的K.布莱恩（Kirk Bryan）提出“刚盖假定”（rigid-lid）近似滤去自由表面重力波，使海洋环流模式的时间步长可增加到当时计算机的承受范围内。基于这个假定，GFDL发展了二维模式、三维箱模式以及三维全球模式。从70年代中期开始，布莱恩及其同事M.考克斯（Mike Cox）和B.森特纳（Bert Semtner）所建立的GFDL海洋环流模式（又称“Bryan-Cox-Semtner”模式）得到了充分的发展、推广和应用，并在大尺度海洋环流和气候数值模拟中长期处于主导地位。90年代初，为了预测潮汐作用及比较卫星高度数据，直接预报海洋表面的高度和压力的方法得到发展。由于算法改进，考虑表面重力波，能模拟海表面起伏的自由面海洋环流模式获得了广泛应用。

三维海洋环流模式的原始方程是在球坐标上简化和修改的纳维-斯托克斯方程，满足能量守恒、体积守恒（或质量守恒）和动量守恒。纳维-斯托克斯方程通过静力平衡近似、包辛内斯克近似以及湍流黏性假定等进行简化。海洋环流模式网格离散化中有不能被模式网格所分辨的物理过程，称为“次网格”过程。“次网格”过程需要进行参数化处理，包括动量/示踪物方程中水平方向和垂直方向的黏性/扩散项、高纬度深对流过程、太平洋短波辐射穿透项、海表湍流通量、潮汐和内波等。最重要的次网格参数化是沿等密度面扩散方案（GM90方案），该方案被用于刻画中尺度涡旋对于大尺度位温、盐度及其他示踪物的作用。GM90方案的引入全面改进了对主温跃层结构、经向热输送和对流发生区等方面的描述，并已成为不能分辨中尺度涡的位势垂直坐标海洋环流模式必须引入的参数化方案。在垂直方向上，海洋与大气交换中起重要作用的是海表边界层混合层参数化，包括整体混合层和连续垂直混合两类方案。

海洋环流模式根据垂直坐标可分为位势模式、等密度面模式和随地形起伏模式。前者把海洋想象成由一系列非混合的层次所构成，界面位置作为动力学的一部分随时间不断调整，能较好模拟上层海洋的动量、热量和质量的垂直交换过程。后者假定坐标不随时间变化，但随底地形变化，可用于处理复杂地形和浅水区域，方便引入大陆架地形。此外，海洋环流模式根据海表是否采用近似可分为“刚盖假定”近似模式和自由面模式；根据近似方法可分为有限差分和有限元模式；根据是否随密度变化可分为正压模式和斜压模式。

IPCC第三次评估报告将海洋环流模式水平分辨率进行分类。水平分辨率大于2/3°为粗分辨率；水平分辨率介于1/6°至2/3°为涡相容分辨率；水平分辨率小于1/6°为涡分辨率。粗水平分辨率通常采用Arakawa B网格，这种网格有利于波在网格上的传播。主流涡分辨率模式则倾向采用Arakawa C网格，这主要是因为它对罗斯贝变形半径较大流体有较好的频散性质和在计算散度和涡度时的便利性和高精度等优点。

首先，海洋环流模式是气候研究和模拟的工具。单独海洋环流模式不仅可以模拟洋流和海水物理属性的气候态特征还可以理解海洋在不同时空尺度上对外强迫的响应，包括水团演变、热含量变化以及海洋环流变化等。作为耦合模式分量，海洋环流模式可用于研究海洋-大气相互作用，如气候反馈、全球变暖等问题以及太阳轨道参数变化等带来的古气候变化问题。而且，海洋环流模式耦合海洋生态系统模式可以通过对海洋碳循环和氮循环的模拟研究，以评估海洋中的碳水平演变并预估未来海洋对大气二氧化碳（CO₂）的吸收和储存能力。此外，海洋环流模式还可用于气候预测，利用客观分析、资料同化和给定大气强迫，进行月、季、年际甚至年代际尺度的气候预测。

超级计算机运算速度呈指数递增，各种现场观测资料、卫星资料采集时间间隔越来越短，空间越来越精细，有助于海洋环流模式提高时空分辨率模拟。截止到2016年底，美国GFDL的模块化海洋模式（MOM）、德国马普气象研究所（MPI）的海洋模式（MPIOM）以及中国科学院大气物理研究所（IAP）大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）发展的气候系统海洋模式（LICOM）等高分辨率海洋模式的水平分辨率均已经达到1/10°。欧洲海洋核心模式（NEMO）甚至到达1/16°。上述海洋环流模式垂直方向分层至少在55层以上。此外，强迫场时频的提高可利用海洋环流模式开展日变化研究。

全球海洋环流模式为提高计算效率均采用水平矩形网格。但其水平网格分辨率较粗，无法对关心海域进行细致的模拟。因此，构建出具有“研究海域”局部加密，而“其他区域”网格稀疏，无须开边界条件的全球海洋三角形网格，成为必要途径。通过将边界点的笛卡尔坐标转化为法向、切向坐标，能有效处理不规则海陆边界问题。

海洋环流的主要能源来自大尺度，而耗散主要发生在小尺度，因此能量向小尺度串级的总趋势不可避免。当气候变化时，次网格过程的参数化也应随之改变。但粗分辨率海洋环流模式所采用的次网格参数化大多数并不随气候变化而变化，与实际情况不符。因此，随着水平分辨率的提高以及对次网格过程参数化研究的深入，未来有望改进次网格参数化，使之能随气候变化而改变。

海洋生物地球化学过程是指海洋环境中生物参与下的生源要素或与生物有关元素的生物地球化学过程或循环，如碳、氮、磷、氧、硅等生源要素的循环，它是控制海洋系统的一个重要组成部分。发展三维显式海洋生态系统的模式及其与海洋模式的耦合是研究全球变暖的一个重要方向。通过海洋碳循环和氮循环的模拟研究，以评估海洋中的碳水平演变并预估未来海洋对大气二氧化碳的吸收和储存能力。