海洋動(dòng)力系統(tǒng)控制方程組集及其解析應(yīng)用實(shí)例

目錄
**篇 海洋流體運(yùn)動(dòng)基本控制方程組
**章 海洋流體及其平衡態(tài)熱力學(xué)基礎(chǔ) 2
1.1 海洋流體的形成演化和組分模型 3
1.1.1 海洋流體的形成演化簡(jiǎn)要模型 3
1.1.2 海水組分定比關(guān)系和鹽度定義 7
1.2 海水的平衡態(tài)熱力學(xué) 10
1.2.1 海水質(zhì)點(diǎn)和局部熱力學(xué)平衡態(tài) 10
1.2.2 熱力學(xué)勢(shì)函數(shù)和Gibbs關(guān)系式 12
1.2.3 海水熱力學(xué)參變量及其勢(shì)函數(shù)表示 20
1.2.4 海水熱力學(xué)不等式 25
1.3 討論和結(jié)論：國(guó)際海水熱力學(xué)方程—2010，簡(jiǎn)稱(chēng)TEOS-10，熱力學(xué)部分 29
1.3.1 海水基本熱力學(xué)變量系的測(cè)定 29
1.3.2 海水Gibbs勢(shì)函數(shù)的表示及其他熱力學(xué)勢(shì)函數(shù) 33
1.3.3 基本熱力學(xué)屬性參變量和有關(guān)導(dǎo)出參變量的計(jì)算 36
第二章 海洋流體動(dòng)力學(xué)控制方程組 38
2.1 海洋流體運(yùn)動(dòng)基本方程組 39
2.1.1 質(zhì)量守恒方程和鹽量守恒方程 40
2.1.2 動(dòng)量平衡方程和角動(dòng)量平衡方程 42
2.1.3 機(jī)械能平衡方程、內(nèi)能平衡方程和總能量守恒方程 44
2.2 海洋運(yùn)動(dòng)的若干導(dǎo)出方程，力學(xué)熱學(xué)化學(xué)力和通量表示 48
2.2.1 渦度和位渦度，渦度和位渦度平衡方程組 49
2.2.2 比熵平衡方程，熱學(xué)化學(xué)力學(xué)力和通量表示式 51
2.3 海洋流體運(yùn)動(dòng)邊界條件 58
2.3.1 海面邊界條件：質(zhì)量、鹽量、熱量和動(dòng)量通量邊界條件 58
2.3.2 海底邊界條件：質(zhì)量、鹽量、熱量和動(dòng)量通量邊界條件 61
2.4 討論和結(jié)論：國(guó)際海水熱力學(xué)方程—2010，簡(jiǎn)稱(chēng)TEOS-10，動(dòng)力學(xué)部分 62
第三章 海洋流體運(yùn)動(dòng)實(shí)用控制方程組 65
3.1 問(wèn)題的提出：海洋流體運(yùn)動(dòng)基本控制方程組 66
3.1.1 變量系的海洋運(yùn)動(dòng)基本控制方程組 66
3.1.2 簡(jiǎn)約變量系的海洋運(yùn)動(dòng)控制方程組 69
3.2 變量系中Boussinesq近似的基本控制方程組 72
3.2.1 Boussinesq近似的質(zhì)量守恒方程 72
3.2.2 Boussinesq近似的動(dòng)量平衡方程和鹽量守恒方程 74
3.2.3 Boussinesq近似的溫度-壓力平衡方程 75
3.2.4 Boussinesq近似的通量表示式 76
3.2.5 Boussinesq近似的海面和海底邊界條件 76
3.3 簡(jiǎn)約變量系中Boussinesq近似的海洋運(yùn)動(dòng)控制方程組 79
3.3.1 Boussinesq近似的海洋運(yùn)動(dòng)方程 79
3.3.2 Boussinesq近似的海洋運(yùn)動(dòng)邊界條件 79
3.4 環(huán)流局域自然坐標(biāo)系中坐標(biāo)變換的海洋運(yùn)動(dòng)控制方程組 80
3.4.1 環(huán)流局域自然坐標(biāo)系中的海洋運(yùn)動(dòng)控制方程組 80
3.4.2 環(huán)流局域自然坐標(biāo)系中坐標(biāo)變換的海洋運(yùn)動(dòng)控制方程組 83
第二篇 系統(tǒng)科學(xué)概要和海洋動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)建
第四章 系統(tǒng)科學(xué)概要 92
4.1 系統(tǒng)科學(xué)的形成和發(fā)展 94
4.1.1 系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的科學(xué)需求和社會(huì)需求 94
4.1.2 系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的主要成就 95
4.1.3 系統(tǒng)科學(xué)在中國(guó)的發(fā)展 97
4.2 系統(tǒng)科學(xué)的概念和方法 100
4.2.1 系統(tǒng)科學(xué)的基本概念 100
4.2.2 系統(tǒng)科學(xué)的方法論 106
4.3 討論和結(jié)論：物理海洋學(xué)研究的系統(tǒng)科學(xué)基本架構(gòu) 107
4.3.1 “全覆蓋-不疊置”運(yùn)動(dòng)類(lèi)的控制機(jī)理劃分原則 108
4.3.2 與運(yùn)動(dòng)類(lèi)劃分原則相洽的描述量可加性分解?合成演算樣式 109
4.3.3 包括組分集合及其相互作用集合的海洋動(dòng)力系統(tǒng)建立 111
第五章 海洋動(dòng)力系統(tǒng)及其控制方程組集 114
5.1 海洋運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)四運(yùn)動(dòng)類(lèi)劃分原則和相洽的運(yùn)動(dòng)類(lèi)分解-合成運(yùn)算樣式 115
5.1.1 具有物理確定意義的海洋動(dòng)力系統(tǒng)四運(yùn)動(dòng)類(lèi)劃分原則 115
5.1.2 與四運(yùn)動(dòng)類(lèi)劃分原則相洽的描述量可加性分解-合成演算樣式 124
5.2 變量系中的海洋動(dòng)力系統(tǒng)控制方程組完備集 126
5.2.1 非線(xiàn)性力湍流大運(yùn)動(dòng)類(lèi)控制方程組和湍流剩余類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制方程組 127
5.2.2 重力（波動(dòng)+渦旋）大運(yùn)動(dòng)類(lèi)控制方程組和地轉(zhuǎn)力環(huán)流大運(yùn)動(dòng)類(lèi)控制方程組 132
5.2.3 重力波動(dòng)和重力渦旋標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)類(lèi)控制方程組對(duì) 141
5.3 簡(jiǎn)約變量系中的海洋動(dòng)力系統(tǒng)控制方程組完備集 145
5.3.1 湍流大運(yùn)動(dòng)類(lèi)控制方程組和湍流剩余類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制方程組 146
5.3.2 重力（波動(dòng)+渦旋）和環(huán)流大運(yùn)動(dòng)類(lèi)控制方程組 150
5.3.3 重力波動(dòng)和重力渦旋標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)類(lèi)控制方程組對(duì) 157
5.4 討論和結(jié)論 160
5.4.1 較大尺度前類(lèi)對(duì)本類(lèi)的平流輸運(yùn)和剪切?梯度生成項(xiàng) 160
5.4.2 本類(lèi)運(yùn)動(dòng)自身的非線(xiàn)性偏差剩余相互作用項(xiàng) 161
5.4.3 較小尺度前類(lèi)運(yùn)動(dòng)對(duì)本類(lèi)運(yùn)動(dòng)的輸運(yùn)通量偏差剩余混合項(xiàng) 163
5.4.4 海洋動(dòng)力系統(tǒng)相互作用項(xiàng)的表示運(yùn)算 164
第三篇 海洋動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)類(lèi)相互作用解析研究實(shí)例
**子篇 湍流動(dòng)力學(xué)和湍流混合動(dòng)力學(xué)的解析初步 168
第六章 湍流輸運(yùn)通量剩余混合的數(shù)學(xué)物理描述基礎(chǔ)——湍流二階矩和基本特征量控制方程組的結(jié)構(gòu)均衡閉合 169
6.1 海洋動(dòng)力系統(tǒng)的湍流二階矩和基本特征量控制方程組 170
6.1.1 海洋動(dòng)力系統(tǒng)湍流大運(yùn)動(dòng)類(lèi)控制方程組的導(dǎo)出 170
6.1.2 湍流二階矩控制方程組的導(dǎo)出 176
6.2 湍流二階矩控制方程組閉合的結(jié)構(gòu)均衡表示形式 178
6.2.1 結(jié)構(gòu)均衡形式表示的湍流高階矩項(xiàng)二階矩閉合假定 178
6.2.2 結(jié)構(gòu)均衡形式表示的湍流二階矩控制方程組閉合處理 180
6.3 閉合湍流基本特征量控制方程組的結(jié)構(gòu)均衡形式表示 193
6.3.1 簡(jiǎn)約湍流動(dòng)能方程的導(dǎo)出和它的結(jié)構(gòu)均衡閉合表示 194
6.3.2 簡(jiǎn)約湍流動(dòng)能耗散率方程的導(dǎo)出和它的現(xiàn)有閉合處理做法 194
6.3.3 湍流基本特征量方程組的海面邊界條件 199
6.4 結(jié)論和討論 201
第七章 海浪生湍流基本輸運(yùn)通量及其對(duì)環(huán)流混合系數(shù)的改進(jìn)Prandtl混合模型規(guī)范化陳述 204
7.1 問(wèn)題的提法 205
7.2 湍流基本特征量閉合方程組及其飽和平衡意義的理論?實(shí)驗(yàn)關(guān)系 210
7.2.1 簡(jiǎn)約湍流動(dòng)能閉合方程和基本特征量理論關(guān)系 211
7.2.2 湍流動(dòng)能耗散率測(cè)量分析及其單一參變量四次方擬合結(jié)果 214
7.2.3 湍流基本特征量和混合長(zhǎng)度的理論?實(shí)驗(yàn)關(guān)系解析估計(jì) 218
7.3 海浪生湍流基本輸運(yùn)通量的飽和平衡估計(jì)和對(duì)環(huán)流混合系數(shù)的上確界估計(jì) 220
7.4 討論和結(jié)論 221
7.4.1 Prandtl混合模型海浪生湍流基本輸運(yùn)通量和對(duì)環(huán)流混合系數(shù)表示的動(dòng)力學(xué)解譯 221
7.4.2 **的海浪生湍流基本特征量閉合方程組 223
第八章 湍流基本輸運(yùn)通量結(jié)構(gòu)均衡形式表示和湍流對(duì)剩余類(lèi)運(yùn)動(dòng)混合項(xiàng)及其混合系數(shù)的解析和數(shù)值確定 226
8.1 問(wèn)題的提法 227
8.1.1 對(duì)湍流的分子力作用和湍流剩余運(yùn)動(dòng)類(lèi)的剪切-梯度生成作用 227
8.1.2 湍流對(duì)剩余運(yùn)動(dòng)類(lèi)的混合項(xiàng)及其混合系數(shù)的結(jié)構(gòu)均衡形式表示 229
8.2 湍流基本特征量閉合方程組及其飽和平衡意義理論和實(shí)驗(yàn)關(guān)系 235
8.2.1 湍流動(dòng)能閉合方程和基本特征量理論關(guān)系 235
8.2.2 湍流動(dòng)能耗散率測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合分析和基本特征量實(shí)驗(yàn)關(guān)系 237
8.2.3 飽和平衡意義下的湍流基本特征量和混合長(zhǎng)度解析表示 243
8.2.4 一個(gè)**的湍流動(dòng)能耗散率閉合方程 245
8.3 湍流剩余類(lèi)運(yùn)動(dòng)的湍流混合項(xiàng)及其混合系數(shù)上確界估計(jì) 246
8.3.1 飽和平衡意義下的湍流基本輸運(yùn)通量解析估計(jì) 246
8.3.2 湍流剩余類(lèi)運(yùn)動(dòng)的湍流混合項(xiàng)及其混合系數(shù)上確界估計(jì) 247
8.4 討論和結(jié)論：湍流統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)和混合動(dòng)力學(xué)初步 248
8.4.1 湍流統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)初步 248
8.4.2 湍流混合動(dòng)力學(xué)初步 250
第二子篇 “一般海洋”簡(jiǎn)化重力波動(dòng)“統(tǒng)一解析理論”及其應(yīng)用實(shí)例 255
第九章 “一般海洋”簡(jiǎn)化的重力波動(dòng)“統(tǒng)一解析理論” 256
9.1 問(wèn)題的提出 257
9.2 環(huán)流局域自然坐標(biāo)系的重力（波動(dòng)+渦旋）和環(huán)流控制方程組 257
9.2.1 環(huán)流局域自然坐標(biāo)系的湍流剩余類(lèi)運(yùn)動(dòng)控制方程組和重力（波動(dòng)+渦旋）樣本集合上定義的Reynolds平均運(yùn)算 257
9.2.2 環(huán)流局域自然坐標(biāo)系的重力（波動(dòng)+渦旋）和環(huán)流控制方程組 260
9.3 “一般海洋”簡(jiǎn)化的重力波動(dòng)“統(tǒng)一解析理論” 267
9.3.1 “一般海洋”可解析解簡(jiǎn)化的重力波動(dòng)控制方程組 267
9.3.2 “一般海洋”簡(jiǎn)化重力波動(dòng)控制方程組的“統(tǒng)一解析解” 269
9.4 討論和結(jié)論：“一般海洋”簡(jiǎn)化的海浪、內(nèi)波和慣性波“統(tǒng)一解析解”表示 282
9.4.1 “一般海洋”簡(jiǎn)化的海浪“統(tǒng)一解析解”表示 282
9.4.2 “一般海洋”簡(jiǎn)化的內(nèi)波“統(tǒng)一解析解”表示 286
9.4.3 “一般海洋”簡(jiǎn)化的慣性波“統(tǒng)一解析解”表示 289
附錄9 復(fù)頻率垂直不變性的證明 292
第十章 “典型-簡(jiǎn)單”重力波動(dòng)及其單一參變量：集合平均密度垂直修正速度剪切模的“統(tǒng)一解析表示” 294
10.1 問(wèn)題的提出 295
10.2 “典型-簡(jiǎn)單”重力波動(dòng)的“統(tǒng)一解析解”表示 295
10.2.1 “典型-簡(jiǎn)單”重力波動(dòng)表示參變量的退化形式 295
10.2.2 “典型-簡(jiǎn)單”重力波動(dòng)的“統(tǒng)一解析解”表示 296
10.3 “典型-簡(jiǎn)單”重力波動(dòng)生湍流單一參變量，集合平均密度垂直修正速度剪切模的“統(tǒng)一解析解”表示 299
10.3.1 湍流剩余類(lèi)運(yùn)動(dòng)單一參變量的動(dòng)力學(xué)引入及其理論和實(shí)驗(yàn)意義 299
10.3.2 “典型-簡(jiǎn)單”重力波動(dòng)的集合平均單一參變量“統(tǒng)一解析解”表示 305
10.4 結(jié)論和討論 306
10.4.1 “典型-簡(jiǎn)單”的重力波動(dòng)“統(tǒng)一解析解”表示 307
10.4.2 “典型-簡(jiǎn)單”重力波動(dòng)速度剪切模解析表示 310
第三子篇 “一般海洋”簡(jiǎn)化的重力渦旋“統(tǒng)一解析理論”及其應(yīng)用實(shí)例 312
第十一章 “一般海洋”簡(jiǎn)化的重力波動(dòng)“統(tǒng)一解析理論” 313
11.1 問(wèn)題的提法 314
11.1.1 海洋動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)類(lèi)劃分以及實(shí)用重力渦旋標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)類(lèi)控制方程組導(dǎo)出 314
11.1.2 地轉(zhuǎn)及剩余力環(huán)流與重力渦旋相互作用觀測(cè)和觀測(cè)計(jì)算事實(shí)的動(dòng)力學(xué)解譯研究 317
11.2 ?“一般海洋”簡(jiǎn)化的重力渦旋“統(tǒng)一解析理論” 319
11.2.1 地轉(zhuǎn)力環(huán)流局域自然坐標(biāo)系Sigma坐標(biāo)變換重力渦旋控制方程組的“一般海洋”可解析解簡(jiǎn)化 319
11.2.2 “一般海洋”簡(jiǎn)化重力渦旋控制方程組的解析解 324
11.3 討論和結(jié)論：按存在性限制條件確定的垂直和水平旋轉(zhuǎn)指向重力渦旋解析表示 334
11.3.1 重力渦旋的存在性限制條件 334
11.3.2 **存在性限制條件規(guī)定的垂直旋轉(zhuǎn)指向重力渦旋 335
11.3.3 第二存在性限制條件規(guī)定的水平旋轉(zhuǎn)指向重力渦旋 336
附錄11 環(huán)流局域自然坐標(biāo)系