内容介绍
海洋动力系统是物理海洋学与系统科学相结合的一种现代科学技术基础研究架构。它主要包括提出具有物理确定性的控制机制两层次运动类划分原则和构造具有数学自洽性的运动类描述量可加性的分解-合成演算样式以及在与原始Navier-Stokes控制方程组保持一致性意义下导出运动类相互作用的控制方程组完备集。理论研究结果对“高精度-全覆盖海洋资料集”相关观测和观测计算现象无一缺失的动力学解译，检验了海洋动力系统基础研究架构的现代物理海洋学精密科学定量描述能力。
目录
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第一篇 海洋流体运动基本控制方程组
第一章 海洋流体及其平衡态热力学基础 2
1.1 海洋流体的形成演化和组分模型 3
1.1.1 海洋流体的形成演化简要模型 3
1.1.2 海水组分定比关系和盐度定义 7
1.2 海水的平衡态热力学 10
1.2.1 海水质点和局部热力学平衡态 10
1.2.2 热力学势函数和Gibbs关系式 12
1.2.3 海水热力学参变量及其势函数表示 20
1.2.4 海水热力学不等式 25
1.3 讨论和结论：国际海水热力学方程—2010，简称TEOS-10，热力学部分 29
1.3.1 海水基本热力学变量系的测定 29
1.3.2 海水Gibbs势函数的表示及其他热力学势函数 33
1.3.3 基本热力学属性参变量和有关导出参变量的计算 36
第二章 海洋流体动力学控制方程组 38
2.1 海洋流体运动基本方程组 39
2.1.1 质量守恒方程和盐量守恒方程 40
2.1.2 动量平衡方程和角动量平衡方程 42
2.1.3 机械能平衡方程、内能平衡方程和总能量守恒方程 44
2.2 海洋运动的若干导出方程，力学热学化学力和通量表示 48
2.2.1 涡度和位涡度，涡度和位涡度平衡方程组 49
2.2.2 比熵平衡方程，热学化学力学力和通量表示式 51
2.3 海洋流体运动边界条件 58
2.3.1 海面边界条件：质量、盐量、热量和动量通量边界条件 58
2.3.2 海底边界条件：质量、盐量、热量和动量通量边界条件 61
2.4 讨论和结论：国际海水热力学方程—2010，简称TEOS-10，动力学部分 62
第三章 海洋流体运动实用控制方程组 65
3.1 问题的提出：海洋流体运动基本控制方程组 66
3.1.1 变量系的海洋运动基本控制方程组 66
3.1.2 简约变量系的海洋运动控制方程组 69
3.2 变量系中Boussinesq近似的基本控制方程组 72
3.2.1 Boussinesq近似的质量守恒方程 72
3.2.2 Boussinesq近似的动量平衡方程和盐量守恒方程 74
3.2.3 Boussinesq近似的温度-压力平衡方程 75
3.2.4 Boussinesq近似的通量表示式 76
3.2.5 Boussinesq近似的海面和海底边界条件 76
3.3 简约变量系中Boussinesq近似的海洋运动控制方程组 79
3.3.1 Boussinesq近似的海洋运动方程 79
3.3.2 Boussinesq近似的海洋运动边界条件 79
3.4 环流局域自然坐标系中坐标变换的海洋运动控制方程组 80
3.4.1 环流局域自然坐标系中的海洋运动控制方程组 80
3.4.2 环流局域自然坐标系中坐标变换的海洋运动控制方程组 83
第二篇 系统科学概要和海洋动力系统构建
第四章 系统科学概要 92
4.1 系统科学的形成和发展 94
4.1.1 系统科学发展的科学需求和社会需求 94
4.1.2 系统科学发展的主要成就 95
4.1.3 系统科学在中国的发展 97
4.2 系统科学的概念和方法 100
4.2.1 系统科学的基本概念 100
4.2.2 系统科学的方法论 106
4.3 讨论和结论：物理海洋学研究的系统科学基本架构 107
4.3.1 “全覆盖-不叠置”运动类的控制机理划分原则 108
4.3.2 与运动类划分原则相洽的描述量可加性分解?合成演算样式 109
4.3.3 包括组分集合及其相互作用集合的海洋动力系统建立 111
第五章 海洋动力系统及其控制方程组集 114
5.1 海洋运动系统四运动类划分原则和相洽的运动类分解-合成运算样式 115
5.1.1 具有物理确定意义的海洋动力系统四运动类划分原则 115
5.1.2 与四运动类划分原则相洽的描述量可加性分解-合成演算样式 124
5.2 变量系中的海洋动力系统控制方程组完备集 126
5.2.1 非线性力湍流大运动类控制方程组和湍流剩余类运动控制方程组 127
5.2.2 重力（波动+涡旋）大运动类控制方程组和地转力环流大运动类控制方程组 132
5.2.3 重力波动和重力涡旋标准运动类控制方程组对 141
5.3 简约变量系中的海洋动力系统控制方程组完备集 145
5.3.1 湍流大运动类控制方程组和湍流剩余类运动控制方程组 146
5.3.2 重力（波动+涡旋）和环流大运动类控制方程组 150
5.3.3 重力波动和重力涡旋标准运动类控制方程组对 157
5.4 讨论和结论 160
5.4.1 较大尺度前类对本类的平流输运和剪切?梯度生成项 160
5.4.2 本类运动自身的非线性偏差剩余相互作用项 161
5.4.3 较小尺度前类运动对本类运动的输运通量偏差剩余混合项 163
5.4.4 海洋动力系统相互作用项的表示运算 164
第三篇 海洋动力系统运动类相互作用解析研究实例
第一子篇 湍流动力学和湍流混合动力学的解析初步 168
第六章 湍流输运通量剩余混合的数学物理描述基础——湍流二阶矩和基本特征量控制方程组的结构均衡闭合 169
6.1 海洋动力系统的湍流二阶矩和基本特征量控制方程组 170
6.1.1 海洋动力系统湍流大运动类控制方程组的导出 170
6.1.2 湍流二阶矩控制方程组的导出 176
6.2 湍流二阶矩控制方程组闭合的结构均衡表示形式 178
6.2.1 结构均衡形式表示的湍流高阶矩项二阶矩闭合假定 178
6.2.2 结构均衡形式表示的湍流二阶矩控制方程组闭合处理 180
6.3 闭合湍流基本特征量控制方程组的结构均衡形式表示 193
6.3.1 简约湍流动能方程的导出和它的结构均衡闭合表示 194
6.3.2 简约湍流动能耗散率方程的导出和它的现有闭合处理做法 194
6.3.3 湍流基本特征量方程组的海面边界条件 199
6.4 结论和讨论 201
第七章 海浪生湍流基本输运通量及其对环流混合系数的改进Prandtl混合模型规范化陈述 204
7.1 问题的提法 205
7.2 湍流基本特征量闭合方程组及其饱和平衡意义的理论?实验关系 210
7.2.1 简约湍流动能闭合方程和基本特征量理论关系 211
7.2.2 湍流动能耗散率测量分析及其单一参变量四次方拟合结果 214
7.2.3 湍流基本特征量和混合长度的理论?实验关系解析估计 218
7.3 海浪生湍流基本输运通量的饱和平衡估计和对环流混合系数的上确界估计 220
7.4 讨论和结论 221
7.4.1 Prandtl混合模型海浪生湍流基本输运通量和对环流混合系数表示的动力学解译 221
7.4.2 推荐的海浪生湍流基本特征量闭合方程组 223
第八章 湍流基本输运通量结构均衡形式表示和湍流对剩余类运动混合项及其混合系数的解析和数值确定 226
8.1 问题的提法 227
8.1.1 对湍流的分子力作用和湍流剩余运动类的剪切-梯度生成作用 227
8.1.2 湍流对剩余运动类的混合项及其混合系数的结构均衡形式表示 229
8.2 湍流基本特征量闭合方程组及其饱和平衡意义理论和实验关系 235
8.2.1 湍流动能闭合方程和基本特征量理论关系 235
8.2.2 湍流动能耗散率测量数据的拟合分析和基本特征量实验关系 237
8.2.3 饱和平衡意义下的湍流基本特征量和混合长度解析表示 243
8.2.4 一个推荐的湍流动能耗散率闭合方程 245
8.3 湍流剩余类运动的湍流混合项及其混合系数上确界估计 246
8.3.1 饱和平衡意义下的湍流基本输运通量解析估计 246
8.3.2 湍流剩余类运动的湍流混合项及其混合系数上确界估计 247
8.4 讨论和结论：湍流统计动力学和混合动力学初步 248
8.4.1 湍流统计动力学初步 248
8.4.2 湍流混合动力学初步 250
第二子篇 “一般海洋”简化重力波动“统一解析理论”及其应用实例 255
第九章 “一般海洋”简化的重力波动“统一解析理论” 256
9.1 问题的提出 257
9.2 环流局域自然坐标系的重力（波动+涡旋）和环流控制方程组 257
9.2.1 环流局域自然坐标系的湍流剩余类运动控制方程组和重力（波动+涡旋）样本集合上定义的Reynolds平均运算 257
9.2.2 环流局域自然坐标系的重力（波动+涡旋）和环流控制方程组 260
9.3 “一般海洋”简化的重力波动“统一解析理论” 267
9.3.1 “一般海洋”可解析解简化的重力波动控制方程组 267
9.3.2 “一般海洋”简化重力波动控制方程组的“统一解析解” 269
9.4 讨论和结论：“一般海洋”简化的海浪、内波和惯性波“统一解析解”表示 282
9.4.1 “一般海洋”简化的海浪“统一解析解”表示 282
9.4.2 “一般海洋”简化的内波“统一解析解”表示 286
9.4.3 “一般海洋”简化的惯性波“统一解析解”表示 289
附录9 复频率垂直不变性的证明 292
第十章 “典型-简单”重力波动及其单一参变量：集合平均密度垂直修正速度剪切模的“统一解析表示” 294
10.1 问题的提出 295
10.2 “典型-简单”重力波动的“统一解析解”表示 295
10.2.1 “典型-简单”重力波动表示参变量的退化形式 295
10.2.2 “典型-简单”重力波动的“统一解析解”表示 296
10.3 “典型-简单”重力波动生湍流单一参变量，集合平均密度垂直修正速度剪切模的“统一解析解”表示 299
10.3.1 湍流剩余类运动单一参变量的动力学引入及其理论和实验意义 299
10.3.2 “典型-简单”重力波动的集合平均单一参变量“统一解析解”表示 305
10.4 结论和讨论 306
10.4.1 “典型-简单”的重力波动“统一解析解”表示 307
10.4.2 “典型-简单”重力波动速度剪切模解析表示 310
第三子篇 “一般海洋”简化的重力涡旋“统一解析理论”及其应用实例 312
第十一章 “一般海洋”简化的重力波动“统一解析理论” 313
11.1 问题的提法 314
11.1.1 海洋动力系统的运动类划分以及实用重力涡旋标准运动类控制方程组导出 314
11.1.2 地转及剩余力环流与重力涡旋相互作用观测和观测计算事实的动力学解译研究 317
11.2 ?“一般海洋”简化的重力涡旋“统一解析理论” 319
11.2.1 地转力环流局域自然坐标系Sigma坐标变换重力涡旋控制方程组的“一般海洋”可解析解简化 319
11.2.2 “一般海洋”简化重力涡旋控制方程组的解析解 324
11.3 讨论和结论：按存在性限制条件确定的垂直和水平旋转指向重力涡旋解析表示 334
11.3.1 重力涡旋的存在性限制条件 334
11.3.2 第一存在性限制条件规定的垂直旋转指向重力涡旋 335
11.3.3 第二存在性限制条件规定的水平旋转指向重力涡旋 336
附录11 环流局域自然坐标系和Sigma坐标变换湍流剩余类运动控制方程组的重力（波动+涡旋）和环流分解-合成演算样式 337
F11.1 环流局域自然坐标系的湍流剩余类运动控制方程组和在湍流和重力（波动+涡旋）样本集合上定义的Reynolds平均运算 337
F11.2 地转力环流局域自然坐标系和Sigma坐标变换的重力波动、重力涡旋和环流控制方程组 341
第十二章 北太平洋“西部边界流径”、“黑潮分支”和“多核结构”的高分辨和大覆盖海洋资料集观测事实 352
12.1 问题的提出 353
12.1.1 高分辨和大覆盖海洋观测资料集 353
12.1.2 高精度和大覆盖海洋观测资料集的基础观测事实认定以及观测和观测计算现象分析 354
12.2 北太平洋“西部边界流径”基础观测事实的高精度和大覆盖海洋观测资料集认定 355
12.2.1 多年平均“黑潮流径”基础弯曲特征形态的ARGOS轨迹资料认定 356
12.2.2 “黑潮分支”和“多核结构”泛中尺度涡旋运动相互作用本质的海洋资料认定 358
12.3 北太平洋“西部边界流径”、“黑潮分支”和“多核结构”的海洋资料分析研究 360
12.3.1 北太平洋“西部边界流径”的Altimeter SSH资料观测事实 360
12.3.2 “黑潮分支”的高分辨和大覆盖海洋资料观测事实 363
12.3.3 黑潮PN断面的“多核结构”温-盐-深观测和观测计算事实 366
12.4 讨论和总结：基础观测事实的资料认定和观测或观测计算现象的分类归纳 369
12.4.1 北太平洋“西部边界流系”基础观测事实的海洋资料集认定 369
12.4.2 北太平洋“西部边界流径”，“黑潮分支”和“多核结构”的海洋资料观测和观测计算分析结果 371
第十三章 北太平洋“西部边界流径”、“黑潮分支”和“多核结构”观测和观测计算事实的动力学解译 376
13.1 问题的提出 377
13.2 北太平洋“西部边界流径”海洋资料集观测事实的动力学解译研究 377
13.2.1 北太平洋“西部边界流径”的海洋资料集观测事实 377
13.2.2 “西部边界流径”观测事实的重力涡旋“统一解析理论”动力学解译研究 381
13.3 “黑潮分支”海洋资料集观测事实的动力学解译研究 386
13.3.1 “黑潮分支”的海洋资料集观测事实 386
13.3.2 “黑潮分支”观测事实的重力涡旋“统一解析理论”动力学解译研究 388
13.4 黑潮“多核结构”海洋资料集观测计算事实的动力学解译研究 393
13.4.1 黑潮“多核结构”PN断面高精度CTD剖面仪观测和观测计算事实 393
13.4.2 “多核结构”测量和测量计算事实的重力涡旋“统一解析理论”动力学解译研究 397
13.5 讨论和总结 408
13.5.1 “黑潮流径”基础弯曲形态以及“黑潮分支”和“多核结构”涡旋运动本质现象的海洋资料集观测认定 409
13.5.2 北太平洋“西部边界流径”、“黑潮分支”和“多核结构”观测和观测计算事实的动力学解译研究 410
后记 415
