WARNING考试 / 作业提示
- 考试高频:老师明确提醒,直角坐标系下 x,y,z 三个方向的动量方程很可能要求现场写出。重点应放在“从矢量式展开”的逻辑,尤其是对流项 (V⋅∇)V、科氏项和拉普拉斯项,避免只靠死记。
- 本节暂无作业:老师在下课前说明,准备等这一部分整体讲完后再统一布置作业。
录音为机器转写,其中“科室力 / 引朝历 / 年度”等词存在识别误差。以下笔记以课件中的标准术语统一写作 科氏力 / 引潮力 / 盐度(盐量),并按老师课堂推导补全中间数学步骤。
这一节课可以分成两大部分:
- 完成并整理动量方程:从牛顿第二定律出发,用莱布尼兹公式(控制体形式)与高斯定理得到局地动量方程;随后逐项讨论压强梯度力、摩擦力、重力、引潮力以及旋转地球坐标系中的科氏力,并最终写成直角坐标系下的三个分量方程。
- 进入第四章“海水基本方程组和边界条件”:回顾质量守恒得到连续方程,再把完全相同的“控制体守恒”思路推广到盐量守恒,得到盐量扩散方程。
本节的主线可以压缩成:
守恒定律 → 控制体积分式 → 高斯定理 → 任意控制体 → 局地方程 → 利用连续方程化简。

课件给出的整体框架是:
- 动量守恒 → 运动方程(Navier–Stokes 方程)
- 质量守恒 → 连续方程
- 盐量守恒 → 盐量扩散方程
- 能量守恒 → 热传导方程;机械能守恒还可导出波动方程
- 角动量守恒 → 涡度守恒方程
本节实际讲到 连续方程与盐量扩散方程;热传导方程、边界条件与时间平均方程留待后续课程。
一、从牛顿第二定律推导动量方程#
1. 系统总动量#
牛顿第二定律写成动量形式:
DtDP=∑F对于连续海水,不能再写成单个质点的 mV,要把每个微小体积 dV 的动量累加起来:
dP=ρVdV所以系统总动量为
P=∭V(t)ρVdV这里 V(t) 随流体运动,因此积分区域本身随时间变化。

2. 莱布尼兹公式:为什么会出现“局地变化 + 通量”#
对随时间变化的流体区域求导,不能只把偏导数直接放进积分号。课堂中用莱布尼兹公式把总变化分为两部分:
DtD∭V(t)ρVdV=∭V∂t∂(ρV)dV+∬AρV(V⋅dA)两项分别表示:
- ∭V∂t∂(ρV)dV:固定空间内动量自身随时间的变化;
- ∬AρV(V⋅dA):动量随海水穿过边界流进、流出的净通量。
这就是本节反复出现的核心结构:
一个守恒量在控制体内的变化 = 局地变化 + 由边界输运造成的变化。
第二项是面积分,而后面要和体积力一起相加,因此利用高斯定理:
∬AρV(V⋅dA)=∭V∇⋅(ρVV)dV于是
DtDP=∭V[∂t∂(ρV)+∇⋅(ρVV)]dVTIPρVV 可以理解成“动量通量张量”:流体以速度 V 穿过边界,同时携带单位体积动量 ρV。
3. 合外力:体积力与表面力#
课堂把作用在海水微团上的力分为两类:
体积力 / 质量力#
作用于组成微团的全部质量,大小与质量或体积成正比,例如重力、引潮力:
G=∭VρgdV表面力 / 应力#
由周围介质通过微团表面施加,例如压力、摩擦剪切力。若应力张量为 τ:
Fs=∬Aτ⋅dA再次用高斯定理:
Fs=∭V∇⋅τdV因此牛顿第二定律成为
∭V[∂t∂(ρV)+∇⋅(ρVV)−ρg−∇⋅τ]dV=04. 从积分式到局地动量方程#
由于控制体 V 的大小和形状可以任意选取,要让上式对任意 V 都成立,只能要求被积函数处处为零:
∂t∂(ρV)+∇⋅(ρVV)=ρg+∇⋅τ这一步是“积分守恒律 → 局地微分方程”的关键。
5. 利用连续方程化简#
左边看起来还比较复杂,课堂将它逐项展开:
∂t∂(ρV)=ρ∂t∂V+V∂t∂ρ以及
∇⋅(ρVV)=ρ(V⋅∇)V+V∇⋅(ρV)两式相加:
=∂t∂(ρV)+∇⋅(ρVV)ρ[∂t∂V+(V⋅∇)V]+V[∂t∂ρ+∇⋅(ρV)]而质量连续方程给出
∂t∂ρ+∇⋅(ρV)=0所以第二个方括号整体消失,留下
ρDtDV=ρg+∇⋅τ其中
DtDV=∂t∂V+(V⋅∇)V
TIP这一段推导最值得掌握的不是最后一行,而是一个反复使用的技巧:
先把乘积展开,再主动寻找连续方程 ∂tρ+∇⋅(ρV)=0。
后面的盐量守恒推导还会完全复用这个思路。
二、作用在海水微团上的力#
老师强调:前面推导得到的是“骨架”,真正决定海水怎样运动的是动量方程右端具体有哪些力。
1. 压强梯度力#
压强 p 本身是标量。一个微小立方体相对两面压强不同,才会产生净力。
以 x 方向为例,微团尺寸为 ΔxΔyΔz。两侧压力之差可近似为
Fx≈−∂x∂pΔxΔyΔz三个方向合起来:
Fp=−∇pΔV微团质量为 ρΔV,所以单位质量所受压强梯度力:
fp=−ρ1∇p
为什么有负号?因为 ∇p 指向压强增大最快的方向,而净压力推动流体从高压向低压,方向与 ∇p 相反。
课堂总结的三个性质:
- 压强梯度力是推动海水运动最根本的动力之一;
- 它垂直于等压面,指向压强减小方向;
- 压强梯度既能产生运动,也能因海水运动造成的密度或海面变化而形成。
2. 摩擦力:分子粘性与湍流摩擦#
分子粘性力#
若相邻两层流体速度不同,分子运动会把动量从快层传给慢层。牛顿粘性定律写成
τ=μdndu其中:
- τ:切应力;
- μ:动力粘性系数;
- n:界面法向坐标。
若只考虑 u=u(z):
τxz=μ∂z∂u而单位质量微团受到的 x 向粘性力是应力的空间变化:
Fx=ρ1∂z∂τxz=ρμ∂z2∂2u定义运动粘性系数
ν=ρμ得到
Fx=ν∂z2∂2u三维形式:
fν=ν∇2V课件给出的海水运动粘性系数量级:
ν(0∘C)≈1.787×10−6 m2/sν(20∘C)≈1.004×10−6 m2/sTIP为什么出现二阶导数?
- 应力取决于速度的一阶梯度:τ∼∂u/∂z;
- 净力取决于应力在空间上的一阶梯度:F∼∂τ/∂z;
- 两次一阶导数叠加,就得到 ∂2u/∂z2。
湍流摩擦#
大洋内部大尺度环流中,分子粘性通常太弱;海水稍强运动就会出现大量不同尺度的涡旋,涡旋之间同样会交换动量。
课堂采用“类比牛顿粘性定律”的参数化方法,引入涡动粘性系数 A:
ρτ=Adndu若只考虑垂向变化:
Fx=∂z∂(A∂z∂u)
这里不能一般性地写成 A∂2u/∂z2,因为 A 本身往往随空间变化。
3. 重力:地心引力与惯性离心力的合力#
课件中的“重力”采用有效重力的含义:
g=G+Ω2R其中:
- G:地心引力;
- Ω2R:因地球自转引入的惯性离心效应;
- R:到地球自转轴的垂直位置矢量。

课件给出有效重力随纬度 φ 与高度 z 的近似:
g(φ,z)= 9.80616−0.025928cos2φ+0.00069cos22φ−0.000003086z(m/s2)课堂计算中通常直接取
g≈9.81 m/s24. 引潮力与位势力#
天体引潮力主要来自月球与太阳。课堂强调,引潮力应理解成:
天体对某海水微团的引力 − 天体对地球质心的引力。
在“地球—月球共同公转”的参考系中,可以等价看成月球引力与共同公转惯性离心力的合力。
对于地球上一点 P,月球引力与共同公转离心项可写成
FM=KMM(D21DD−L21LL)其中 D 是地心到月球距离,L 是点 P 到月球距离。

方向上:
- 近月点:引潮力指向月球;
- 远月点:引潮力背向月球;
- 与地月连线垂直的两侧:引潮力大体指向地心。
因此潮汐是一个空间上方向、大小都随位置变化的周期性强迫。
位势力#
若一个力所做的功只取决于初末位置,与路径无关,就可以写成某个标量位势的负梯度:
Fp=−∇ϕ课堂列出的重力、惯性离心力和引潮力都属于位势力。
月球引潮势的课堂表达为
ϕM=−KMM(L1−D1−D2rcosθ)
位势本身是标量,取梯度后才得到矢量力。把位势引入方程的主要好处是方便后续数学处理。
三、旋转地球坐标系与科氏力#
1. 为什么地球坐标系不是惯性系#
惯性坐标系是牛顿定律可以直接成立的参考系。固定在地球上的坐标系随地球自转,因此属于旋转的非惯性坐标系。
要继续在地球坐标系里使用牛顿第二定律,需要把旋转产生的惯性效应显式加入方程。课堂重点讨论:
- 惯性离心效应:并入有效重力;
- 科氏效应:保留为单独的科氏力。
2. 速度变换#
设:
- 下标 a:惯性坐标系(absolute);
- 无下标:随地球旋转坐标系中的相对量;
- Ω:地球自转角速度;
- R:质点相对地轴/地心的位置矢量。
旋转刚体本身在该位置的速度为
Ω×R所以绝对速度为
Va=V+Ω×R这就是“相对运动 + 坐标系本身运动”。
3. 加速度变换的逐步推导#
对任意矢量 A,惯性系与旋转系的时间导数关系为
(dtdA)a=(dtdA)r+Ω×A现在令 A=Va:
dtdVa=(dtd)r(V+Ω×R)+Ω×(V+Ω×R)第一部分展开:
(dtd)rV=dtdV(dtd)r(Ω×R)=dtdΩ×R+Ω×dtdR而在旋转系里
dtdR=V所以这一部分给出
dtdΩ×R+Ω×V第二部分展开:
Ω×V+Ω×(Ω×R)把两部分合并:
aa=dtdV+dtdΩ×R+2Ω×V+Ω×(Ω×R)
对稳定自转的地球:
dtdΩ≈0因此只保留:
- 相对加速度 dV/dt;
- 2Ω×V:科氏项;
- Ω×(Ω×R):离心项。
将后两项移到旋转系牛顿方程右端后,惯性力方向取反,因此单位质量科氏力为
fC=−2Ω×V4. 科氏力与科氏参数#
取局地直角坐标:
- x:向东;
- y:向北;
- z:竖直向上。
地球自转角速度可分解为
Ω=(0,Ωcosφ,Ωsinφ)海流速度
V=(u,v,w)完整科氏项中会出现 cosφ 与 sinφ 两组分量。课堂采用大尺度海洋中的常见简化:
- 垂向速度 w 远小于水平速度,含 w 的项忽略;
- 垂向科氏分量与重力相比很小,也忽略。
最终只保留水平上的 sinφ 项,定义科氏参数:
f=2Ωsinφ
在北半球,科氏力水平分量指向运动方向右侧;南半球方向相反。
WARNING科氏项的正负号不要脱离“放在哪一侧”单独记。
本课最终统一使用
+fk×VH放在动量方程左边。由于
k×(ui+vj)=−vi+uj所以左边分量必然是:
- x 方程:−fv
- y 方程:+fu
如果把科氏项移到右边,符号整体反过来。
四、最终动量方程#
1. 矢量形式#
把压强梯度力、有效重力、科氏力、分子粘性力和引潮力合在一起,课件先给出一般形式:
∂t∂V+(V⋅∇)V=g−2Ω×V−ρ1∇p+ν∇2V−∇ϕT
本节随后暂时搁置引潮项,并把保留的水平科氏项移到左边:
∂t∂V+(V⋅∇)V+fk×VH=−ρ1∇p+g+ν∇2V2. 直角坐标系三个分量#
这是老师明确提醒的考试重点。
先记
V=(u,v,w)以及
V⋅∇=u∂x∂+v∂y∂+w∂z∂x 方向#
∂t∂u+u∂x∂u+v∂y∂u+w∂z∂u−fv=−ρ1∂x∂p+ν(∂x2∂2u+∂y2∂2u+∂z2∂2u)y 方向#
∂t∂v+u∂x∂v+v∂y∂v+w∂z∂v+fu=−ρ1∂y∂p+ν(∂x2∂2v+∂y2∂2v+∂z2∂2v)z 方向#
∂t∂w+u∂x∂w+v∂y∂w+w∂z∂w=−ρ1∂z∂p−g+ν(∂x2∂2w+∂y2∂2w+∂z2∂2w)这里:
- 水平两个方向没有直接重力分量;
- z 轴向上,所以重力为 −g;
- 本课的传统近似下,垂向科氏项已忽略。
3. 两个最容易写错的微分算子#
对流算子#
V⋅∇=u∂x+v∂y+w∂z例如它作用在 u 上:
(V⋅∇)u=u∂x∂u+v∂y∂u+w∂z∂uWARNING即使写的是 x 方向动量方程,对流项仍然同时含 u,v,w。因为海水可以从 x,y,z 三个方向把不同的 u 输运到这个位置。
拉普拉斯算子#
∇2=∂x2∂2+∂y2∂2+∂z2∂2例如
∇2u=∂x2∂2u+∂y2∂2u+∂z2∂2u现场写分量方程最稳妥的办法:先把矢量式写出来,再按“局地项 → 对流项 → 科氏项 → 压强 → 重力 → 摩擦”的顺序逐项取分量。
五、第四章:海水运动基本方程组#
课件第四章分为:
- 海水运动基本方程组;
- 边界条件;
- 时间平均的基本方程和边界条件。
老师说明:当前推导的方程首先针对较理想的瞬时流动;后续为了处理真实海洋中的湍流随机性,会进行时间平均。
1. 连续方程的重新推导#
取一个固定几何控制体 τ,边界为闭合曲面 σ,外法向速度分量为
Vn=V⋅n质量守恒说:
控制体内质量的增加率 = 通过边界流入的净质量通量。
由于 Vn 规定向外为正,向外流出会减少内部质量,因此:
∭τ∂t∂ρdτ=−∬σρVndσ用高斯定理:
∬σρVndσ=∭τ∇⋅(ρV)dτ所以
∭τ[∂t∂ρ+∇⋅(ρV)]dτ=0由于 τ 任意:
∂t∂ρ+∇⋅(ρV)=0将散度项展开:
∇⋅(ρV)=V⋅∇ρ+ρ∇⋅V得到另一种形式:
DtDρ+ρ∇⋅V=0
这里:
- ∇⋅(ρV):质量通量的散度,表示单位体积的净流出程度;
- ∇⋅V:速度散度,反映流体微团在运动中的相对膨胀 / 压缩。
2. 不可压缩与定常的区别#
不可压缩#
对随流体运动的微团:
DtDρ=0由连续方程立即得到
∇⋅V=0在直角坐标系:
∂x∂u+∂y∂v+∂z∂w=0海洋的大多数动力学问题常采用这一近似。
定常仅表示固定位置处不随时间变化,例如密度满足
∂t∂ρ=0此时连续方程变成
∇⋅(ρV)=0WARNING“定常”与“不可压缩”是两个不同条件:
- 定常约束的是时间偏导数;
- 不可压缩约束的是随体密度变化。
六、盐量扩散方程#
1. 盐量守恒的物理图像#
定义:
- s:单位质量海水中所含的盐量,课堂中近似作为盐度;
- ρs:单位体积海水中所含的盐量。
盐量守恒定律:
溶于海水中的盐,在海水运动中不会自动产生,也不会自动消失。

和质量守恒相比,盐量进入控制体有两种机制:
- 平流 / 对流输运:海水本身带着盐流进、流出;
- 分子扩散:即使没有整体流动,只要盐度有梯度,盐也会从高盐度向低盐度扩散。
这正是盐量方程比连续方程多出一个扩散通量项的原因。
2. 控制体积分式#
仍取固定控制体 τ,边界 σ。
控制体内盐量变化率:
∭τ∂t∂(ρs)dτ平流造成的向外盐通量:
∬σρsVndσ再定义 S 为盐浓度扩散通量密度,法向分量
Sn=S⋅n于是扩散造成的向外盐通量:
∬σSndσ因为法向规定向外为正,而我们计算控制体内盐量增加,所以二者都带负号:
∭τ∂t∂(ρs)dτ=−∬σρsVndσ−∬σSndσ
3. 化成局地方程#
两个面积分都用高斯定理:
∬σρsVndσ=∭τ∇⋅(ρsV)dτ∬σSndσ=∭τ∇⋅Sdτ因此
∭τ[∂t∂(ρs)+∇⋅(ρsV)+∇⋅S]dτ=0控制体任意,所以:
∂t∂(ρs)+∇⋅(ρsV)+∇⋅S=0
4. 用连续方程化简#
这是本节第二次出现同样的技巧。
先展开第一项:
∂t∂(ρs)=ρ∂t∂s+s∂t∂ρ再展开平流项:
∇⋅(ρsV)=ρV⋅∇s+s∇⋅(ρV)代回:
ρ(∂t∂s+V⋅∇s)+s[∂t∂ρ+∇⋅(ρV)]+∇⋅S=0方括号正是连续方程,所以为零:
ρ(∂t∂s+V⋅∇s)=−∇⋅S即
DtDs=−ρ1∇⋅S左边 Ds/Dt 表示一个随海水移动的微团,其盐度随时间的变化;右边表示分子扩散通量的辐合 / 辐散。
5. Fick 型扩散关系与最终方程#
盐总是从高盐度向低盐度扩散,因此扩散通量与盐度梯度反向:
S=−k∇s若 k 近似常数:
∇⋅S=−k∇⋅(∇s)=−k∇2s其中
∇2s=∂x2∂2s+∂y2∂2s+∂z2∂2s代回:
DtDs=ρk∇2s定义分子盐量扩散系数
kD=ρk课件给出的量级约为
kD≈1.1×10−9 m2/s最终得到盐量扩散方程:
∂t∂s+V⋅∇s=kD∇2s
物理意义非常清楚:
- ∂s/∂t:固定位置盐度的局地变化;
- V⋅∇s:海流平流输运造成的变化;
- kD∇2s:分子扩散把盐度差异逐渐“抹平”。
七、本节最核心的逻辑链#
1. 动量方程#
牛顿第二定律→控制体动量→莱布尼兹公式→高斯定理→局地动量方程→连续方程化简得到
ρDtDV=各种单位体积力 / 表面力再逐项加入压强梯度、摩擦、有效重力、科氏力与引潮力。
2. 旋转坐标系#
Va=V+Ω×R进一步求导得到
aa=ar+2Ω×V+Ω×(Ω×R)从而识别出科氏项与离心项,并在传统近似下定义
f=2Ωsinφ3. 连续方程与盐量方程的共同模板#
连续方程只有平流:
内部变化=−边界平流净流出盐量方程多一个扩散:
内部盐量变化=−平流盐通量−扩散盐通量两者都经历:
面积分高斯定理体积分控制体任意局地微分方程TIP如果后续自学时只记一件事,记住老师这一整节真正反复训练的是:
先用守恒定律写“账本”,再用高斯定理把边界通量变成局地散度,最后利用已有守恒方程消项。
掌握这个模板之后,热量守恒、示踪物输运以及更多海洋动力学方程都会更容易理解。