<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" xml:lang="en" dtd-version="3.0">
  <front>
    <journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher">OS</journal-id><journal-title-group>
    <journal-title>Ocean Science</journal-title>
    <abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">OS</abbrev-journal-title><abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Ocean Sci.</abbrev-journal-title>
  </journal-title-group><issn pub-type="epub">1812-0792</issn><publisher>
    <publisher-name>Copernicus Publications</publisher-name>
    <publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
  </publisher></journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/os-14-947-2018</article-id><title-group><article-title>Technical note: Two types of absolute dynamic ocean topography</article-title><alt-title>Technical Note: Two types of absolute dynamic ocean topography</alt-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Technical Note: Two types of absolute dynamic ocean topography}?><?xmltex \runningauthor{P. C. Chu}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1">
          <name><surname>Chu</surname><given-names>Peter C.</given-names></name>
          <email>pcchu@nps.edu</email>
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0002-3101-3555</ext-link></contrib>
        <aff id="aff1"><institution>Naval Ocean Analysis and Prediction Laboratory, Department of
Oceanography Naval Postgraduate School,<?xmltex \hack{\break}?> Monterey, CA 93943, USA</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Peter C. Chu (pcchu@nps.edu)</corresp></author-notes><pub-date><day>4</day><month>September</month><year>2018</year></pub-date>
      
      <volume>14</volume>
      <issue>5</issue>
      <fpage>947</fpage><lpage>957</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>17</day><month>April</month><year>2018</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>23</day><month>May</month><year>2018</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>28</day><month>July</month><year>2018</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>15</day><month>August</month><year>2018</year></date>
      </history>
      <permissions>
        
        
      <license license-type="open-access"><license-p>This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this licence, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link></license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://os.copernicus.org/articles/14/947/2018/os-14-947-2018.html">This article is available from https://os.copernicus.org/articles/14/947/2018/os-14-947-2018.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://os.copernicus.org/articles/14/947/2018/os-14-947-2018.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://os.copernicus.org/articles/14/947/2018/os-14-947-2018.pdf</self-uri>
      <abstract>
    <p id="d1e79">Two types of marine geoid exist with the first type being the average level
of sea surface height (SSH) if the water is at rest (classical
definition), and the second type being satellite-determined with the
condition that the water is usually not at rest. The differences between
the two are exclusion (inclusion) of the gravity anomaly and non-measurable
(measurable) in the first (second) type. The associated absolute dynamic
ocean topography (referred to as DOT), i.e., SSH minus marine geoid,
correspondingly also has two types. Horizontal gradients of the first type of
DOT represent the absolute surface geostrophic currents due to water being at
rest on the first type of marine geoid. Horizontal gradients of the second
type of DOT represent the surface geostrophic currents relative to flow on
the second type of marine geoid. Difference between the two is quantitatively
identified in this technical note through comparison between the first type
of DOT and the mean second type of DOT (MDOT). The first type of DOT is
determined by a physical principle that the geostrophic balance takes the
minimum energy state. Based on that, a new elliptic equation is derived for
the first type of DOT. The continuation of geoid from land to ocean leads to
an inhomogeneous Dirichlet boundary condition with the boundary values taking
the satellite-observed second type of MDOT. This well-posed elliptic equation
is integrated numerically on 1<inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> grids for the world oceans with the
forcing function computed from the World Ocean Atlas (<inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula>) fields and
the sea-floor topography obtained from the ETOPO5 model of NOAA. Between the
first type of DOT and the second type of MDOT, the relative root-mean square
(RRMS) difference (versus RMS of the first type of DOT) is 38.6 % and the
RMS difference in the horizontal gradients (versus RMS of the horizontal
gradient of the first type of DOT) is near 100 %. The standard deviation
of horizontal gradients is nearly twice larger for the second type
(satellite-determined marine geoid with gravity anomaly) than for the first
type (geostrophic balance without gravity anomaly). Such a difference needs
further attention from oceanographic and geodetic communities, especially the
oceanographic representation of the horizontal gradients of the second type
of MDOT (not the absolute surface geostrophic currents).</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <title>Introduction</title>
      <?pagebreak page948?><p id="d1e112">Let the coordinates (<inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M5" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M6" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>) be in zonal, latitudinal, and vertical
directions. The absolute dynamic ocean topography (hereafter referred to as DOT)
<inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the sea surface height (SSH, waves and tides filtered out)
relative to the marine geoid (i.e., the equipotential surface),
          <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><mml:math id="M8" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the SSH; <inline-formula><mml:math id="M10" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the marine geoid height above the
reference ellipsoid (Fig. 1). <inline-formula><mml:math id="M11" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is an important signal in
oceanography and <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is of prime interest in geodesy.
Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>) is also applicable if defined relative to the center of
the Earth. The geoid height <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and other associated measurable
quantities such as gravity anomaly <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are related to the
anomaly of the gravitational potential <inline-formula><mml:math id="M16" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M17" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M18" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to a first
approximation by the well-known Brun's formula (e.g., Hofmann-Wellenhof and
Moritz, 2005),
          <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><mml:math id="M19" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">9.81</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m s<inline-formula><mml:math id="M21" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, is the globally mean normal gravity, which is
usually represented by <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in geodesy. The gravity anomaly is the
vertical derivative of the potential
          <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><mml:math id="M23" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where the anomaly of the gravity potential <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> satisfies the Laplace equation
          <disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><mml:math id="M25" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1"><caption><p id="d1e497">Two types of marine geoid and DOT: <bold>(a)</bold> the first type with
<inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> being the average level of SSH if water is at rest (classical definition), and
<bold>(b)</bold> represents the second type with satellite-determined <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (water in
motion on <inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://os.copernicus.org/articles/14/947/2018/os-14-947-2018-f01.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e543">The vertical deflection is the slope of the geoid
          <disp-formula id="Ch1.E5" content-type="numbered"><mml:math id="M29" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        which connects to the gravity anomaly by
          <disp-formula id="Ch1.E6" content-type="numbered"><mml:math id="M30" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e702">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) links the vertical gravity gradient to the horizontal
Laplacian of the marine geoid height <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and serves as the basic
principle in the satellite marine geodesy. Since <inline-formula><mml:math id="M32" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the
difference of the two large fields <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (2 orders of
magnitude larger than <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is extremely sensitive to any error in
either <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> – even a 1 % error in either field can lead to
error in <inline-formula><mml:math id="M38" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> that is of the same order of magnitude as <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>
itself (Wunsch and Gaposchkin, 1980; Bingham et al., 2008).</p>
      <p id="d1e796">Before satellites came into operation, <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> was measured from
sparse surveying ships and tide gauge stations located along irregular local
coastlines. However, <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> was not easy to observe. Without satellite
measurements, the marine geoid is defined as the average level of SSH if
the water is at rest and denoted here by <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which is called the classical
marine geoid (or first type of marine geoid, Fig. 1a). The first type of
marine geoid can be taken as a stand-alone concept in oceanography since it
is on the basis of the hypothesis (mean SSH when the water at rest) without
using the gravity anomaly. In this framework, the geostrophic balance
          <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><mml:math id="M43" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        and hydrostatic balance
          <disp-formula id="Ch1.E8" content-type="numbered"><mml:math id="M44" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        are used for large-scale (i.e., scale &gt; 100 km) processes. Here
(<inline-formula><mml:math id="M45" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are geostrophic current components; <inline-formula><mml:math id="M47" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is
the Coriolis parameter; (<inline-formula><mml:math id="M48" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are in situ pressure
and density, respectively, which can be decomposed into
          <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><mml:math id="M50" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        Here, <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1025</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> kg m<inline-formula><mml:math id="M52" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the characteristic density;
(<inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are horizontally uniform with
<inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> vertically increasing with depth (stable stratification)
          <disp-formula id="Ch1.E10" content-type="numbered"><mml:math id="M56" display="block"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>(z) is the buoyancy frequency (or called the Brunt–Vaisala
frequency); (<inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are anomalies of pressure and density. Near the
ocean surface, it is common to use the characteristic density and
corresponding pressure (<inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to represent (<inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Vertical integration of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) from <inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula>
after replacing (<inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by (<inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in
Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E7"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) leads to
          <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><mml:math id="M68" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where
          <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><mml:math id="M69" display="block"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        is the first type of DOT. Since the first type of marine geoid (<inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>) is defined as
the average level of SSH if the water is at rest,
          <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><mml:math id="M71" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        the horizontal gradient of <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the absolute surface geostrophic
currents.</p>
      <p id="d1e1486">After satellites came into operation, SSH has been
observed with uniquely sampled temporal and spatial
resolutions by high-precision
altimetry above a reference ellipsoid (not geoid; Fu and Haines, 2013). Two
Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellites, launched in 2002,
provide data to compute the marine geoid (called the GRACE Gravity Model,
GGM; see website: <uri>http://www.csr.utexas.edu/grace/</uri> (last access: 31
July 2018); Tapley et al., 2003; Shum et al., 2011). In addition, the
European Space Agency's GOCE mission data, along with the GRACE data, have
produced the best mean gravity field or the geoid model at a spatial scale
longer than 67 km half-wavelength (or spherical<?pagebreak page949?> harmonics completed to
degree 300). This marine geoid is the solution of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>),

              <disp-formula id="Ch1.Ex1"><mml:math id="M73" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the satellite-determined marine geoid from the measurable
gravity anomaly <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and called the second type of marine geoid
(Fig. 1b), which is different from <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>, defined by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>).
Correspondingly, the second type of DOT is defined by
          <disp-formula id="Ch1.E14" content-type="numbered"><mml:math id="M77" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> changes with time due to temporally varying gravity
anomaly <inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, comparison between the first-type and second-type
geoids should be conducted between <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here,
<inline-formula><mml:math id="M82" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the temporally mean of <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As for DOT,
the first type of DOT (<inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> should be compared to the second type mean DOT
(MDOT),
          <disp-formula id="Ch1.E15" content-type="numbered"><mml:math id="M85" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e1752">The oceanic conditions at <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are different:
water is at rest on <inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>), but in motion on
<inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The oceanographic community ignores such a
difference, also treating horizontal gradients of the second type of DOT as
the absolute surface geostrophic currents. For example, the second type of
MDOT (<inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> data are posted at the NASA/JPL website:
<uri>https://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/dynamic-ocean-typography/</uri>
(last access: 31 July 2018); its horizontal gradients are also taken as the
absolute surface geostrophic currents.</p>
      <p id="d1e1819">A question arises: do the horizontal gradients of the second type of MDOT
(<inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represent the absolute surface geostrophic
currents? This paper will answer the question using the temporally averaged
SSH and marine geoid satellite altimetric and gravimetric
measurements from NASA (i.e., the second type of MDOT (<inline-formula><mml:math id="M92" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and
solving a new elliptic equation of <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> numerically. Given (<inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M95" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> leads to the answer of the question.</p>
      <p id="d1e1893">The rest of the paper is outlined as follows. Section 2 describes the change in
DOT due to the change in marine geoid from the first to the second type. Section 3
describes geostrophic currents and energy related to the first type of DOT.
Section 4 presents the governing equation of the first type of DOT with the
boundary condition at the coasts. Section 5 shows the numerical solution for
the world oceans. Section 6 evaluates the change in global DOT from first to
second type with oceanographic implications. Section 7 concludes the study.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <title>Change in DOT from first to second type</title>
      <p id="d1e1902">The second type of MDOT (<inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> data are downloaded from the
NASA/JPL website:
<uri>https://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/dynamic-ocean-typography/</uri>.
This dataset is a subtraction of a second type of marine geoid of GRACE (Bingham
et al., 2011) from a mean (1993 to 2006) altimetric sea surface. The change
in
marine geoid from first (<inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to second (<inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> type is
represented by
          <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><mml:math id="M100" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e1975">Correspondingly, the change in DOT is given by
          <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><mml:math id="M101" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>) are used. <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is of interest
in oceanography. <inline-formula><mml:math id="M103" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is of interest in geodesy. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E17"/>)
shows that the key issue to evaluate <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is to determine <inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> (i.e.,
first type of DOT).</p>
      <p id="d1e2056">Conservation of potential vorticity for a dissipation-free fluid does not
apply precisely to sea water where the density is a function not only of
temperature and pressure but also of the dissolved salts. The effect of
salinity on density is very important in the distribution of water
properties. However, for most dynamic studies the effect of the extra state
variable is not significant and the conservation of potential vorticity is
valid (Veronis, 1980). Based on the conservation of the potential vorticity,
the geostrophic current reaches the minimum energy state (Appendix A). Due to
the minimum energy state, an elliptic partial differential equation for <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>
is derived with coefficients containing sea-floor topography <inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and forcing
function containing temperature and salinity fields.</p>
      <p id="d1e2073">If <inline-formula><mml:math id="M108" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is negligible in comparison to <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the change in marine geoid
from <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not change the oceanographic
interpretation of absolute DOT, i.e., the horizontal gradients of
<inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> also represent the absolute surface geostrophic
currents. If <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not
negligible, the horizontal gradient of <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not
represent the absolute surface geostrophic currents.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <title>Geostrophic currents and energy</title>
      <p id="d1e2159">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E9"/>) implies,

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M115" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E18"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E19"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <?pagebreak page950?><p id="d1e2303">Using the first type of marine geoid <inline-formula><mml:math id="M116" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the horizontal gradients of <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> lead
to the absolute surface geostrophic currents (see Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/> and
<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>). Integration of the thermal wind relation,
          <disp-formula id="Ch1.E20" content-type="numbered"><mml:math id="M118" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        from the ocean surface to depth <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> leads to depth-dependent geostrophic
currents,
          <disp-formula id="Ch1.E21" content-type="numbered"><mml:math id="M120" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where
          <disp-formula id="Ch1.E22" content-type="numbered"><mml:math id="M121" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        are the baroclinic geostrophic currents. Here, <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>sin(<inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>) is
the Coriolis parameter; <inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">86</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">400</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the mean
Earth rotation rate; and <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the latitude.</p>
      <p id="d1e2690">The volume-integrated total energy, i.e., sum of kinetic energy of the
geostrophic currents and the available potential energy (Oort et al., 1989),
for an ocean basin (<inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mi>W</mml:mi></mml:math></inline-formula>) is given by
          <disp-formula id="Ch1.E23" content-type="numbered"><mml:math id="M127" display="block"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi></mml:munder><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e2797">Substitution of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E22"/>) into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>)
leads to

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M128" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.0}{9.0}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:msub><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.0}{8.0}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.0}{8.0}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E24"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.0}{9.0}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <?xmltex \opttitle{Governing equation of {$D$}}?><title>Governing equation of <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula></title>

      <?xmltex \floatpos{p}?><fig id="Ch1.F2" specific-use="star"><caption><p id="d1e3220"><bold>(a)</bold> First type of DOT (i.e., <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>) which is the solution of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) with boundary condition of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>, unit: cm),
<bold>(b)</bold> second type of MDOT (1993–2006, i.e., <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
unit: cm) downloaded from the NASA/JPL website:
<uri>https://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/dynamic-ocean-typography</uri> (31
July 2018), <bold>(c)</bold> difference between the two DOTs (i.e., <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>),
<bold>(d)</bold> histogram of global <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <bold>(e)</bold> histogram of global
<inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=426.791339pt}?><graphic xlink:href="https://os.copernicus.org/articles/14/947/2018/os-14-947-2018-f02.png"/>

      </fig>

      <?xmltex \floatpos{p}?><fig id="Ch1.F3" specific-use="star"><caption><p id="d1e3306">Derivatives in the <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction of <bold>(a)</bold> the first-type DOT
(i.e., <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> the second-type MDOT (i.e.,
<inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(c)</bold> the difference
<inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(d)</bold> histogram of global <inline-formula><mml:math id="M139" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <bold>(e)</bold> histogram of global <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=426.791339pt}?><graphic xlink:href="https://os.copernicus.org/articles/14/947/2018/os-14-947-2018-f03.png"/>

      </fig>

      <p id="d1e3471">For a given density field, the second integration in the right side of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E24"/>) is known. The geostrophic currents taking the minimum energy
state provides a constraint for <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M142" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E25"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{8.0}{8.0}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">min⁡</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e3629">The three-dimensional integration Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) over the ocean basin is
conducted by
          <disp-formula id="Ch1.E26" content-type="numbered"><mml:math id="M143" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:munder><mml:mfenced open="{" close="}"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the horizontal area of the water volume, <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the water depth.
Thus, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E25"/>) becomes

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M146" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E27"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:munder><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">min⁡</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E28"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where the parameters (<inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula>) are given by

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M149" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E29"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E30"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">BC</mml:mi></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          which represent vertically integrated baroclinic geostrophic currents scaled
by the factor <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (unit: m). Here, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) is used (i.e.,
horizontal gradient of in situ density is the same as that of density
anomaly).</p>
      <p id="d1e4135">The Euler–Lagragian equation of the functional Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E27"/>) is given by
          <disp-formula id="Ch1.E31" content-type="numbered"><mml:math id="M151" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e4217">Substitution of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E28"/>) into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E31"/>) gives an elliptic
partial differential equation (i.e., the governing equation) for the first
type of DOT (i.e., <inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>),

              <disp-formula id="Ch1.Ex6"><mml:math id="M153" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        or
          <disp-formula id="Ch1.E32" content-type="numbered"><mml:math id="M154" display="block"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M155" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="Ch1.E33"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">i</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">j</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E34"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6370</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">km</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is the mean Earth radius. The geostrophic
balance does not exist at the Equator. The Coriolis parameter <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> needs some
special treatment for low latitudes. In this study, <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is taken as <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> if latitude is between 10<inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> N and 0<inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>; and as
<inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> if latitude is between 0<inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and 10<inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> S.</p>
      <?pagebreak page952?><p id="d1e4661">Let <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:math></inline-formula> be the coastline of the ocean basin. Continuation of the geoid from land
to oceans gives
          <disp-formula id="Ch1.E35" content-type="numbered"><mml:math id="M166" display="block"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        which leads to
          <disp-formula id="Ch1.E36" content-type="numbered"><mml:math id="M167" display="block"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e4756">Here, <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the geoid over land. The boundary condition
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E36"/>) can be rewritten as
          <disp-formula id="Ch1.E37" content-type="numbered"><mml:math id="M169" display="block"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">|</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        which is the boundary condition of <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5">
  <?xmltex \opttitle{Numerical solution of {$D$}}?><title>Numerical solution of <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula></title>
      <p id="d1e4862">The well-posed elliptic Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) is integrated numerically on
<inline-formula><mml:math id="M172" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grids for the world oceans with the boundary
values (i.e., Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>) taken from the MDOT (1993–2006) field (i.e.,
<inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, at the NASA/JPL website:
<uri>https://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/dynamic-ocean-typography/</uri>
(last access: 31 July 2018) (0.5<inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> interpolated into 1<inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>
resolution). The forcing function <inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> is calculated on a <inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid from the World Ocean Atlas 2013 (WOA13) temperature and
salinity fields, which was downloaded from the NOAA National Centers for
Environmental Information (NCEI) website:
<uri>https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/woa13data.html</uri> (last access: 31
July 2018). The three-dimensional density was calculated using the
international thermodynamic equation of seawater – 2010, which is downloaded from the website:
<uri>http://unesdoc.unesco.org/images/0018/001881/188170e.pdf</uri> (last access:
31 July 2018). The ocean bottom topography data <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> was downloaded from the
NCEI 5-Minute Gridded Global
Relief Data Collection at the website:
<uri>https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/etopo5.HTML</uri> (last access: 31 July
2018). Discretization of the elliptic Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) and numerical
integration are given in Appendix B.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F4" specific-use="star"><caption><p id="d1e4975">Derivatives in the <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction of <bold>(a)</bold> the first-type DOT
(i.e., <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> the second-type MDOT (i.e.,
<inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <bold>(c)</bold> the
difference <inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <bold>(d)</bold> histogram of global
<inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <bold>(e)</bold> histogram of global <inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=426.791339pt}?><graphic xlink:href="https://os.copernicus.org/articles/14/947/2018/os-14-947-2018-f04.png"/>

      </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S6">
  <title>Difference between the two DOTs</title>
      <p id="d1e5146">The first-type global DOT (<inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; Fig. 2a) is the numerical solution of
the elliptic Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) with the boundary condition Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>).
The second type global MDOT (<inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; Fig. 2b) is
downloaded from the NASA/JPL website:
<uri>https://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/dynamic-ocean-typography/</uri>
(last access: 31 July 2018). The difference between the two DOTs,
          <disp-formula id="Ch1.E38" content-type="numbered"><mml:math id="M187" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        is evident in the world oceans (Fig. 2c). Here, (<inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>) denote the
horizontal grid point. The relative root-mean square (RRMS) of <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is
given by
          <disp-formula id="Ch1.E39" content-type="numbered"><mml:math id="M191" display="block"><mml:mrow><mml:mtext>RRMS</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:munder><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:munder><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.386</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">38</mml:mn><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mn mathvariant="normal">877</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of total grid points. Both <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> and
<inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have positive and negative values. The arithmetic
mean values (0.524 and <inline-formula><mml:math id="M195" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3.84</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cm) are much smaller than the RMS mean
values. They are 1 order of magnitude smaller than the corresponding
standard deviations (54.9 and 71.2 cm; see Fig. 2d, e). The magnitude of
<inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are represented by their root-mean squares,
which are close to their standard deviations.</p>
      <p id="d1e5433">Histograms for <inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 2d) and <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(Fig. 2e) are both non-Gaussian and negatively skewed. The major difference
between the two is the single modal form of <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with a peak at around
20 cm and the bimodal form of <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with a high peak
at around 30 cm and a low peak at <inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">140</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cm. The statistical parameters are
different, e.g., mean value and standard deviation are 0.524 and 54.9 cm
for <inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3.84</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and 71.2 cm for <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Skewness and kurtosis are <inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.83</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and 3.01 for <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.87</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and
2.80 for <inline-formula><mml:math id="M209" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d1e5626">Horizontal gradients of the DOT, (<inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and (<inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, have oceanographic
significance (related to the geostrophic currents). They are calculated using
the central difference scheme at inside-domain grid points and the first
order forward/backward difference scheme at grid points next to the boundary.
The difference in global <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 3a) and <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 3b) is evident with much
smaller-scale structures in <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
The difference between the two gradients (Fig. 3c),
          <disp-formula id="Ch1.E40" content-type="numbered"><mml:math id="M216" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        has the same order of magnitude as the gradients themselves with the relative
RRMS of <inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M218" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtext>RRMS</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E41"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:munder><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.04</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          which implies that the non-surface latitudinal geostrophic current component
of the second type of MDOT has the same order of magnitude as the surface
latitudinal geostrophic current component of the first type of DOT.
Histograms for <inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 3d) and <inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 3e) are near symmetric with mean
values around (<inline-formula><mml:math id="M221" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.29</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.78</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)<inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and standard deviations
(2.69, 4.95)<inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The standard deviation of <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is almost twice that of <inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>/<inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <?pagebreak page953?><p id="d1e6222">Similarly, the difference in global <inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 4a) and
<inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 4b) is evident with
much smaller-scale structures in <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The difference between the two gradients (Fig. 4c),
          <disp-formula id="Ch1.E42" content-type="numbered"><mml:math id="M231" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        has the same order of magnitude as the gradients themselves with the relative
root-mean square (RRMS) of <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M233" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtext>RRMS</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E43"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:munder><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.98</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          which implies that the non-surface zonal geostrophic current component of the
second type of MDOT has the same order of magnitude as the surface zonal
geostrophic current component of the first type of DOT. Histograms for <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>/<inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 4d) and <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. 4e) are also near symmetric with the mean values around
(2.32, 1.18)<inline-formula><mml:math id="M237" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and standard deviations (1.20, 2.44)<inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The standard deviation of <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∗</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is twice that of <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The denominators
of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E41"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E43"/>) represent the magnitude of the
horizontal gradients of the first type of DOT.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S7" sec-type="conclusions">
  <title>Conclusions</title>
      <p id="d1e6700">The change in marine geoid from classically defined (first type, stand-alone
concept in oceanography) to satellite-determined (second type, stand-alone
concept in marine geodesy) largely affects oceanography. With the
classically defined marine geoid (average level of SSH if the water is at
rest), the horizontal gradients of the first type of DOT represent the absolute
surface geostrophic currents. With the satellite-determined (second type)
marine geoid by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>), the horizontal gradients of the second type of MDOT do not represent the absolute surface geostrophic currents. The
difference between the two types of DOT represents an additional component to
the absolute surface geostrophic currents.</p>
      <p id="d1e6705">With conservation of potential vorticity, geostrophic balance represents the
minimum energy state in an ocean basin where the mechanical energy is
conserved. A new governing elliptic equation of the first type of DOT is derived
with water depth (<inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula>) in the coefficients and the three-dimensional
temperature and salinity in the forcing function. This governing elliptic
equation is well posed. Continuation of the geoid from land to ocean leads to an
inhomogeneous Dirichlet boundary condition.</p>
      <p id="d1e6715">Difference between the two types of DOT is evident with a RRMS difference of
38.6 %. Horizontal gradients (representing geostrophic currents) of the
two types of DOTs are different with much smaller-scale structures in the
second type absolute DOT. The RRMS difference is near 1.0 in
both (<inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>) components of the DOT gradient, which implies that the
non-absolute surface geostrophic currents identified from the second type has
the same order of magnitude as the absolute surface geostrophic currents
identified by the first type of DOT.</p>
      <?pagebreak page954?><p id="d1e6732">The notable difference between the two types of DOT raises more questions in
oceanography and marine geodesy: is there any theoretical foundation to
connect the classical marine geoid (stand-alone concept in oceanography
using the principle of surface geostrophic currents without <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to
the satellite-determined marine geoid (stand-alone concept in marine
geodesy using <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> without the principle of surface geostrophic
currents)? How can the satellite-determined marine geoid using the gravity
anomaly (<inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be conformed to the basic physical oceanography
principle of surface geostrophic currents? What is the interpretation of the
horizontal gradients of the second type of MDOT (<inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>?
Is there any evidence or theory to show (<inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∗</mml:mo></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) similar to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>)?
More observational and theoretical studies are needed in order to solve those
problems. The main challenge for oceanographers is how to use the satellite
altimetry observed SSH such as the Surface Water and Ocean Topography (SWOT,
<uri>https://swot.jpl.nasa.gov/</uri>, last access: 31 July 2018) to infer the
ocean general circulations at the surface. A new theoretical framework rather
than the geostrophic constraint needs to be established.</p>
      <p id="d1e6844">The GOCE satellite-determined data-only geoid model is more accurate and
with higher resolution than GRACE. The change of GRACE to the GOCE geoid model may
increase the accuracy of the calculation of the second type of DOT. However,
such a replacement does not solve the fundamental problem presented here,
i.e., incompatibility between satellite-determined marine geoid using the
gravity anomaly (<inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the classical marine geoid (mean SSH when
the water at rest) on the basis of the basic physical oceanography principle
of surface geostrophic currents.</p>
      <p id="d1e6859">Finally, the mathematical framework described here (i.e., the elliptic
Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/> with boundary condition Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>) may lead to a new
inverse method for calculating three-dimensional absolute geostrophic
velocity from temperature and salinity fields since the surface absolute
geostrophic velocity is the solution of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>). This will be a
useful addition to the existing <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula>-spiral method (Stommel and Schott,
1977), box model (Wunsch, 1978), and <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>-vector method (Chu, 1995; Chu et
al., 1998, 2000).</p>
</sec>

      
      </body>
    <back><notes notes-type="dataavailability">

      <p id="d1e6886">The datasets used for this research are all from open
sources listed as follows: (1) Satellite-determined DOT data:
<uri>https://grace.jpl.nasa.gov/data/get-data/dynamic-ocean-typography/</uri>
(Tapley et al,. 2003; last access: 31 July 2018), (2) World Ocean Atlas 2013
(WOA13): <uri>https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/woa13data.html</uri> (NOAA
National Centers for Environmental Information; last access: 31 July 2018),
and (3) NCEI 5- 5-Minute Gridded Global Relief Data Collection:
<uri>https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/etopo5.HTML</uri> (NOAA National Centers
for Environmental Information; last access: 31 July 2018).</p>
  </notes><?xmltex \hack{\clearpage}?><app-group>

<?pagebreak page955?><app id="App1.Ch1.S1">
  <title>Geostrophic balance as a minimum energy state in an energy conserved
basin</title>
      <p id="d1e6907">In large-scale motion (small Rossby number) with the Boussinesq
approximation, the linearized potential vorticity (<inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M253" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E1"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where, <inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1025</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> kg m<inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the characteristic density. Without
the frictional force and 0 horizontally integrated buoyancy flux at the
surface and bottom, the energy (including kinetic and available potential
energies) is conserved in a three-dimensional ocean basin (<inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M257" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:munder><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E2"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E3"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e7259">The two terms of <inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> are kinetic energy and available potential energy.</p>
      <p id="d1e7269">To show the geostrophic balance taking the minimum energy state for a given
linear PV (see Eq. A1), the constraint is incorporated by
extremizing the integral (see
also in Vallis, 1992; Chu, 2018)

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M259" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E4"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mfenced open="" close="}"><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><?xmltex \hack{$\egroup}?><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Lagrange multiplier, which is a function of space.
If it were a constant, the integral would merely extremize energy subject to
a given integral of PV, and rearrangement of PV would leave the integral
unaltered. Extremization of the integral Eq. (A4) gives the three
Euler–Lagrange equations,

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M261" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E5"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E6"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E7"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> is in the integrand appearing in Eq. (A4). Substitution of <inline-formula><mml:math id="M263" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> into
Eqs. (A5), (A6), (A7) leads to

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M264" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E8"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E9"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e7807">Differentiation of Eq. (A9) with respect to <inline-formula><mml:math id="M265" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> and use of Eq. (A8) leads to
          <disp-formula id="App1.Ch1.E10" content-type="numbered"><mml:math id="M266" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        which shows that (<inline-formula><mml:math id="M267" display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have the
minimum energy state.</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S2">
  <?xmltex \opttitle{Numerical solution of the Eq.~(\protect\ref{Ch1.E32})}?><title>Numerical solution of the Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>)</title>
      <p id="d1e7994">Let the three axes (<inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be discretized into local rectangular
grids in horizontal and non-uniform grids in vertical (<inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with cell sizes (<inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M278" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">360</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E11"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>1 for the surface, <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the bottom; <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the
latitude of the grid point; <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6371</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">km</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is the Earth
radius; <inline-formula><mml:math id="M283" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">360</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; and <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1804</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The subscripts in <inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (B1)
indicates non-uniform water depth in the region.</p>
      <?pagebreak page956?><p id="d1e8349">The parameters (<inline-formula><mml:math id="M286" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E29"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E30"/>) (in
Sect. 4) are calculated by

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M288" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E12"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open=""><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="[" close=""><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mtable class="array" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E13"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mfenced open="" close="]"><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          which gives the discretized forcing function
          <disp-formula id="App1.Ch1.E14" content-type="numbered"><mml:math id="M289" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e9229">The governing Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E32"/>) is discretized by</p>
      <p id="d1e9234"><disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M290" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E15"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          which is reorganized by

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M291" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>cot⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>cot⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E16"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e9943">The iteration method is used to solve the algebraic Eq. (B6) with a large value
of <inline-formula><mml:math id="M292" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It starts from the 0th step,
          <disp-formula id="App1.Ch1.E17" content-type="numbered"><mml:math id="M293" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e10028">With the given boundary condition (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E37"/>, see Sect. 4) and forcing
function (Eq. B4), the first type of DOT at the grid points can be computed from
steps <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>1,

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M296" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>cot⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>cot⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.E18"><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d1e10475">Such iteration continues until the RRMS difference
reaches the criterion,
          <disp-formula id="App1.Ch1.E19" content-type="numbered"><mml:math id="M297" display="block"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
        where <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">38</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">877</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is the total number of the grid points on the ocean
surface.</p><?xmltex \hack{\clearpage}?>
</app>
  </app-group><notes notes-type="authorcontribution">

      <p id="d1e10653">PCC discovered the problem, formulated the theory, calculated the two types of DOT, and prepared the manuscript.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests">

      <p id="d1e10659">The author declares that he has no conflict of interest.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><p id="d1e10666">The author thanks  Chenwu Fan for
invaluable comments and computational assistance, NOAA/NCEI for the WOA-2013
(T, S) and ETOPO5 sea-floor topography data, and NASA/JPL (second type) MDOT
data.<?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\newline}?>
Edited by: John M. Huthnance<?xmltex \hack{\newline}?>
Reviewed by: C. K. Shum and one anonymous referee</p></ack><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>
Bingham, R. J., Haines, K., and Hughes, C. W.: Calculating the ocean's mean
dynamic topography from a mean sea surface and a geoid, J. Atmos. Ocean. Technol., 25, 1808–1822, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>
Chu, P. C.: P-vector method for determining absolute velocity from
hydrographic data, Mar. Tech. Soc. J., 29, 3–14, 1995.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>Chu, P. C.: Determination of dynamic ocean topography using the minimum
energy state, Univ. J. Geosci., 6, 25–39, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.13189/ujg.2018.060201" ext-link-type="DOI">10.13189/ujg.2018.060201</ext-link>,
2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>
Chu, P. C. and Li, R. F.: South China Sea isopycnal surface circulations, J.
Phys. Oceanogr., 30, 2419–2438, 2000.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>
Chu, P. C., Fan, C. W., Lozano, C. J., and Kerling, J.: An AXBT survey of the
South China Sea, J. Geophy. Res., 103, 21637–21652, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>
Fu, L.-L. and Haines, B. J.: The challenges in long-term altimetry
calibration for addressing the problem of global sea level change, Adv. Space
Res., 51, 1284–1300, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>
Hofmann-Wellenhof, B. and Moritz, H.: Physical geodesy, Springer, Berlin,
Germany, 388 pp., 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>
Oort, A. H., Acher, S. C., Levitus, S., and Peixoto, J. P.: New estimates of
the available potential energy in world ocean, J. Geophys. Res., 94,
3187–3200, 1989.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>
Shum, C. K., Guo, J., Hossain, F., Duan, J., Alsdorf, D., Duan, X., Kuo, C.,
Lee, H., Schmidt, M., and Wang, L.: Inter-annual water storage changes in
Asia from GRACE data, in: Climate Change and Food Security in South Asia,
Springer, Berlin, Germany, 69–83, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>
Stommel, H. and Schott, F.: The beta spiral and the determination of the
absolute velocity field from hydrographic station data, Deep-Sea Res., 24,
325–329, 1977.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>Tapley, B. D., Chambers, D. P., Bettadpur, S., and Ries, J. C.: Large scale
ocean circulation from the GRACE GGM01 geoid, Geophys. Res. Lett., 30, 2163,
<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2003GL018622" ext-link-type="DOI">10.1029/2003GL018622</ext-link>, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>
Vallis, G. K.: Mechanisms and parameterizations of geostrophic adjustment and
a variational approach to balanced flow, J. Atmos. Sci., 49, 1144–1160,
1992.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>
Veronis, G.: Dynamics of large-scale ocean circulation, in: Evolution of
Physical Oceanography, M.I.T. Press, Cambridge, MA, 140–184, 1980.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>Wunsch, C.: The general circulation of the North Atlantic west of
50<inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mo>∘</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> W determined from inverse methods, Rev. Geophys., 16, 583–620,
1978.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>
Wunsch, C. and Gaposchkin, E. M.: On using satellite altimetry to determine
the general circulation of the oceans with application to geoid improvement,
Rev. Geophys., 18, 725–745, 1980.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>Technical note: Two types of absolute dynamic ocean topography</article-title-html>
<abstract-html><p>Two types of marine geoid exist with the first type being the average level
of sea surface height (SSH) if the water is at rest (classical
definition), and the second type being satellite-determined with the
condition that the water is usually not at rest. The differences between
the two are exclusion (inclusion) of the gravity anomaly and non-measurable
(measurable) in the first (second) type. The associated absolute dynamic
ocean topography (referred to as DOT), i.e., SSH minus marine geoid,
correspondingly also has two types. Horizontal gradients of the first type of
DOT represent the absolute surface geostrophic currents due to water being at
rest on the first type of marine geoid. Horizontal gradients of the second
type of DOT represent the surface geostrophic currents relative to flow on
the second type of marine geoid. Difference between the two is quantitatively
identified in this technical note through comparison between the first type
of DOT and the mean second type of DOT (MDOT). The first type of DOT is
determined by a physical principle that the geostrophic balance takes the
minimum energy state. Based on that, a new elliptic equation is derived for
the first type of DOT. The continuation of geoid from land to ocean leads to
an inhomogeneous Dirichlet boundary condition with the boundary values taking
the satellite-observed second type of MDOT. This well-posed elliptic equation
is integrated numerically on 1° grids for the world oceans with the
forcing function computed from the World Ocean Atlas (<i>T</i>, <i>S</i>) fields and
the sea-floor topography obtained from the ETOPO5 model of NOAA. Between the
first type of DOT and the second type of MDOT, the relative root-mean square
(RRMS) difference (versus RMS of the first type of DOT) is 38.6&thinsp;% and the
RMS difference in the horizontal gradients (versus RMS of the horizontal
gradient of the first type of DOT) is near 100&thinsp;%. The standard deviation
of horizontal gradients is nearly twice larger for the second type
(satellite-determined marine geoid with gravity anomaly) than for the first
type (geostrophic balance without gravity anomaly). Such a difference needs
further attention from oceanographic and geodetic communities, especially the
oceanographic representation of the horizontal gradients of the second type
of MDOT (not the absolute surface geostrophic currents).</p></abstract-html>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>1</label><mixed-citation>
Bingham, R. J., Haines, K., and Hughes, C. W.: Calculating the ocean's mean
dynamic topography from a mean sea surface and a geoid, J. Atmos. Ocean. Technol., 25, 1808–1822, 2008.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>2</label><mixed-citation>
Chu, P. C.: P-vector method for determining absolute velocity from
hydrographic data, Mar. Tech. Soc. J., 29, 3–14, 1995.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>3</label><mixed-citation>
Chu, P. C.: Determination of dynamic ocean topography using the minimum
energy state, Univ. J. Geosci., 6, 25–39, <a href="https://doi.org/10.13189/ujg.2018.060201" target="_blank">https://doi.org/10.13189/ujg.2018.060201</a>,
2018.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>4</label><mixed-citation>
Chu, P. C. and Li, R. F.: South China Sea isopycnal surface circulations, J.
Phys. Oceanogr., 30, 2419–2438, 2000.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>5</label><mixed-citation>
Chu, P. C., Fan, C. W., Lozano, C. J., and Kerling, J.: An AXBT survey of the
South China Sea, J. Geophy. Res., 103, 21637–21652, 1998.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>6</label><mixed-citation>
Fu, L.-L. and Haines, B. J.: The challenges in long-term altimetry
calibration for addressing the problem of global sea level change, Adv. Space
Res., 51, 1284–1300, 2013.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>7</label><mixed-citation>
Hofmann-Wellenhof, B. and Moritz, H.: Physical geodesy, Springer, Berlin,
Germany, 388 pp., 2006.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>8</label><mixed-citation>
Oort, A. H., Acher, S. C., Levitus, S., and Peixoto, J. P.: New estimates of
the available potential energy in world ocean, J. Geophys. Res., 94,
3187–3200, 1989.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>9</label><mixed-citation>
Shum, C. K., Guo, J., Hossain, F., Duan, J., Alsdorf, D., Duan, X., Kuo, C.,
Lee, H., Schmidt, M., and Wang, L.: Inter-annual water storage changes in
Asia from GRACE data, in: Climate Change and Food Security in South Asia,
Springer, Berlin, Germany, 69–83, 2011.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>10</label><mixed-citation>
Stommel, H. and Schott, F.: The beta spiral and the determination of the
absolute velocity field from hydrographic station data, Deep-Sea Res., 24,
325–329, 1977.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>11</label><mixed-citation>
Tapley, B. D., Chambers, D. P., Bettadpur, S., and Ries, J. C.: Large scale
ocean circulation from the GRACE GGM01 geoid, Geophys. Res. Lett., 30, 2163,
<a href="https://doi.org/10.1029/2003GL018622" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2003GL018622</a>, 2003.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>12</label><mixed-citation>
Vallis, G. K.: Mechanisms and parameterizations of geostrophic adjustment and
a variational approach to balanced flow, J. Atmos. Sci., 49, 1144–1160,
1992.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>13</label><mixed-citation>
Veronis, G.: Dynamics of large-scale ocean circulation, in: Evolution of
Physical Oceanography, M.I.T. Press, Cambridge, MA, 140–184, 1980.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>14</label><mixed-citation>
Wunsch, C.: The general circulation of the North Atlantic west of
50°&thinsp;W determined from inverse methods, Rev. Geophys., 16, 583–620,
1978.
</mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>15</label><mixed-citation>
Wunsch, C. and Gaposchkin, E. M.: On using satellite altimetry to determine
the general circulation of the oceans with application to geoid improvement,
Rev. Geophys., 18, 725–745, 1980.
</mixed-citation></ref-html>--></article>
