<p><b>qchen3@fsu.edu</b> 2012-11-28 16:07:28 -0700 (Wed, 28 Nov 2012)</p><p>For GM design document: added the epsilon terms representing weak cross-isopycnal diffusions.<br>
</p><hr noshade><pre><font color="gray">Modified: trunk/documents/ocean/current_design_doc/gm/gm.tex
===================================================================
--- trunk/documents/ocean/current_design_doc/gm/gm.tex        2012-11-27 19:49:24 UTC (rev 2325)
+++ trunk/documents/ocean/current_design_doc/gm/gm.tex        2012-11-28 23:07:28 UTC (rev 2326)
@@ -628,7 +628,62 @@
   K^r</font>
<font color="blue">abla^r\rho = 0.
 \end{displaymath}
 
+</font>
<font color="blue">oindent{\it Weak cross-isopycnal-surface diffusion}\\
+If weak cross-isopycnal-surface diffusion is to be considered, then
+$K^\rho$ takes the form
+\begin{equation}
+\label{eq:48}
+  K^\rho = \left(
+    \begin{matrix}
+      1 &amp; 0 &amp; 0\\
+      0 &amp; 1 &amp; 0\\
+      0 &amp; 0 &amp; \epsilon
+    \end{matrix}\right).
+\end{equation}
+for a small positive number $\epsilon$. Through the same transformation
+given in \eqref{eq:40}, $K^r$ is found to be
+\begin{equation}
+\label{eq:50}
+  K^r = \cos^2\beta\left(
+    \begin{matrix}
+      1 + k_y^2 + \epsilon k_x^2&amp; { }  &amp;  -(1-\epsilon)k_xk_y &amp; { } &amp; { }\\
+          { }   &amp;     { }   &amp; { } &amp; { } &amp; \cos\gamma{\tilde{\mathbf{S}}}\\
+      -(1-\epsilon)k_xk_y &amp; { } &amp; 1 + k_x^2+\epsilon k_y^2 &amp; { } &amp; { }\\
+         { } &amp; { } &amp; { } &amp; { } &amp; { } \\
+         { } &amp; \cos\gamma\tilde{\mathbf{S}}^\textrm{T} &amp; { } &amp; { } &amp;
+         \cos^2\gamma K_{33}
+    \end{matrix}\right),
+\end{equation}
+with $\tilde S$ and $K_{33}$ taking the forms
+\begin{equation*}
+ \tilde{\Sb} = \left(\begin{matrix}(1-\epsilon)k_x- l_x + k_y(k_xl_y - k_yl_x) -
+  \epsilon k_x(k_xl_x+k_yl_y) \\
+ \\ 
+  (1-\epsilon)k_y-l_y
+    + k_x(k_yl_x - k_xl_y) - \epsilon
+    k_y(k_xl_x+k_yl_y)\end{matrix}\right),
+\end{equation*}
+and 
+\begin{multline*}
+K_{33} = (k_x - l_x)^2 + (k_y - l_y)^2 +\epsilon +  (k_yl_x - k_xl_y)^2 + 
+2\epsilon(k_xl_x+k_yl_y) + \epsilon(k_xl_x+k_yl_y)^2.
+% l_x^2(1+k_y^2) + l_y^2(1+k_x^2) - 2(k_xl_x + k_yl_y) + k_x^2
+% + k_y^2 - 2k_xk_yl_xl_y.
+\end{multline*}
+With the small-angle  approximation, $K^r$ takes the same form as in
+\eqref{eq:53}, and $\tilde{S}$ and $K_{33}$ are reduced to 
+\begin{equation*}
+ \tilde{\Sb} = \left(\begin{matrix}(1-\epsilon)k_x- l_x \\
+ \\ 
+  (1-\epsilon)k_y-l_y
+  \end{matrix}\right),
+\end{equation*}
+and 
+\begin{equation*}
+K_{33} = (k_x - l_x)^2 + (k_y - l_y)^2 +\epsilon.
+\end{equation*}
 
+
 </font>
<font color="gray">oindent{\it Implementation}\\
 With $K^r$ taking the form of \eqref{eq:53}, the Redi
 diffusion can be rearranged as
@@ -667,16 +722,16 @@
 third term using the FDM, we need the values of
 $\mathbf{S}\cdot</font>
<font color="red">abla_r\varphi$ at the cell centers, which can be
 approximated by
-\begin{align*}
-  \left[\tilde{\mathbf{S}}\cdot</font>
<font color="red">abla_r\varphi\right]_i &amp;= 2\sum_{e\in
-    EC(i)}\tilde{\mathbf{S}}\cdot\mathbf{n}_e {</font>
<font color="red">abla_r\varphi}\cdot\mathbf{n}_e\\
-    &amp;= -2\sum_{e\in
-    EC(i)}\dfrac{1}{[\rho_z]_e}\left.\dfrac{\p\rho}{\p
-      n_e}\right\vert_r \left.\dfrac{\p\varphi}{\p n_e}\right|_r, 
-\end{align*}
-with $(\p/\p n_e)|_r$ denoting the derivative in the normal direction
-along constant $r$ surfaces on
-edge $e$.
+\begin{equation*}
+  \left[\tilde{\mathbf{S}}\cdot</font>
<font color="blue">abla_r\varphi\right]_i = 2\sum_{e\in
+    EC(i)}\tilde{\mathbf{S}}\cdot\mathbf{n}_e {</font>
<font color="blue">abla_r\varphi}\cdot\mathbf{n}_e.
+%    &amp;= -2\sum_{e\in
+ %   EC(i)}\dfrac{1}{[\rho_z]_e}\left.\dfrac{\p\rho}{\p
+  %    n_e}\right\vert_r \left.\dfrac{\p\varphi}{\p n_e}\right|_r, 
+\end{equation*}
+% with $(\p/\p n_e)|_r$ denoting the derivative in the normal direction
+% along constant $r$ surfaces on
+% edge $e$.
 
 % \section{Normal components}\label{sec:normal-components}
 % Date last modified: 2012/9/18 \\

</font>
</pre>