1. 引言
二维分数阶表面准地转SQG方程是由三维不可压缩欧拉方程推导出的二维模型。本文重点研究由下式给出的耗散SQG方程:
(1)
其中
是耗散系数,而
是两个空间变量
和时间
的实标量函数。速度场
通过Riesz变换确定:
(2)
显然,
(3)
通过Fourier变换定义,
其中
表示[1]的Fourier变换。为便于记号,我们写为
。
分数阶SQG方程是对经典SQG方程的扩展,不同于经典拟地转方程,分数阶SQG方程能更精确地描述具有非局部性和依赖性的动力学过程。因此,各向异性分数阶方程成为捕捉复杂方向系统中的强大工具,例如大气动力学、多孔介质流动及生物流体力学领域。
分数阶SQG方程的过往研究主要集中于各向同性的情形。Kiselev与Nazarov在[2]中取得突破性进展,证明了临界SQG方程的全局正则性。对于次临界分数阶SQG方程
,Constantin与Vicol在[3]中证明了其全局存在性与唯一性。
除解的全局正则性外,弱解及其对初始数据的依赖性研究亦取得进展。Resnick探索了经典SQG方程的弱解及其长期行为,该研究至今仍对理解非正则解具有重要影响[4]。
Danchin与Paicu通过推进微积分方法,在临界空间中深入剖析解的精细特性。这些方法论在研究分数阶SQG方程及相关模型时发挥了关键作用。分数阶SQG方程的各向异性情形比各向同性情形更为复杂,这源于其对称性的缺失及额外的正则性要求。近期研究通过用分数阶算子
替代标准扩散项
和
[5] [6]。
在(1)式中,
取代了经典SQG方程中的扩散项,构建了更一般的理论框架。文章定理以及证明借鉴了文献[7]的主要技术思想和方程中能量估计的方法,文献[8]提供了处理分数阶算子的分析技巧,将该思想融入方程中耗散项与非线性项的进一步估计,因此本文将方法结合在一起,将其推广应用于各向异性Sobolev空间中分数阶拟地转方程的稳定性问题。即如下定理,
定理1 存在常数
,使得对于所有初始数据
,且
,满足
,方程(1)和(2)的解在
中具有一致有界性。因此,我们得到
(4)
2. 预备知识
让我们首先回顾:
表示
上光滑函数构成的Schwartz空间,其中函数的各阶导数在无穷远处衰减;
为缓增分布空间,是
在通常配对下的对偶空间。本文利用Littlewood-Paley分解详细刻画各向异
性Sobolev空间
,分析中主要采用Bony分解[9]。设
为支架包含于环域
的光滑函数,
为支集包含于球
的光滑函数,则有
为方便起见,我们用
表示非齐次各向异性二进块,在
方向上的定义如下:
(5)
此外,我们引入以下低频截断算子:
(6)
命题1 对于
,可直接验证如下恒等式成立:
(7)
命题2 (Bernstein不等式[9])设
。设
满足
。则存在仅依赖于
的常数
,使得对于任意
及任意
,下列不等式成立:
定义1非齐次Sobolev空间
由以下范数定义:
其中
表示
的Fourier变换。
命题3 (一维非齐次Sobolev空间中的乘积法则)设
与
,
,
,则在一维非齐次Sobolev空间中,
与乘积法则成立如下:
(8)
定义2 Sobolev空间
定义为
命题4对于
,Sobolev范数可等价表示为
命题5 Sobolev范数也可表示为
空间与Sobolev空间的混合范数,有
其中
表示混合范数,是将
方向上的
范数与
方向上的Sobolev范数相结合。
引理1 [7]对于
和
,有
(9)
引理2 [10]设
是定义在
上的函数,设
是
空间中随时间变化的函数序列,满足
,则有
引理3对满足
的实数
和
,当
和
,则存在常数
使得
(10)
其中
和
。
3. 引理3证明
为消除各向异性的影响,我们将估计分为两个部分:
首先,我们估计
项
由(6)式可得,
,
应用Sobolev空间的乘积规则,(8)式可得
,
利用引理1和Bernstein不等式,我们得到
利用引理2,令
,则
(11)
同样地,我们可以在Sobolev空间中应用引理1、引理2和Sobolev空间的乘积规则(8)式,我们还得到:
(12)
类似地,我们应用引理1、引理2和Bernstein不等式得到
(13)
因此,由(11)、(12)和(13)式可得
其中
是
中的一般元素,且对于
,且
。
基于Riesz变换
,其中
是满足
的Fourier乘子,我们有:
(14)
接下来,我们通过Bony分解对
进行估计,得到:
(15)
对于
,由(7)可得:
,
这里
,那么
,即
,
这里
,那么
,即
,
这里
,即
所以
,
和
均为0,这意味着
(16)
因此,利用(8)式、Höder\不等式、Bernstein不等式以及散度为0条件
,
其中
.
由于
,我们得出结论:
(17)
随后,我们估计
,其中
。利用分解
,即
。
由于
(18)
因此
(19)
则
(20)
其中,利用分部积分法
所以,
对于
,我们可以用类似于
进行估计,从而得到
(21)
对于
,令
和
。那么,
通过(8),我们推导出
通过对两边取
范数,并利用范数的积分被积分的范数所限制的性质,结合卷积不等式,我们得到:
此外,应用引理1、引理2、Bernstein不等式,并利用
这一条件,我们得到:
对于
中
我们可以估计为
。
此外,通过应用Riesz定理,我们得到
引理3已证明。
4. 定理1的证明
局部光滑解可简单得到。若存在全局先验界,则全局解的存在性可通过标准紧性方法推导。首先,将算子
作用于方程(1),
(22)
并与
进行内积运算,我们得到能量估计式
(">)">
利用
,并应用引理3 (其中
),可得:
(24)
两边同时乘以
并取
范数,可得出结论:
(25)
根据Sobolev嵌入
,我们可以推导出
(26)
应用插值不等式
(27)
由此可知
对于所有
,
满足以下全局界限与小性条件:
因此,
假设
,我们得到
,并且
(28)
我们得到
,那么
,这与假设相矛盾。
因此对于
因此,定理1的证明至此完成。
基金项目
本研究得到国家自然科学基金(12461020)的支持。