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課程來源:MIT
     

12.820 / 12.822 2003春季課程:地球物理系統中的擾流(Turbulence in Geophysical Systems, Spring 2003)

翻譯:陳懿

編輯:陳玉侖  陳盈

 

 
Examples of turbulent flows.
太陽表面、地球大氣層、海洋表面的墨西哥灣流(Gulf Stream)和火山爆發中擾流的例子(圖片來自美國太空總署國家海洋和大氣局美國地質勘探局

Examples of turbulent flows at the surface of the sun, in the earth's atmosphere, in the Gulf Stream at the ocean surface, and in a vulcanic eruption. (Images courtesy of NASA, NOAA and USGS.)

課程重點

本課程包括詳細的課堂講稿作業

This course includes detailed lecture notes and assignments.

課程描述

本課程介紹地球海洋和大氣層中擾流的現象、理論和模型。涉及範圍從微觀結構到行星的運動。擾流的形式包括二維和三維的均勻流動、因地球自轉而引起的運動、切向流動、對流、邊界層流、穩定層流和內部波動。

This course presents the phenomena, theory, and modeling of turbulence in the Earth's oceans and atmosphere. The scope ranges from the fine structure to planetary scale motions. The regimes of turbulence include homogeneous flows in two and three dimensions, geostrophic motions, shear flows, convection, boundary layers, stably stratified flows, and internal waves.
師資
講師:
Glenn R Flierl 教授
Sonya Legg 博士
Raffaele Ferrari 教授
上課時數
教師授課:
每週2節
每節1.5小時
程度
研究所
回應
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聲明
麻省理工學院開放式課程認可 開放式課程計畫(OOPS)的翻譯計畫,開放式課程計畫(OOPS)乃是運用其獨立團隊、獨立資源、獨立流程進行翻譯計畫之團隊。

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此 處麻省理工學院開放式課程之資料乃由 開放式課程計畫(OOPS) 譯為正體中文。麻省理工學院開放式課程在此聲明,不論是否遭遇或發現相關議題,麻省理工學院開放式課程、麻省理工學院教師、麻省理工學院校方並不對翻譯正 確度及完整性作保證。上述單位並對翻譯後之資料不作明示或默許對任一特定目的之適合性之保證、非侵權之保證、或永不出錯之保證。麻省理工學院校方、麻省理 工學院開放式課程對翻譯上之不正確不負任何責任。由翻譯所引發任何關於此等資料之不正確或其他瑕疵,皆由開放式課程計畫(OOPS)負全責,而非麻省理工 學院開放式課程之責。

原文聲明

 

 
一.擾流:定義和統計描述 1.擾流的定義 2.重要參數和擾流的形式 3.均勻與非均勻擾流 4.相干結構 5.機率論 6.中心極限定理 7.Reynolds平均法 8.封閉問題

二.擾流動能學 1.動能預估 2.勢能預估 3.Osborn-Cox

三.各向同性均勻三維擾流 1.Kolmogorov 理論 2.間歇現象和β模型 3.能譜描述之外:結構函數 4.被動追蹤器能譜

四.各向同性均勻二維擾流 1.能量和渦度擬能串跌 2.自由衰變和強制受迫二維擾動 3.相干結構現象

五.准地球自轉引起的擾動 1.擾流旋轉和成層作用 2.准地球自轉引起擾動間的能量和渦度擬能串跌 3.准地球自轉引起擾動的標度理論 4.中度漩渦

六.擾流的對流 1.水平和垂直方向的對流 2.羽狀、混合作用 3.對流及其擴展

七.用參數描述擾流 1.混合長度理論、有效粘度和擴散係數 2.壁定律 3.混合層模型 4.一級和二級閉合模型 5.大的渦流模擬圖解 6.KPP 模型 7.中間區域近似 8.中度渦流閉合圖解

八.弱擾流:波的動力學 1.海洋的內部波動:Garrett-Munk 能譜 2.大氣層的內部波動:波平均流相互作用 3.弱擾流即是非線性波相互作用的描述

九.弱擾流:波動中的相干結構 1. Stokes波
Stokes Waves 2. Korteweg-de Vries 方程和單波 3. 非線性Shroedinger(薛定諤)方程和單波包絡

十. 擾流擴散 1.Einstein(愛因斯坦): 通過不連續運動的擴散 2.Taylor(泰勒): 通過連續運動的擴散 3.不規則擴散 4.Levy(利維)流動

十一.擾流運動的拉格朗日隨機描述 1.粒子運動 2.Stokes漂流 3.Langevin擴散模型 4.Chapman-Kolmogorov方程 Turbulence: Definition and Statistical Description Definition of Turbulence Important Parameters and Regimes of Turbulence Homogeneous versus Non-homogeneous Turbulence Coherent Structures Probability Theory Central Limit Theorem Reynolds Averaging The Closure Problem

Energetics of Turbulent Flows Kinetic Energy Budgets Potential Energy Budgets Osborn-Cox

Isotropic Homogeneous 3D Turbulence Kolmogorov Theory Intermittency and the Beta Model Beyond a Spectral Description: Structure Functions Passive Tracer Spectra

Isotropic Homogeneous 2D Turbulence Energy and Enstrophy Cascades Freely Decaying and Forced 2D Turbulence The Appearance of Coherent Structures

Quasi-geostrophic Turbulence Effects of Rotation and Stratification on Turbulent Flows Energy and Enstrophy Cascades in Quasi-geostrophic Turbulence Scaling Theories for Quasi-geostrophic Turbulence Mesoscale Eddies

Turbulent Convection Horizontal versus Vertical Convection Plumes, The Mixing Agent Convection and Spreading

Parameterizing Turbulence Mixing Length Theory and Effective Viscosity and Diffusivity Law of the Wall Mixed Layer Models First and Second Order Closure Models Large Eddy Simulations Schemes KPP Models Mean Field Approximations Closure Schemes for Mesoscale Eddies

Weak Turbulence: Wave Dynamics Internal Waves in the Ocean: The Garrett-Munk Spectrum Internal Waves in the Atmosphere: Wave-mean Flow Interactions Weak Turbulence as a Description of the Nonlinear Waves Interactions

Weak Turbulence: Coherent Structures in Waves Stokes Waves Korteweg - de Vries Equation and Solitary Waves Non Linear Shroedinger Equation and Envelope Solitons

Turbulent Dispersion Einstein: Diffusion by Discrete Movements Taylor: Diffusion by Continuous Movements Anomalous Diffusion Levy Flights

Lagrangian-stochastic Description of Turbulent Motions Particle Motions Stokes Drift Langevin Model of Diffusion Chapman-Kolmogorov Equation

 

 

 
課 課程單元
1 前言
Introduction
2 統計學
Statistics
3 Reynolds平均計算法
Reynolds Averaging
4 動力學
Energetics
5 雪暴
Snow Storm
6-7 各向同性均勻三維擾流
Isotropic Homogeneous 3D Turbulence
8-9 各向同性均勻二維擾流
Isotropic Homogeneous 2D Turbulence
10-11 准地球自轉引起的擾動
Quasi-geostrophic Turbulence
12-13 擾流的對流
Turbulent Convection
14 擾流追蹤器
Tracer Turbulence
15 中間旋渦的相互作用
Eddies - Mean Flow Interactions
16 中間區域近似
Mean Field Approximations
17-18 非線性波動
Nonlinear Waves
19-20 波的散射
Wave Dispersion
21-23 用參數描述擾流
Parameterizing Turbulence
24-25 弱擾動
Weak Turbulence
26-27 擾動的散射
Turbulent Dispersion

 

說明:在絕大多數學術工作中,課堂講稿代表講師對教學材料的觀點,結合其他資料的推論,在有些情況下引用的參考書/資料來源說明可能不完整。
Note: As with most if not all academic work, the lecture notes represent the instructor's view of the material and incorporate derivations drawn from many sources. In some cases references and/or sources may be incomplete.

課 課程單元
1 前言
Introduction
2 統計學
Statistics
3-5 Reynolds平均計算法
Energetics of Turbulent Flows
(英文PDF)
(英文DOC)
6-7 各向同性均勻三維擾流
Isotropic Homogeneous 3D Turbulence
8-9 各向同性均勻二維擾流
Isotropic Homogeneous 2D Turbulence
(英文PDF)
(英文DOC)
10-11 准地球自轉引起的擾動
Quasi-geostrophic Turbulence
(英文PDF)
(英文DOC)
12-13 擾流的對流
Turbulent Convection
(英文PDF)
(英文DOC)
14 擾流追蹤器
Tracer Turbulence
15 中間旋渦的相互作用
Eddies - Mean Flow Interactions
16 中間區域近似
Mean Field Approximations
第一部分(PDF)
Part 1: (PDF)
第二部分(PDF)
Part 2: (PDF)
17-18 非線性波動
Nonlinear Waves (PDF)
19-20 波的散射
Wave Dispersion (PDF)
21-23 用參數描述擾流
Parameterizing Turbulence
第一部分(PDF)
Part 1: (PDF)
第二部分(PDF)
Part 2: (PDF)
24-25 弱擾動
Weak Turbulence
26-27 擾動的散射
Turbulent Dispersion

 

作業


本頁翻譯進度

燈號說明

審定:無
翻譯:陳懿(簡介並寄信)
編輯:陳玉侖(簡介並寄信)

作業 檔案
習題集1
Problem Set 1
(PDF)
習題集2
Problem Set 2
(PDF)
習題集3
Problem Set 3
(PDF)
習題集4
Problem Set 4
(PDF)
習題集5
Problem Set 5
(PDF)
習題集6
Problem Set 6
(PDF)
習題集7
Problem Set 7
(PDF)
習題集8
Problem Set 8
(PDF)
期末家庭作業
Final Homework Assignment
(PDF)

 

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