Les séminaires du L.M.D

à l'École Normale Supérieure
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  GravityWaves, Scale Asymptotics, and the Pseudo-Incompressible Equations
Ulrich ACHATZ
jeudi 18 mars 2010, à 14h30   Institut für Atmosphäre und Umwelt Fachbereich Geowissenschaften/Geographie,
Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main

salle 316, 3ème étage, Département des Géosciences
 
Motivated by previous work on gravity-wave (GW) breaking, describable within Boussinesq theory, however triggered by amplitude growth in an atmosphere with vertically decreasing density, which is not captured by Boussinesq theory, ways are sought to extend such a theory at minimal expense. Therefore, multiple-scale asymptotics is used to analyze the Euler equations for the dynamical situation of a gravity wave near breaking level. A simple saturation argument in combination with linear theory is used to obtain the relevant dynamical scales. As small expansion parameter the ratio of vertical wavelength and potential-temperature scale height is used. It is shown that the resulting equation hierarchy is consistent with that obtained from the pseudo-incompressible equations, both for non-hydrostatic and hydrostatic gravity waves, while this is not the case for the anelastic equations. For the description of the wave propagation over several atmospheric scale heights WKB theory is used to show that the pseudo-incompressible flow divergence yields just the right amplitude equation as also to be obtained from the full Euler equations. This gives a mathematical justification for the use of the pseudo-incompressible equations for studies of gravity-wave breaking in the atmosphere. The WKB theory interestingly also holds at wave amplitudes close to static instability.
  Themodynamics of the Climate System
Valerio LUCARINI
jeudi 4 mars 2010, à 14h30   Department of Meteorology and Department of Mathematics,
University of Reading, Reading, UK

salle 316, 3ème étage, Département des Géosciences
 
We present a different outlook on the climate system by studying some of its macroscopic properties in terms of the 1st and 2nd laws of thermodynamics. We review and clarify the notion of efficiency of the climate system by constructing formally an equivalent Carnot engine with efficiency eta, and show how the Lorenz energy cycle can be framed in a macro-scale thermodynamic context. Then, by exploiting the 2nd law, we prove that the lower bound to the entropy production is eta times the integrated absolute value of the internal entropy fluctuations. Finally, the controversial maximum entropy production principle is re-interpreted as requiring the joint optimization of heat transport and mechanical work production. These findings provide new tools for climate change analysis and for climate models' validation. We show some results on recent snowball Earth and CO2 increase GCM experiments.
  Downscaling statistique du vent par observations de proximité
Tamara SALAMEH
jeudi 18 février 2010, à 14h30   Laboratoire de Météorologie Dynamique,
Ecole Polytechnique, Palaiseau

salle 316, 3ème étage, département TAO
 
Dans un terrain complexe, la détermination précise et rapide des composantes du vent local, est un défi nécessaire pour l'évaluation de l'énergie éolienne, la prévision du transport de polluants et des conditions dangereuses pour la navigation (entre autres). Ce travail présente une approche de régionalisation statistique des composantes du vent local dans le sud de la France, terrain à orographie complexe. Elle est basée sur un modèle additif généralisé (GAM) qui relie la grande échelle aux variables atmosphériques locales (Salameh et al. 2009). L'avantage de notre approche est la modélisation du vent local même à des endroits où il n'y a pas de mesures. Nous appliquons notre modèle statistique aux informations de la grande échelle données par les réanalyses ERA-40 (1991-2001) et sur les scénarios de l'IPCC. Les performances de notre méthode sont évaluées en comparant les sorties du modèle aux observations. Nous étudions l'évolution temporelle du vent régionalisé en comparant le downscaling issu de ERA-40 et des scénarios de l'IPCC.
  La prévision intra-saisonnière: une collaboration à la frontière de la prévision numérique du temps et du climat
Gilbert BRUNET
lundi 7 décembre 2009, à 11h00   Division de Recherche en Météorologie,
Environment Canada, Dorval, Québec, Canada

salle 316, 3ème étage, département TAO
 
Mondialement nous observons une accélération de la demande de prévisions du temps, du climat, de l'eau et de la pollution atmosphérique à échéance mensuelle à saisonnière. La troisième Conférence mondiale sur le climat soulignait que la prévision saisonnière se situe à la jonction de la recherche et de la prestation de services dans les domaines du temps et du climat. Une stratégie de recherche qui permettra d'affiner ce genre de prévisions consiste à resserrer la collaboration entre différents programmes, en particulier le Programme Mondial de Recherche en Météorologie et le Programme Mondial de Recherche du Climat, dans le but d'éliminer toute discontinuité dans les prévisions météorologiques et climatologiques. On estime qu'une telle collaboration devrait viser en premier lieu les systèmes de prévision d'ensemble, la convection tropicale et son interaction avec la circulation globale, l'assimilation des données couplées et les avantages socio-économiques potentiels de l'amélioration des prévisions intra-saisonnières. Nous allons présenter des résultats récents sur l'interconnexion des tropiques et des latitudes moyennes : i) une relation entre l'AO (Arctic Oscillation) et la MJO (Madden-Julian Oscillation) ; et ii) l'impact global des chauffages diabatiques de la mousson asiatique d'été.
  A non-harmonic wave theory in mid-latitudes on a sphere and recent satellite observations in the ocean
Nathan PALDOR
jeudi 3 septembre 2009, à 14h00   Fredy and Nadine Herrmann Institute of Earth Sciences
The Hebrew University of Jerusalem

salle 316, 3ème étage, département TAO
 
The theory of mid-latitude planetary waves in the atmosphere or the ocean is traditionally formulated in terms of harmonic solutions and in Cartesian coordinates. What I'll show in my talk is that it is possible to derive zonally propagating wave solutions of the Linearized Shallow Water Equations with rotation in spherical coordinates in which the amplitude varies in the meridional direction such that the wave is trapped near the equatorward boundary (e.g. a zonal channel) of the domain. This wave trapping is accompanied by an increase in the wave's zonal phase speed compared to that of the harmonic solutions in Cartesian coordinates. The theoretical advance is facilitated by transforming the eigenvalue equation to a Schrodinger form in which the potential increases monotonically with latitude and where the energy levels yield the phase speeds of Rossby waves and two Poincare waves by a simple cubic relation. The faster zonal propagation of the non-harmonic waves is consistent with recent observations made by satellite borne altimeters such as Topex/Poseidon.
  Vers une matrice de covariance d'erreur d'ébauche fortement hétérogène et non-séparable
Olivier PANNEKOUCKE
jeudi 25 juin 2009, à 14h30   Météo-France, Toulouse

salle 316, 3ème étage, département TAO
 
L'assimilation de données désigne l'ensemble des techniques visant à estimer l'état de l'atmosphère, pour en déduire une prévision météorologique déterministe. Souvent une méthode de prédiction/correction est utilisée, de sorte que l'état estimé est construit comme la correction d'une ébauche à partir d'observations. Parmi les ingrédients essentiels entrant dans les formulations développées par les grands centres de prévision opérationnelle, se trouve la matrice de covariance d'erreur d'ébauche (ou de prévision). Le rôle de cette matrice est de contribuer au filtrage de l'erreur d'observation ainsi qu'à la propagation spatiale de l'information dans l'ébauche. Le problèmes de l'estimation et de la représentation en machine de cette matrice (de taille gigantesque) implique qu'elle doit être modélisée. L'un des enjeux actuels est la représentation de l'hétérogénéité et l'anisotropie des fonctions de corrélations en géométrie sphérique. Or différentes contraintes rendent l'entreprise bien délicate: il est connu que les fonctions de corrélations sont plus larges à l'équateur qu'aux moyennes latitudes ; il est raisonnable de penser que les fonctions de corrélations au voisinage d'un front ne sont pas isotropes ; les statistiques d'erreur de prévision indiquent qu'il n'y a pas de séparabilité entre l'horizontale et la verticale. Il existe différents modèles plus ou moins adaptés. Ainsi, l'utilisation d'ondelettes sphériques permet de construire des fonctions de corrélation hétérogènes et non séparables, mais l'anisotropie reste mal représentée. À l'inverse l'utilisation d'un opérateur de diffusion permet une bonne représentation de l'anisotropie, mais cette formulation est séparable et il reste le problème de l'estimation des tenseurs de diffusion locaux. Le mélange de ces deux formulations, allié à l'approche ensembliste, permet la construction d'un modèle hybride non-séparable et fortement anisotrope.
  Onsager's Conjecture and Turbulent Dissipation
Susan FRIEDLANDER
jeudi 18 juin 2009, à 14h30  Department of Mathematics, University of Southern California, Los Angeles

salle 316, 3ème étage, département TAO
 
Onsager conjectured, in the context of the Euler equations, that solutions that are sufficiently smooth conserve energy. However it is possible that "rough" solutions could dissipate energy even in the absence of viscosity. This mechanism is sometimes called turbulent dissipation. We will discuss recent results sharpening the criteria that ensure conservation of energy for the Euler equations. We will describe a model system for the fluid equations that illustrates Onsager's conjecture in both directions and reproduces Kolmogorov's law for turbulent scaling.
  The Instability of Time-Dependent Baroclinic Shear Flows
Francis POULIN
jeudi 11 juin 2009, à 14h30  Department of Applied Mathematics, University of Waterloo, Canada

salle 316, 3ème étage, département TAO
 
Geophysical shear flows in nature are often idealized to be steady. This approach has proven useful in predicting the stability characteristics of many flows such as the Gulf Stream, but it is not without limitations. As time variations are ubiquitous in nature, it is of great interest to understand how they can alter the stability of a system. Here, I present examples of aperiodic systems in order to better understand what effect irregularity (stochasticity) has on the stability characteristics of a basic state. In particular, I discuss the Mathieu's equation and the linearized Phillips model.
Both models show that the parametric mode, which is the unstable mode in the periodic limit, also exists in the presence of small to moderate stochasticities. The effect of the noise is to reduce the growth rate while extending the region of instability. Moreover, at moderate values of stochasticity and small mean frequencies there is a new mode of instability, the stochastic mode. This mode is completely absent in the periodic and white noise limits and achieves its largest growth rates for moderate degrees of stochasticity. This is another example of how irregularity can actually destablize a system. To compliment these findings, I present the results from numerical simulations that illustrate the fully nonlinear evolution of the parametric and stochastic modes.
  Vers une théorie de l'Oscillation Nord-Atlantique (NAO)
Michael GHIL
jeudi 28 mai 2009, à 14h30   Département Terre-Atmosphère Océan, Laboratoire de Météorologie Dynamique, ENS, Paris

salle 316, 3ème étage, département TAO
 
For the last 15 years, the author of this talk and several associates have developed a theory of interannual variability in the wind-driven, mid-latitude ocean circulation A key feature of this theory is the existence of a "gyre mode" with a periodicity of 7-8 years. The period of this mode, as well as several of its surface features agree with the spatio-temporal structure of sea-surface temperatures (SSTs) and sea-level pressures of the North Atlantic Oscillation. In a barotropic and a baroclinic model, respectively, a strong and narrow SST front, like that of the Gulf Stream, can induce a vigorous jet in the atmosphere above. The atmospheric jet undergoes intraseasonal oscillations whose period and spatio-temporal characteristics depend on the SST front's strength. These results depend on the resolution of the atmospheric model and disappear for a grid size of 100 km or larger, which is still typical of GCMs used in simulations of past, present and future climate. Simulations that use an atmospheric GCM with a zooming capability over the Gulf Stream region, and high-resolution Mercator SST data for the lower boundary, support the idealized-model result. This hypothesis is further examined in (i) coupled ocean-atmosphere model studies with realistic North Atlantic geometry; and (ii) data over the western North Atlantic from the Simple Ocean Data Assimilation (SODA) data reanalysis. The recent results represent joint work with S. Brachet, Y. Feliks and E. Simonnet.
  Direct Validation of Modeled Gravity Waves Generated by Convection with Satellite Observation
M. Joan ALEXANDER
jeudi 14 mai 2009, à 14h30   NorthWest Research Associates,
Colorado Research Associates (CoRA) Division, Boulder, Colorado

salle 316, 3ème étage, département TAO
 
Global models cannot generally resolve small scale gravity waves nor the processes that generate them. However gravity wave effects on the global circulation are substantial, and so are treated via parameterization. Mountain waves have long been treated via a source parameterization that is tied to the surface topography and winds. Recent studies have attempted to describe gravity waves from other sources in an analogous manner, specifically convection and frontal sources. These are currently poorly validated with observation. We describe a simplified model of gravity wave generation by convection that is directly validated using satellite observation of waves in the stratosphere above the convection. The model simplifies the complex microphysical processes within the storm that lead to wave generation, and treats these as a 3-dimensional time-varying latent heating field that is derived from precipitation observations. The simplicity of the model and its direct validation provide a means to evaluate and improve the gravity wave source parameterizations for convection.
  Analyse spectrale d'un modèle sol-atmosphère linéarisé
Pierre GENTINE
jeudi 26 mars à 14h30  Massachusetts Institute of Technology
Cambridge, Massachusetts, U.S.A.
salle 316, 3ème étage, département TAO
 
La réponse temporelle d'un système couplé sol-atmosphère en réponse à un forçage de rayonnement à la surface du sol est étudiée de manière analytique. La définition originale de ce problème revient à Lettau en 1951. Cette présentation étend le travail de Lettau et introduit de nombreuses améliorations. Nous exposerons dans un premier le résultat de la propagation d'ondes de température et de flux de chaleur dans le sol et la Couche Limite Atmosphérique, en utilisant un développement en séries de Fourier. Cette approche permet d'obtenir des résultats important concernant la « mémoire » du sol et de l'atmosphère en réponse au forçage solaire à la surface du sol. Cela aura des répercussions importantes pour l'utilisation et la conception d'outils de télédétection. Dans un deuxième temps, nous nous intéresserons à la dépendance de l'amplitude et de la phase des variables de surface aux différents paramètres de surface comme la vitesse de frottement, la Fraction Evaporative, la résistance aérodynamique ou la hauteur de végétation. Nous discuterons ensuite des possibilités d'évolution des modèles de surface actuels.
  Rôle du rail équatorial dans la circulation méridienne océanique: Interaction des échelles spatiales conduisant au mélange.
Claire MENESGUEN
lundi 2 mars à 11h00   IFREMER
Brest, France
salle 316, 3ème étage, département TAO
 
La circulation méridienne grande échelle des océans se maintient grâce à un équilibre subtil entre différents mécanismes. Ce travail se focalise sur le mélange équatorial turbulent, un mécanisme clé de l'équilibre thermique global. L'étude menée a été motivée par l'observation de fines couches homogènes se superposant de façon intermittente sur la verticale. Ces couches s'insèrent dans la dynamique de plus grande échelle des jets équatoriaux. Une exploration numérique a permis d'obtenir une représentation réaliste de la dynamique équatoriale constituée de jets extra-équatoriaux et de jets équatoriaux profonds. La combinaison de ces deux systèmes de jets forme des niches de faibles valeurs de vorticité potentielle, propices à 'instabilité inertielle et au mélange. Une étude numérique de très haute résolution a recréé dans ce contexte des petites structures actives aux propriétés identiques à celles observées en Atlantique. Le phénomène s'avère réversible et son développement amène l'écoulement de plus grande échelle à s'ajuster aux zones marginales des critères d'instabilité inertielle. Ces mélanges équatoriaux permettent d'étendre la distribution globale des coefficients de diffusivité turbulente jusqu'à l'équateur où le mélange dû au déferlement des ondes internes n'est pas actif. La résolution atteinte par les simulations numériques ne permet pas encore de conclure sur une cascade d'énergie vers les échelles du mélange mais invite à de nouvelles études vers les plus petites échelles.