Initiation Océan et Climat

Présentation

This course introduces the basics of the large-scale dynamics of the atmosphere and ocean. The developed theoretical concepts are used to understand some aspects of climate, such as the origin of the temperature decrease with height, the structure of the zonal mean winds in the atmosphere or the stability of the Atlantic thermohaline circulation. English friendly course.

Pré-requis nécessaires

vector calculus, basics of fluid mechanics and applied mathematics.

Objectifs

On completing this course, students will be able to solve both analytically and numerically simple problems related to the large-scale dynamics of the atmosphere or ocean, such as the determination of the large-scale circulation from a given temperature or density distribution. Students will also be able to build simple mathematical models of climate and solve them for applications to the stability of linear and nonlinear systems.

Compétences visées

Identifier, sélectionner et analyser avec esprit critique diverses ressources spécialisées pour documenter un sujet et synthétiser ces données en vue de leur exploitation

récolter des données terrain ou en laboratoire et connaitre les méthodologies et instruments de mesures

avoir une culture des ordres de grandeur du système océan-atmosphère-climat pour qualifier ou analyser des observations

developper des calculs nouveaux a partir de calculs existants pour résoudre un problème original

Identifier les usages numériques et les impacts de leur évolution sur le ou les domaines concernés par la mention

identifier les outils et ressources numériques pour le problem solving et savoir valider les résultats

identifier les outils numériques dans l’obtention d’information et dans la diffusion de connaissances

Mobiliser des savoirs hautement spécialisés, dont certains sont à l’avant-garde du savoir dans un domaine de travail ou d’études comme base d'une pensée originale.

Acquérir des connaissances thématiques spécialises en physique marine

Appliquer les théories et outils analytiques et numériques sur des problèmes thématiques puis transverses

Résoudre des problèmes pour développer de nouveaux savoirs et de nouvelles procédures et intégrer les savoirs de différents domaines

Associer à la connaissance thématique, la pratique de problem solving

Conduire une analyse réflexive et distanciée prenant en compte les enjeux, les problématiques et la complexité d’une situation ou question scientifique afin de proposer des solutions adaptées et/ou innovantes avec les outils appropriés

Savoir classer les questions scientifiques et les résultats par typologie et ordre d’importance

Avoir acquis l’expertise sur la structure et l’organisation des rapports et articles scientifiques

Savoir produire des figures scientifiques en fonction du contenu d’information souhaite

Analyser et résoudre un problème de physique marine a partir d’informations fragmentaires ou de sources d’information dispersées ; identifier les processus physiques et les quantifier

Quantifier les éléments individuels et structurels du système

Descriptif

The course is divided into 3 parts. Lecture notes (120pp, written in English) are available for this course.

Chap1. Energy balance of the Earth’s climate system

  • Distribution of insolation at the top of the atmosphere
  • Basics of radiative transfer
  • Emission temperature
  • Radiation balance at the top of the atmosphere
  • Simple models of the greenhouse effect
  • A short introduction on dynamical systems (fixed points, and stability)
  • Climate feedbacks
  • Multiple equilibria in the climate system

Chap2. Large-scale atmospheric circulation

  • Atmospheric composition
  • Mean state of the atmosphere (temperature, water vapour, winds, clouds, etc)
  • Equation of state
  • Hydrostatic balance (and its validity)
  • Dry adiabatic lapse rate and convection
  • Geopotential height / Hypsometric equation
  • Geostrophic balance
  • Thermal wind balance in pressure coordinates

Chap3. Large-scale ocean circulation

  • Mean state of the ocean (temperature, salinity, circulation)
  • Geostrophy and thermal wind balance in height coordinates
  • Energetics of the circulation and the importance of mixing (Sandstrom theorem)
  • Multiple equilibria of the oceanic overturning circulation

The course is completed with about 10 hours of computer classes where students use simple energy balance climate models to study the sensitivity of the atmospheric mean state to changes in external forcings or parameters, learn how to build bifurcation diagrams and interpret them, develop python scripts to compute (among other things) geostrophic currents based on observed atmospheric and oceanics temperature/density distributions.