Comparison of stochastic parameterizations in the framework of a coupled ocean-atmosphere model

A new framework is proposed for the evaluation of stochastic subgrid-scale parameterizations in the context of MAOOAM, a coupled ocean-atmosphere model of intermediate complexity. Two physically-based parameterizations are investigated, the first one based on the singular perturbation of Markov operator, also known as homogenization. The second one is a recently proposed parameterization based on the Ruelle's response theory. The two parameterization are implemented in a rigorous way, assuming however that the unresolved scale relevant statistics are Gaussian. They are extensively tested for a low-order version known to exhibit low-frequency variability, and some preliminary results are obtained for an intermediate-order version. Several different configurations of the resolved-unresolved scale separations are then considered. Both parameterizations show remarkable performances in correcting the impact of model errors, being even able to change the modality of the probability distributions. Their respective limitations are also discussed.Comment: 44 pages, 12 figures, 4 table

Low-frequency variability and heat transport in a low-order nonlinear coupled ocean-atmosphere model

We formulate and study a low-order nonlinear coupled ocean-atmosphere model with an emphasis on the impact of radiative and heat fluxes and of the frictional coupling between the two components. This model version extends a previous 24-variable version by adding a dynamical equation for the passive advection of temperature in the ocean, together with an energy balance model. The bifurcation analysis and the numerical integration of the model reveal the presence of low-frequency variability (LFV) concentrated on and near a long-periodic, attracting orbit. This orbit combines atmospheric and oceanic modes, and it arises for large values of the meridional gradient of radiative input and of frictional coupling. Chaotic behavior develops around this orbit as it loses its stability; this behavior is still dominated by the LFV on decadal and multi-decadal time scales that is typical of oceanic processes. Atmospheric diagnostics also reveals the presence of predominant low- and high-pressure zones, as well as of a subtropical jet; these features recall realistic climatological properties of the oceanic atmosphere. Finally, a predictability analysis is performed. Once the decadal-scale periodic orbits develop, the coupled system's short-term instabilities --- as measured by its Lyapunov exponents --- are drastically reduced, indicating the ocean's stabilizing role on the atmospheric dynamics. On decadal time scales, the recurrence of the solution in a certain region of the invariant subspace associated with slow modes displays some extended predictability, as reflected by the oscillatory behavior of the error for the atmospheric variables at long lead times.Comment: v1: 41 pages, 17 figures; v2-: 42 pages, 15 figure

Variability and Predictability of a reduced-order land atmosphere coupled model

This study delves into the predictability of atmospheric blocking, zonal, and transition patterns utilizing a simplified coupled model. Initially, we comprehensively scrutinize the model's responses to environmental parameters like solar radiation, surface friction, and atmosphere-ground heat exchange. Subsequently, employing Gaussian mixture clustering, we successfully delineate distinct blocking, zonal, and transition flow regimes, unveiling their dependencies on surface friction. To gauge predictability and persistence, we compute the averaged local Lyapunov exponents for each regime. Our investigation uncovers the presence of zonal, blocking, and transition regimes, particularly under conditions of reduced surface friction. As surface friction increases further, the system transitions to a state characterized by two blocking regimes and a transition regime. Intriguingly, periodic behavior emerges under specific surface friction values, returning to patterns observed under low friction coefficients. Model resolution increase impacts the system in a way that only two regimes are then obtained with the clustering: the transition phase disappears and the predictability drops to roughly 2 days for both of the remaining regimes. In accordance with previous research findings, our study underscores that when all three regimes coexist, zonal patterns exhibit a more extended predictability horizon compared to blocking patterns. Remarkably, transition patterns exhibit reduced predictability when coexisting with the other regimes. In addition, within a specified range of surface friction values where two blocking regimes are found, it is observed that blocked atmospheric situations in the west of the applied topography are marked by instabilities and reduced predictability in contrast to the blockings appearing on the eastern side of the topography.Comment: 26 pages, 15 figures, 1 table, Submitted to ES

Taux d'échappement dans les systèmes dynamiques bruités

The escape of trajectories is a ubiquitous phenomenon in open dynamical systems and stochastic processes. If escape occurs repetitively for a statistical ensemble of trajectories, the population of remaining trajectories often undergoes an exponential decay characterised by the so-called escape rate. Its inverse defines the lifetime of the decaying state, which represents an intrinsic property of the system. This paradigm is fundamental to nucleation theory and reaction-rate theory in chemistry, physics, and biology.In many circumstances, escape is activated by the presence of noise, which may be of internal or external origin. This is the case for thermally activated escape over a potential energy barrier and, more generally, for noise-induced escape in continuous-time or discrete-time dynamics. In the weak-noise limit, the escape rate is often observed to decrease exponentially with the inverse of the noise amplitude, a behaviour which is given by the van't Hoff-Arrhenius law of chemical kinetics. In particular, the two important quantities to determine in this case are the exponential dependence (the ``activation energy') and its prefactor.The purpose of the present thesis is to develop an analytical method to determine these two quantities. We consider in particular one-dimensional continuous and discrete-time systems perturbed by Gaussian white noise and we focus on the escape from the basin of attraction of an attracting fixed point.In both classes of systems, using path-integral methods, a formula is deduced for the noise-induced escape rate from the attracting fixed point across an unstable fixed point, which forms the boundary of the basin of attraction. The calculation starts from the trace formula for the eigenvalues of the operator ruling the time evolution of the probability density in noisy maps. The escape rate is determined by the loop formed by two heteroclinic orbits connecting back and forth the two fixed points in a two-dimensional auxiliary deterministic dynamical system. The escape rate is obtained, including the expression of the prefactor to van't Hoff-Arrhenius exponential factor./L'échappement des trajectoires est un phénomène omniprésent dans les systèmes dynamiques ouverts et les processus stochastiques. Si l'échappement se produit de façon répétitive pour un ensemble statistique de trajectoires, la population des trajectoires restantes subit souvent une décroissance exponentielle caractérisée par le taux d'échappement. L'inverse du taux d'échappement définit alors la durée de vie de l'état transitoire associé, ce qui représente une propriété intrinsèque du système. Ce paradigme est fondamental pour la théorie de la nucléation et, de manière générale, pour la théorie des taux de transitions en chimie, en physique et en biologie.Dans de nombreux cas, l'échappement est induit par la présence de bruit, qui peut être d'origine interne ou externe. Ceci concerne en particulier l'échappement activé thermiquement à travers une barrière d'énergie potentielle, et plus généralement, l'échappement dû au bruit dans les systèmes dynamiques à temps continu ou à temps discret.Dans la limite de faible bruit, on observe souvent une décroissance exponentielle du taux d'échappement en fonction de l'inverse de l'amplitude du bruit, un comportement qui est régi par la loi de van't Hoff-Arrhenius de la cinétique chimique. En particulier, les deux quantités importantes de cette loi sont le coefficient de la dépendance exponentielle (c'est-à-dire ``l'énergie d'activation') et son préfacteur.L'objectif de cette thèse est de développer une théorie analytique pour déterminer ces deux quantités. La théorie que nous présentons concerne les systèmes unidimensionnels à temps continu ou discret perturbés par un bruit blanc gaussien et nous considérons le problème de l'échappement du bassin d'attraction d'un point fixe attractif. Pour s'échapper, les trajectoires du système bruité initialement contenues dans ce bassin d'attraction doivent alors traverser un point fixe instable qui forme la limite du bassin.Dans le présent travail, et pour les deux types de systèmes, une formule est dérivée pour le taux d'échappement du point fixe attractif en utilisant des méthodes d'intégrales de chemin. Le calcul utilise la formule de trace pour les valeurs propres de l'opérateur gouvernant l'évolution temporelle de la densité de probabilité dans le système bruité. Le taux d'échappement est déterminé en considérant la boucle formée par deux orbites hétéroclines liant dans les deux sens les deux points fixes dans un système dynamique auxiliaire symplectique et bidimensionnel. On obtient alors le taux d'échappement, comprenant l'expression du préfacteur de l'exponentielle de la loi de van't Hoff-Arrhenius.Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Taux d'échappement dans les systèmes dynamiques bruités

The escape of trajectories is a ubiquitous phenomenon in open dynamical systems and stochastic processes. If escape occurs repetitively for a statistical ensemble of trajectories, the population of remaining trajectories often undergoes an exponential decay characterised by the so-called escape rate. Its inverse defines the lifetime of the decaying state, which represents an intrinsic property of the system. This paradigm is fundamental to nucleation theory and reaction-rate theory in chemistry, physics, and biology.In many circumstances, escape is activated by the presence of noise, which may be of internal or external origin. This is the case for thermally activated escape over a potential energy barrier and, more generally, for noise-induced escape in continuous-time or discrete-time dynamics. In the weak-noise limit, the escape rate is often observed to decrease exponentially with the inverse of the noise amplitude, a behaviour which is given by the van't Hoff-Arrhenius law of chemical kinetics. In particular, the two important quantities to determine in this case are the exponential dependence (the ``activation energy') and its prefactor.The purpose of the present thesis is to develop an analytical method to determine these two quantities. We consider in particular one-dimensional continuous and discrete-time systems perturbed by Gaussian white noise and we focus on the escape from the basin of attraction of an attracting fixed point.In both classes of systems, using path-integral methods, a formula is deduced for the noise-induced escape rate from the attracting fixed point across an unstable fixed point, which forms the boundary of the basin of attraction. The calculation starts from the trace formula for the eigenvalues of the operator ruling the time evolution of the probability density in noisy maps. The escape rate is determined by the loop formed by two heteroclinic orbits connecting back and forth the two fixed points in a two-dimensional auxiliary deterministic dynamical system. The escape rate is obtained, including the expression of the prefactor to van't Hoff-Arrhenius exponential factor./L'échappement des trajectoires est un phénomène omniprésent dans les systèmes dynamiques ouverts et les processus stochastiques. Si l'échappement se produit de façon répétitive pour un ensemble statistique de trajectoires, la population des trajectoires restantes subit souvent une décroissance exponentielle caractérisée par le taux d'échappement. L'inverse du taux d'échappement définit alors la durée de vie de l'état transitoire associé, ce qui représente une propriété intrinsèque du système. Ce paradigme est fondamental pour la théorie de la nucléation et, de manière générale, pour la théorie des taux de transitions en chimie, en physique et en biologie.Dans de nombreux cas, l'échappement est induit par la présence de bruit, qui peut être d'origine interne ou externe. Ceci concerne en particulier l'échappement activé thermiquement à travers une barrière d'énergie potentielle, et plus généralement, l'échappement dû au bruit dans les systèmes dynamiques à temps continu ou à temps discret.Dans la limite de faible bruit, on observe souvent une décroissance exponentielle du taux d'échappement en fonction de l'inverse de l'amplitude du bruit, un comportement qui est régi par la loi de van't Hoff-Arrhenius de la cinétique chimique. En particulier, les deux quantités importantes de cette loi sont le coefficient de la dépendance exponentielle (c'est-à-dire ``l'énergie d'activation') et son préfacteur.L'objectif de cette thèse est de développer une théorie analytique pour déterminer ces deux quantités. La théorie que nous présentons concerne les systèmes unidimensionnels à temps continu ou discret perturbés par un bruit blanc gaussien et nous considérons le problème de l'échappement du bassin d'attraction d'un point fixe attractif. Pour s'échapper, les trajectoires du système bruité initialement contenues dans ce bassin d'attraction doivent alors traverser un point fixe instable qui forme la limite du bassin.Dans le présent travail, et pour les deux types de systèmes, une formule est dérivée pour le taux d'échappement du point fixe attractif en utilisant des méthodes d'intégrales de chemin. Le calcul utilise la formule de trace pour les valeurs propres de l'opérateur gouvernant l'évolution temporelle de la densité de probabilité dans le système bruité. Le taux d'échappement est déterminé en considérant la boucle formée par deux orbites hétéroclines liant dans les deux sens les deux points fixes dans un système dynamique auxiliaire symplectique et bidimensionnel. On obtient alors le taux d'échappement, comprenant l'expression du préfacteur de l'exponentielle de la loi de van't Hoff-Arrhenius.Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

A trace formula for activated escape in noisy maps

info:eu-repo/semantics/publishe