Author: LUIS EFRAIN MORELES VAZQUEZ

Simulación de la variabilidad de la temperatura global utilizando un modelo de balance de energía forzado estocásticamente

LUIS EFRAIN MORELES VAZQUEZ (2012)

Un problema clásico en modelación climática es el de evaluar el efecto que los procesos no resueltos en el dominio discretizado (también llamados procesos de escala de sub-malla) tienen sobre las variables que sí son resueltas en el mismo. Recientemente, el empleo de procesos aleatorios para modelar los eventos de escala de sub-malla se ha convertido en una alternativa exitosa para solucionar el problema de las escalas no resueltas. Específicamente, se ha demostrado que las variaciones aleatorias de corto plazo de los procesos de escala de submalla afectan la dinámica del sistema climático en el largo plazo, produciendo un claro efecto en la variabilidad climática de baja frecuencia. Por lo tanto, es de sumo interés estudiar el efecto de variaciones aleatorias de corto plazo en ciertos procesos físicos del sistema climático sobre la evolución de la temperatura global de la Tierra. En el presente trabajo se hace uso de la modelación climática estocástica como una herramienta para simular la variabilidad de la temperatura global del planeta. Utilizando un modelo climático termodinámico simple, el cual acopla la atmósfera y el océano, se estudia la respuesta de la variabilidad de la temperatura global de la Tierra ante perturbaciones representadas como ruido aditivo y ruido multiplicativo. El caso de ruido aditivo considera variaciones aleatorias en la energía disponible en el sistema océano-atmósfera, mientras que el caso de ruido multiplicativo considera parametrizaciones estocásticas del flujo de calor latente y de la radiación de onda larga emitida por el océano. Para ambos tipos de forzamiento aleatorio se obtuvieron series de temperatura global que exhiben variaciones comparables a las observadas, y se verificó, a primer orden de aproximación, que la persistencia de la temperatura global se puede ver como un proceso puramente aleatorio, lo cual es consistente con el resultado propuesto por Hasselmann en 1976. Asimismo, se propone una derivación heurística para calcular la función potencial asociada a una ecuación diferencial estocástica general uno-dimensional, la cual es comprobada al resolver la ecuación estacionaria de Fokker-Planck para ambos tipos de forzamiento aleatorio.

Master thesis

CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA

Simulación de la variabilidad de la temperatura global utilizando un modelo de balance de energía forzado estocásticamente

LUIS EFRAIN MORELES VAZQUEZ (2012)

Un problema clásico en modelación climática es el de evaluar el efecto que los procesos no resueltos en el dominio discretizado (también llamados procesos de escala de sub-malla) tienen sobre las variables que sí son resueltas en el mismo. Recientemente, el empleo de procesos aleatorios para modelar los eventos de escala de sub-malla se ha convertido en una alternativa exitosa para solucionar el problema de las escalas no resueltas. Específicamente, se ha demostrado que las variaciones aleatorias de corto plazo de los procesos de escala de submalla afectan la dinámica del sistema climático en el largo plazo, produciendo un claro efecto en la variabilidad climática de baja frecuencia. Por lo tanto, es de sumo interés estudiar el efecto de variaciones aleatorias de corto plazo en ciertos procesos físicos del sistema climático sobre la evolución de la temperatura global de la Tierra. En el presente trabajo se hace uso de la modelación climática estocástica como una herramienta para simular la variabilidad de la temperatura global del planeta. Utilizando un modelo climático termodinámico simple, el cual acopla la atmósfera y el océano, se estudia la respuesta de la variabilidad de la temperatura global de la Tierra ante perturbaciones representadas como ruido aditivo y ruido multiplicativo. El caso de ruido aditivo considera variaciones aleatorias en la energía disponible en el sistema océano-atmósfera, mientras que el caso de ruido multiplicativo considera parametrizaciones estocásticas del flujo de calor latente y de la radiación de onda larga emitida por el océano. Para ambos tipos de forzamiento aleatorio se obtuvieron series de temperatura global que exhiben variaciones comparables a las observadas, y se verificó, a primer orden de aproximación, que la persistencia de la temperatura global se puede ver como un proceso puramente aleatorio, lo cual es consistente con el resultado propuesto por Hasselmann en 1976. Asimismo, se propone una derivación heurística para calcular la función potencial asociada a una ecuación diferencial estocástica general uno-dimensional, la cual es comprobada al resolver la ecuación estacionaria de Fokker-Planck para ambos tipos de forzamiento aleatorio.

Master thesis

CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA

Analysis of the simulated global temperature using a simple energy balance stochastic model

LUIS EFRAIN MORELES VAZQUEZ BENJAMIN MARTINEZ LOPEZ (2016)

This work presents a study of the response of the simulated global temperature variability to additive and multiplicative stochastic parameterizations of heat fluxes, along with a description of the long-term variability in terms of simple autoregressive processes. The Earth’s global temperature was simulated using a globally averaged energy balance climate model coupled to a thermodynamic ocean model. It was found that simple autoregressive processes explain the temperature variability in the case of additive parameterizations; whereas in the case of multiplicative parameterizations, the description of the temperature variability would involve higher order autoregressive processes, suggesting the presence of complex feedback mechanisms originated by the multiplicative forcing. Also, it was found that multiplicative parameterizations produced a rich structure that emulates closely observed climate processes. Finally, a new approach to describe the stability in the steady state of a general one-dimensional stochastic system, through its potential function, was proposed. From an analytical expression of the potential function, further insight into the description of a stochastic system was provided.

Article

CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA Temperature variability stochastic parameterizations autoregressive process steady state potential function

Analysis of the simulated global temperature using a simple energy balance stochastic model

LUIS EFRAIN MORELES VAZQUEZ BENJAMIN MARTINEZ LOPEZ (2016)

This work presents a study of the response of the simulated global temperature variability to additive and multiplicative stochastic parameterizations of heat fluxes, along with a description of the long-term variability in terms of simple autoregressive processes. The Earth’s global temperature was simulated using a globally averaged energy balance climate model coupled to a thermodynamic ocean model. It was found that simple autoregressive processes explain the temperature variability in the case of additive parameterizations; whereas in the case of multiplicative parameterizations, the description of the temperature variability would involve higher order autoregressive processes, suggesting the presence of complex feedback mechanisms originated by the multiplicative forcing. Also, it was found that multiplicative parameterizations produced a rich structure that emulates closely observed climate processes. Finally, a new approach to describe the stability in the steady state of a general one-dimensional stochastic system, through its potential function, was proposed. From an analytical expression of the potential function, further insight into the description of a stochastic system was provided.

Article

CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA Temperature variability stochastic parameterizations autoregressive process steady state potential function