Energy and momentum consistency in subgrid-scale parameterization for climate models
Notice bibliographique
Résumé
This thesis examines the importance of energy and momentum consistency in subgrid-scale parameterization for climate models. It is divided into two parts according to the two aspects of the problem that are investigated, namely the importance of momentum conservation alone and the consistency between energy and momentum conservation. The first part addresses the importance of momentum conservation alone. Using a zonally-symmetric model, it is shown that violating momentum conservation in the parameterization of gravity wave drag leads to large errors and non-robustness of the response to an imposed radiative perturbation in the middle atmosphere. Using the Canadian Middle Atmosphere Model, a three-dimensional climate model, it is shown that violating momentum conservation, by allowing gravity wave momentum flux to escape through the model lid, leads to large errors in the mean climate when the model lid is placed at 10 hPa. When the model lid is placed at 0.001 hPa the errors due to nonconservation are minimal. When the 10 hPa climate is perturbed by idealized ozone depletion in the southern hemisphere, nonconservation is found to significantly alter the polar temperature and surface responses. Overall, momentum conservation ensures a better agreement between the 10 hPa and the 0.001 hPa climates. The second part addresses the self-consistency of energy and momentum conservation. Using Hamiltonian geophysical fluid dynamics, pseudoenergy and pseudomomentum wave-activity conservation laws are derived for the subgrid-scale dynamics. Noether’s theorem is used to derive a relationship between the wave-activity fluxes, which represents a generalization of the first Eliassen-Palm theorem. Using multiple scale asymptotics a theoretical framework for subgrid-scale parameterization is built which consistently conserves both energy and momentum and respects the second law of thermodynamics. The framework couples a hydrostatic resolved-scale flow to a non-hydrostatic subgrid-scale flow. The transfers of energy and momentum between the two scales are understood using the subgrid-scale wave-activity conservation laws, whose relationships with the resolved-scale dynamics represent generalized non-acceleration theorems. The derived relationship between the wave-activity fluxes — which represents a generalization of the second Eliassen-Palm theorem — is key to ensuring consistency between energy and momentum conservation. The framework includes a consistent formulation of heating and entropy production due to kinetic energy dissipation.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,004 | 0,013 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,002 | 0,003 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».