- Oggetto:
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Sistemi complessi per la fisica del clima
- Oggetto:
Complex systems in climate physics
- Oggetto:
Anno accademico 2021/2022
- Codice dell'attività didattica
- FIS0147
- Docente
- Prof.ssa Elisa Palazzi (Titolare del corso)
- Corso di studi
- Laurea Magistrale Interateneo in Fisica dei sistemi complessi
- Anno
- 1° anno 2° anno
- Periodo didattico
- Primo Semestre
- Tipologia
- C=Affine o integrativo
- Crediti/Valenza
- 6
- SSD dell'attività didattica
- FIS/06 - fisica per il sistema terra e per il mezzo circumterrestre
- Modalità di erogazione
- Tradizionale
- Lingua di insegnamento
- Italiano
- Modalità di frequenza
- Facoltativa
- Tipologia d'esame
- Orale
- Oggetto:
Sommario insegnamento
- Oggetto:
Obiettivi formativi
Il corso ha l'obiettivo di insegnare agli studenti le nozioni fondamentali sul funzionamento del clima come sistema dinamico e complesso, discutendo i principali meccanismi fisici che determinano la variabilità climatica alle diverse scale e distinguendo tra variabilità interna e cambiamenti forzati da fattori esterni, percorrendo la storia del clima dalle origini ma con un focus sull'Antropocene e sulle proiezioni future.Si intende inoltre fornire agli studenti una panoramica degli strumenti modellistici oggi in uso per comprendere e descrivere il clima e la sua complessità, ed effettuare proiezioni climatiche future, a partire dai modelli semplici e concettuali fino a quelli globali del sistema Terra, con cenni ai modelli del futuro (i così detti "gemelli digitali"). Ci si prefigge anche di fornire gli strumenti per realizzare in autonomia i modelli più semplici e discuterne punti di forza, limiti e incertezze, ad analizzare gli output dei modelli globali di clima.
Come ulteriore obiettivo, si vuole fornire agli studenti gli strumenti per leggere e capire, sulla base dei temi trattati a lezione, articoli scientifici di settore, saperne rielaborare i concetti e comunicare in maniera sinetica i contenuti.
The aim of the course is to provide the basic elements of the climate system working, describing climate as a dynamic and complex system, discussing the main physical mechanisms that determine climate variability at the different scales and distinguishing between internal climate variability and climate change forced by external factors or forcings.Another objective is to provide an overview of the modeling tools used by the scientific community to understand and describe the climate system and its complexity, and to make future climate projections, starting from simple, conceptual and low-dimensional models up to three-dimensional global models of the Earth system, with a further look at the the models which are now being implemented for future use, so called "digital twins". The course is also intended to provide some hints to build the simplest models independently and discuss their strengths, limitations and uncertainties and to process the outputs of global climate models.
Finally, a further objective is to make the students able to read and understand, based on the topics covered in the course, scientific papers, to know how to autonomously rework the concepts and communicate in a synthetic way their contents.
- Oggetto:
Risultati dell'apprendimento attesi
Al termine dell'insegnamento lo studente sarà in grado di comprendere perchè il clima è un sistema complesso e non lineare, come è cambiato nel corso della storia e cosa è cambiato nel modo in cui cambia; sarà in grado di capire quali strumenti modellistici è più opportuno utilizzare a seconda dell'applicazione e dello scopo; saprà maneggiare alcuni semplici modelli climatici e capire con cosa analizzare i dati che forniscono. Sarà in grado di leggere e comprendere un articolo scientifico relativo ai temi trattati nel corso ed esporne i contenuti.At the end of the course the student will be able to understand the reasons why climate is a complex non-linear system, how it has changed throughout its history and what has changed in the way it changes now; the students will be able to understand which modeling tools are most appropriate to be used depending on the application and purpose; she/he will be able to handle some simple climate models and use simple tools to analyze or at least pre-process the data they provide. The student, finally, will be able to read and understand a scientific paper and expose its contents.- Oggetto:
Modalità di insegnamento
Per l'a.a. corrente le lezioni saranno anche trasmesse in streaming tramite le pagine WebEx personali dei docenti, esclusivamente per studenti seriamente impossibilitati a partecipare alle lezioni in presenza.
La prima lezione sarà il 21/10/2021 alle ore 14:00 in Aula C e al seguente link:
https://unito.webex.com/meet/elisa.palazzi
Se l’emergenza sanitaria dovesse persistere e/o aggravarsi le lezioni potranno essere svolte a distanza tramite piattaforma WebEx.
For the current academic year, the lessons will also be streamed through the personal WebEx pages of the teachers, exclusively for students who are seriously unable to attend the lessons.
The first lecture will be held on 21/10/2021 at 14:00 in Room C and at the following link:
https://unito.webex.com/meet/elisa.palazzi
Should the Coronavirus health emergency continue, the lectures may be carried out remotely.
- Oggetto:
Modalità di verifica dell'apprendimento
Le modalità di verifica dell'apprendimento saranno effettuate mediante esame orale che consisterà presumibilmente nell'esposizione di un argimento a scelta (si discuterà insieme la possibilità di farlo attraverso una piccola presentazione da parte dello studente) e altre domande da parte del docente sui temi del corso.The method for learning verification will be carried out by means of an oral exam: the student will be likely asked to give a short talk on a topic at his/her choice and to aswer other questions.- Oggetto:
Attività di supporto
Se possibile, si cercherà di far effettuare uno o due seminari durante il corso da esperti di scienze del clima.If possible, one or two seminars will be organised during the course performed by experts in climate science.- Oggetto:
Programma
1. Descrizione del sistema climatico come sistema dinamico, non lineare e complesso, delle sue principali componenti (atmosfera, oceano, criosfera, superficie terrestre e biosfera) e di come interagiscono alle diverse scale
2. I cicli principali nel sistema climatici: bilancio di energia sulla Terra, ciclo dell’acqua e ciclo del carbonio e loro cambiamenti
3. La modellistica climatica
- definizione generale di modello climatico
- gerarchia dei modelli (Modelli a bilancio di energia, modelli radiativo convettivi, modelli a complessità intermedia, modelli accoppiati del sistema terra, gemelli digitali)
- le componenti di un modello climatico e loro accoppiamento, cenni sulla soluzione numerica delle equazioni
- Dettaglio sui modelli globali e loro controparte regionale. Metodi di disaggregazione dell'informazione (downscaling statistico/stocastico) dalle grandi alle piccole scale, per ottenere stime delle varibili climatiche utili ad effettuare studi di impatto a scala locale
- validazione dei modelli climatici e importanza dell'integrazione tra modelli e osservazioni.
4. La variabilità climatica e i cambiamenti climatici: La risposta del sistema climatico alle perturbazioni esterne naturali e antropiche. Concetti di radiative forcing e climate sensitivity. I meccanismi di retroazione (fisici, geochimici, biogeochimici e biogeofisici) come esempi concreti della non linearità del clima e della sua variabilità interna
5. Breve storia del clima: cause e meccanismi principali nel corso dell'evoluzione
6. Cambiamenti climatici nell'Antropocene sulla base della recente letteratura disponibile (Rapporti IPCC)
7. Le proiezioni del clima futuro a livello globale e regionale: scenari e proiezioni per il XXI secolo nel mondo, in Europa e in Italia (Rapporti IPCC e Rapporti nazionali). Impatti del cambiamento climatico, cenni alle azioni di contrasto (mitigazione e adattamento).
8. Discussione di un argomento di ricerca e della relativa letteratura che racchiude molti dei contenuti del corso: come idea iniziale l'argomento potrebbe essere lo studio dei cambiamenti climatici nelle regioni di alta quota e in particolare il "Riscaldamento diependente dalla quota": cause, meccanimi in atto e impatti, ma potrebbe cambiare a seconda della risposta della classe agli argomenti trattati.
1. Description of the climate system as a dynamic, non-linear and complex system, its major components (atmosphere, ocean, cryosphere, land surface, and biosphere), and how they interact at different scales
2. The main cycles in the climate system: Earth's energy balance, water cycle and carbon cycle and their changes
3. Climate modeling
- general definition of a climate model
- Hierarchy of models (energy balance models, radiative convective models, intermediate complexity models, coupled Earth system models, digital twins)
- Components of a climate model and their coupling, remarks on the numerical solution of the equations
- Detail on global models and their regional counterpart. Methods of regional downscaling (statistical/stochastic downscaling) from the large to the small scales to obtain estimates of the climate variables at small scales useful to perform impact studies at the local scale.
- Validation of climate models and the importance to integrate models and observations.
4. Climate variability and climate change: The response of the climate system to external natural and anthropogenic forcing. Concepts of radiative forcing and climate sensitivity. Feedback mechanisms (physical, geochemical, biogeochemical and biogeophysical) as an example of internal climate variability and non-linearity.
5. Brief history of climate: causes and mechanisms in the climate evolution
6. Climate change in the Anthropocene based on the most recent available literature (IPCC reports)
7. Projections of future global and regional climate: scenarios and projections for the 21st century (IPCC reports) at the global scale, in Europe and Italy. Impacts of climate change, hints at counteracting actions (mitigation and adaptation).
8. Discussion of a research topic and the related literature that incorporates the course contents: as an initial idea, the topic could be the study of climate change in the mountains and in particualr the "elevation-dependent warming" phenomenon: its causes, mechanisms at place and impacts, but the topic could change depending on the students' feedbacks during the course.
Testi consigliati e bibliografia
- Oggetto:
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- Essentials of the Earth’s climate system, Roger G. Barry, Eileen A. Halll-McKim, Cambridge University Press, 2014
- Global Physical Climatology; Dennis L. Hartmann, Elsevier Science; 2nd edition (2016)
- Climate Change and Climate Modelling, J. David Neelin, Cambridge University Press, 2011
- Physics of Climate, Peixoto and Oort, AIP, 520pp (1992)
- Climate System Modelling, K. Trenberth, Cambridge University Press (2010)
- Elementary Climate Physics, F.W. Taylor, Oxford University Press (2005)
- IPCC (2014) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Stocker, T.F., Qin, D., Plattner, G-K., et al. (eds). https://www.ipcc.ch/assessment-report/ar5/
- Essentials of the Earth’s climate system, Roger G. Barry, Eileen A. Halll-McKim, Cambridge University Press, 2014
- Global Physical Climatology; Dennis L. Hartmann, Elsevier Science; 2nd edition (2016)
- Climate Change and Climate Modelling, J. David Neelin, Cambridge University Press, 2011
- Physics of Climate, Peixoto and Oort, AIP, 520pp (1992)
- Climate System Modelling, K. Trenberth, Cambridge University Press (2010)
- Elementary Climate Physics, F.W. Taylor, Oxford University Press (2005)
- IPCC (2014) Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Stocker, T.F., Qin, D., Plattner, G-K., et al. (eds). https://www.ipcc.ch/assessment-report/ar5/
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