Fluctuation-dissipation theorem and intrinsic stochasticity of climate

Summary In climate dynamics the effect of internally generated fluctuations is usually described by augmenting the balance equations through the addition ofrandom forces. In this paper the properties of these forces are investigated. Afluctuation-dissipation theorem relating their covariance matrix to the phenomenological coefficients such as eddy diffusivity is proposed. The theorem is subsequently used to identify the statistical properties of the climatic variables themselves, and thus to characterize climatic variability from the standpoint of the statistical theory of irreversible processes. Applications to a simple thermal convection problem and to a zonally averaged energy-balance model are presented; the possibility of experimental verification is discussed.

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Riassunto Nella dinamica del clima si descrive solitamente l'effetto delle fluttuazioni generate internamente aumentando le equazioni del bilancio con l'aggiunta di forze casuali. In questo lavoro si studiano le proprietà di queste forze. Si propone un teorema di fluttuazione-dissipazione che correla la matrice di covarianza ai coefficienti fenomenologici come la diffusività turbolenta. Il teorema è usato successivamente per identificare le proprietà statistiche delle variabili climatiche stesse e per caratterizzare la variabilità climatica dal punto di vista della teoria statistica dei processi irreversibili. Si presentano applicazioni a un problema semplice di convezione termica e ad un modello di bilancio d'energia mediato a zone; si discute la possibilità di verifica sperimentale.

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Traduzione a cura della Redazione.