Lecture slides

see "Resources" to the left

Content:

Mathematics plays a central role in the development of methods for the analysis and modelling of climate variability. Controlled physical experiments are out of question, and the only way we can study Earth’s climate system is through mathematical models, computational experiments, and data analysis.

Mathematical Models of the physical processes relevant for the climate system cannot (and should not) deliver a perfect one-to-one image of the underlying natural system. To nevertheless obtain a closed and consistent description of the system in terms of a hieracrchy of models with increasing complexity, great mathematical care is required when performing the necessary approximations and parametrizations, as well as when comparing model simulations to corresponding observational data.

This course focuses on techniques of mathematical modeling of different parts of the climate system that assist scientists in exploring the listed issues systematically. The course will cover a selection from the following topics

1. (Random) Dynamical Systems and Bifurcation Theory,

2. Introduction to the most relevant processes of climate dynamics

3. Conservation laws and simple climate models,

4. Mathematical models for the data-based characterization and modelling of the climate system

5. Mathematical description of critical transitions in the climate system

Inhalt:

Die Mathematik spielt eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Methoden zur Analyse und Modellierung der Klimavariabilität. Kontrollierte physikalische Experimente kommen nicht in Frage, und die einzige Möglichkeit, das Wetter- und Klimasystem der Erde zu untersuchen, sind mathematische Modelle, Computerexperimente und Datenanalyse.

Mathematische Modelle der für das Klimasystem relevanten physikalischen Prozesse können (und sollten) niemals ein perfektes Abbild des zu Grunde liegenden natürlichen Systems liefern. Um dennoch eine möglichst konsistente Beschreibung des Systems zu erhalten, bedarf es großer mathematischer Sorgfalt bei den notwendigen Approximationen und Parametrisierungen sowie dem Abgleich von Modell-Simulationen mit entsprechenden Beobachtungsdaten.

Dieser Kurs konzentriert sich auf Techniken der mathematischen Modellierung verschiedener Teile des Klimasystems, die Wissenschaftler dabei unterstützen, die aufgeführten Themen systematisch zu erforschen. Der Kurs umfasst eine Auswahl aus folgenden Themenbereichen

1. (Stochastische) Dynamische Systeme und Bifurkationstheorie,

2. Überblick über die wichtigsten Prozesse der Klimadynamik

3. Konservierungsgesetze und einfache Klimamodelle,

4. Mathematische Methoden zur Daten-basierten Charakterisierung und Modellierung des Klimasystems

5. Mathematische Beschreibung Kritischer Übergänge im Klimasystem

### Literature

A good first reference should be "Kaper & Engler: Mathematics & Climate, SIAM 2013".