Dynamical systems approaches to the study of climate with applications to 2022 extreme weather events^*,**

¹ Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement, CEA Saclay l’Orme des Merisiers, UMR 8212 CEA-CNRS-UVSQ, Université Paris-Saclay & IPSL, 91191, Gif-sur-Yvette, France
² London Mathematical Laboratory, 8 Margravine Gardens, London, W6 8RH, UK
³ LMD/IPSL, Ecole Normale Superieure, PSL research University, 75005, Paris, France

Abstract

Between 1980 and 2020, extreme weather and climate change events have caused, in Europe, up to 520 billion euros in economic losses, according to a 2022 report released by the European Environment Agency. Many weather extreme events such as heatwaves, droughts, tropical cyclones and cold spells will change in frequency and/or intensity due to the ongoing anthropogenic climate change, driving our planet to unprecedented threats. From a theoretical point of view, such extreme events are difficult to characterize because they are rare and they do occur at specific spatiotemporal scales of the dynamics, not necessarily the largest or the smallest of the climate system. Their study requires a framework capable of tracking their probability of occurrence, predictability and persistence. In this manuscript I will describe how dynamical systems theory helps in building numerical and theoretical tools for weather extreme events, using recurrences of patterns termed analogues. These tools can be used to study whether climate change do already affect the dynamics of extremes. Three recent examples will be analysed in details, namely the Argentinian heatwave, the Greek cold spell and the windstorm Malik, all occurred in January 2022.

Résumé

Entre 1980 et 2020, les phénomènes météorologiques extrêmes et le changement climatique ont causé, en Europe, jusqu’à 520 milliards d’euros de pertes économiques, selon un rapport publié en 2022 par l’Agence européenne pour l’environnement. De nombreux événements météorologiques extrêmes tels que les vagues de chaleur, les sécheresses, les cyclones tropicaux et les vagues de froid vont changer de fréquence et/ou d’intensité en raison du changement climatique anthropique en cours, faisant peser sur notre planète des menaces sans précédent. D’un point de vue théorique, ces événements extrêmes sont difficiles à caractériser car ils sont rares et se produisent à des échelles spatio-temporelles spécifiques de la dynamique, pas nécessairement les plus grandes ou les plus petites du système climatique. Leur étude nécessite un cadre capable de suivre leur probabilité d’occurrence, leur prévisibilité et leur persistance. Dans ce manuscrit, je décrirai comment la théorie des systèmes dynamiques aide à construire des outils numériques et théoriques pour les événements météorologiques extrêmes, en utilisant des récurrences de modèles appelés analogues. Ces outils peuvent être utilisés pour étudier si le changement climatique affecte déjà la dynamique des extrêmes. Trois exemples récents seront analysés en détail, à savoir la canicule argentine, la vague de froid grecque et la tempête de vent Malik, toutes survenues en janvier 2022.