[論文レビュー] A new formulation of the atmospheric spectral energy budget, with application to two high-resolution general circulation models

Pierre Augier, Erik Lindborg|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2012

Meteorological Phenomena and Simulations参考文献 29被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、球面調和関数を用いた新しいスペクトルエネルギー収支の定式化を提示し、地形を明示的に扱い、正確な3次元拡散を含み、垂直エネルギーフラックスと水平スペクトル移行を分離する。2つの高分解能GCMに適用した結果、AFESは現実的な$k^{-5/3}$慣性域と強いダウンスクエアエネルギー級列を再現しているが、ECMWF IFSはこれらのメソスケールスペクトル的特徴を再現できないことが判明した。

ABSTRACT

A new formulation of the spectral energy budget of kinetic and available potential energies of the atmosphere is derived, with spherical harmonics as base functions. Compared to previous formulations, there are three main improvements: (i) the topography is taken into account, (ii) the exact three-dimensional advection terms are considered and (iii) the vertical flux is separated from the energy transfer between different spherical harmonics. Using this formulation, results from two different high resolution GCMs are analyzed: the AFES T639L24 and the ECMWF IFS T1279L91. The spectral fluxes show that the AFES, which reproduces realistic horizontal spectra with a k^{-5/3} inertial range at the mesoscales, simulates a strong downscale energy cascade. In contrast, neither the k^{-5/3} vertically integrated spectra nor the downscale energy cascade are produced by the ECMWF IFS.

研究の動機と目的

• 従来のモデルが無視する地形を考慮した、より正確なスペクトルエネルギー収支定式化の開発。
• 非可縮または完全に水平流れに限定しない近似を避けるために、正確な3次元拡散項を含めること。
• 垂直エネルギーフラックスと水平スペクトルエネルギー移行を分離し、保存的かつ物理的に整合性のあるスペクトルフラックス診断を可能にすること。
• 高分解能GCMにおけるメソスケールエネルギー級列の診断を行い、観測値と比較してその現実性を評価すること。
• 従来のスペクトルエネルギー収支定式化に存在する矛盾を解消し、メソスケール動態およびエネルギー移行の理解を深めること。

提案手法

• 球面調和関数を基底関数として用いることで、大気の運動エネルギーおよび有効ポテンシャルエネルギーの全球的かつ直交的分解を可能にする新しいスペクトルエネルギー収支の導出。
• 地形を修正された圧力座標系と低域フィルタ処理を施した表面気圧場を用いて取り入れ、高波数汚染を回避。
• 風場の渦度成分と発散成分の両方を含む正確な3次元拡散項を用い、2次元渦度近似を避ける。
• スペクトル空間における拡散項および圧力仕事項の分解により、垂直エネルギーフラックスと水平スペクトルエネルギー移行を分離。
• 時間平均化・圧力積分された診断を用いて、2つの高分解能GCM（AFES T639L24 および ECMWF IFS T1279L91）に定式化を適用。
• 球面調和モード間のエネルギー移行を分析することでスペクトルフラックスを計算し、アップスクエアまたはダウンスクエア級列の検出を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地形および正確な3次元拡散を含むスペクトルエネルギー収支定式化が、観測されたメソスケール$k^{-5/3}$スペクトルをより良く再現できるか？
• RQ2 垂直フラックスと水平スペクトル移行を分離することで、GCMにおけるエネルギー級列の診断がより正確に行えるか？
• RQ3 なぜ一部の高分解能GCMは観測された$k^{-5/3}$慣性域およびダウンスクエアエネルギー級列を再現できないのか？
• RQ4 AFESとECMWF IFSの両モデルにおいて、メソスケールでスペクトルエネルギーフラックスの大きさと方向（上行／下行級列）はどう異なるか？
• RQ5 地形効果および垂直分解能は、GCMにおけるスペクトルエネルギー収支の現実性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 新しい定式化により、垂直エネルギーフラックスと水平スペクトルエネルギー移行が明確に分離され、保存的かつ物理的に整合性のあるスペクトルフラックス診断が可能となった。
• AFES T639L24は、水平速度スペクトルに現実的な$k^{-5/3}$慣性域を示しており、メソスケールで強固なダウンスクエアエネルギー級列が存在することを示している。
• AFESにおけるスペクトルフラックス解析では、3次元強化層流乱の理論的予想と整合する強いダウンスクエアエネルギー級列が確認された。
• 一方、ECMWF IFS T1279L91は$k^{-5/3}$に類似したスペクトルを示さず、顕著なダウンスクエアエネルギー級列も観察されないが、これは高分解能にもかかわらずである。
• ECMWF IFSにおける現実的なメソスケール級列の欠如は、分解能そのものよりも、動的コアまたはパラメータ化の欠陥に起因すると考えられる。
• 時間平均化されたエネルギー収支において地形効果は無視できる程度に小さいことが判明したため、一部の先行研究で地形を無視することが正当化されるが、高波数におけるスペクトル診断においては地形の影響は依然として重要である。