[論文レビュー] Crucial Role of Obliquely Propagating Gravity Waves in the Quasi-Biennial Oscillation Dynamics

Young‐Ha Kim, Georg Sebastian Voelker+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Atmospheric Ozone and ClimateEarth and Planetary Sciences参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、気候モデルでこれまで無視されてきた斜方伝播 gravity 波が、熱帯圏圏圏の準2年周期振動（QBO）を駆動する上で極めて重要な役割を果たしていることを示している。3次元一時的 gravity 波パラメータ化（MS-GWaM）を用いて、これらの波が動的運動量フラックスを増大させ、偏西風ジェットの下降を維持し、下層圏圏における QBO の強度を増幅させることを示した。これにより、QBO の振幅と位相進行に関する長年のモデルバイアスが解消された。

ABSTRACT

In climate modelling, the reality of simulated flows in the middle atmosphere is largely affected by the model's representation of gravity wave processes that are unresolved, while these processes are usually simplified to facilitate computations. The simplification commonly applied in existing climate models is to neglect wave propagation in horizontal direction and time. Here we use a model that fully represents the propagation of unresolved waves in all directions, thereby elucidating its dynamical effect upon the most important climate mode in the tropical stratosphere, namely the quasi-biennial oscillation. Our simulation shows that the waves at the equatorial stratosphere, which are known to drive this climate mode, can originate far away from the equator in the troposphere. The waves propagating obliquely toward the equator are found to play a huge role in the phase progression of the quasi-biennial oscillation as well as in its penetration into the lower stratosphere. Such waves will require further attention, given that current climate models are struggling to simulate the quasi-biennial oscillation down to the lower stratosphere, which may be needed to reproduce its observed impacts on the surface climate.

研究の動機と目的

• 斜方伝播 gravity 波が熱帯圏圏における準2年周期振動（QBO）に与える動力学的影響を調査すること。
• 気候モデルにおいて下層圏圏で偏西風位相の振幅が過小評価されるという、長年のモデルバイアスを是正すること。
• 従来の1次元定常状態パラメータ化と比較して、完全に3次元的かつ一時的な gravity 波伝播を表現することで、QBO のシミュレーション精度が向上するかどうかを評価すること。
• 赤道から離れた場所で発生する赤道方向への伝播を示す gravity 波が、QBO の位相進行と下降に果たす役割を定量化すること。

提案手法

• 3次元的波伝播と一時的挙動を完全に解明する新しい gravity 波パラメータ化（MS-GWaM）を採用した。
• ラグランジュ的アプローチを用い、離散化された波線体積を用いて、6次元位相空間（x, k, t）における射線方程式（1）と波動作用密度輸送（2）を解いた。
• 波動作用保存則に、波生成および散逸の源・ sink 項を含め、波動作用密度の時間的変化を追跡した。
• 水平スケール100 km、時間スケール12 分のマルチスケール対流源を用い、大規模 gravity 波を生成した。
• 同一のモデル条件下で、3次元的一時的（3d-TR）と従来の1次元定常状態（1d-ST）パラメータ化を比較した。
• 波動作用密度から動的運動量フラックスおよび力場を導出し、大規模気流への波の影響を評価した。

Figure 1: Vertical/meridional structure of the climate mode in the tropical stratosphere. a , b , Time series of vertical profiles ( a ) and 24- \unit -altitude latitudinal profiles ( b ) of the tropical stratospheric zonal winds in the two experiments, respectively using the 3-dimensional transient

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 斜方伝播 gravity 波は、熱帯圏圏における準2年周期振動（QBO）にどのように動力学的寄与をしているか？
• RQ2 gravity 波パラメータ化に3次元的かつ一時的波伝播を組み込むと、QBO の位相下降と振幅のシミュレーションにどのような影響を与えるか？
• RQ3 赤道から離れた対流から発生する赤道方向への伝播を示す gravity 波は、QBO の偏西風位相発達にどの程度寄与しているか？
• RQ4 現在の気候モデルがなぜ観測された QBO 振幅を下層圏圏で再現できないのか、これは波伝播の簡略化に起因するのだろうか？

主な発見

• 3次元的かつ一時的波伝播を完全に表現した3d-TRシミュレーションでは、QBO周期（2年）とピーク振幅が、周期が3〜4年と長く、振幅が小さい1d-STシミュレーションよりもより正確に再現された。
• 1d-STシミュレーションでは、偏西風位相の下降が著しく遅く、弱く、27〜19 kmの高度で振幅が小さく、下層圏圏における偏西風の維持に失敗していることが示された。
• 斜方伝播波、特に赤道方向への伝播成分が、下層圏圏における偏西風 QBO 位相の下降と増幅に不可欠な運動量力場を提供している。
• 3d-TRシミュレーションは、特に下層圏圏において、ERA-Interim再解析データと垂直方向および緯度方向風プロファイルで良好な一致を示した。
• 大規模な対流源（水平スケール100 km、時間スケール12 分）を組み込むことで、長波長 gravity 波（300 km以上）が生成され、下層圏圏における力の発生に不可欠な役割を果たした。
• 従来の1次元定常状態パラメータ化（1d-ST）は、現実的な QBO 動力学に必要な波動運動量フラックスを捉えられておらず、偏西風ジェット強度が系atically過小評価されている。

Figure 2: Oblique propagation of gravity waves. Horizontal fields of time-integrated upward fluxes of easterly momentum due to gravity waves parameterised in 3d-TR (contoured at \qty 0.5 \milli .), at two altitudes, \qty 14 (blue, filled) and \qty 24 (red, open), for comparison. Only the waves that