[論文レビュー] MS-GWaM: A 3-dimensional transient gravity wave parametrization for atmospheric models

Georg Sebastian Voelker, Gergely Bölöni+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2023

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 12

ひとこと要約

MS-GWaM-3D は Multiscale Gravity Wave Model を拡張し、内部重力波の全3D過渡伝搬を可能にし、レイ追跡波を ICON モデルと結合し、mesopause ダイナミクスと平均流への3D波効果を示す。

ABSTRACT

Parametrizations for internal gravity waves in atmospheric models are traditionally subject to a number of simplifications. Most notably, they rely on both neglecting wave propagation and advection in the horizontal direction (single-column assumption) and an instantaneous balance in the vertical direction (steady-state assumption). While these simplifications are well justified to cover some essential dynamic effects and keep the computational effort small it has been shown that both mechanisms are potentially significant. In particular, the recently introduced Multiscale Gravity Wave Model (MS-GWaM) successfully applied ray tracing methods in a novel type of transient but columnar internal gravity wave parameterization (MS-GWaM-1D). We extend this concept to a three-dimensional version of the parameterization (MS-GWaM-3D) to simulate subgrid-scale non-orographic internal gravity waves. The resulting global wave model -- implemented into the weather-forecast and climate code ICON -- contains three-dimensional transient propagation with accurate flux calculations, a latitude-dependent background source, and convectively generated waves. MS-GWaM-3D helps reproducing expected temperature and wind patterns in the mesopause region in the climatological zonal mean state and thus proves a viable IGW parameterization. Analyzing the global wave action budget, we find that horizontal wave propagation is as important as vertical wave propagation. The corresponding wave refraction includes previously missing but well-known effects such as wave refraction into the polar jet streams. On a global scale, three-dimensional wave refraction leads to a horizontal flow-dependent redistribution of waves such that the structures of the zonal mean wave drag and consequently the zonal mean winds are modified.

研究の動機と目的

• サブグリッドスケールの内部重力波を、単一列・定常状態の仮説を超えて改善して表現する動機づけ。
• レイ追跡と位相空間波動作用に基づく3D過渡的重力波パラメータ化（MS-GWaM-3D）を開発する。
• 3D波場を ICON モデルへ結合し、mesopause領域のゾonal風および温度への影響を評価する。
• 二つの重力波源（背景と対流生成）の latitude-dependent launching を組み込む。
• 3D IGW の global distribution、 budgets、mean-flow impacts を1D および IGWなしの場合と比較して評価する。

提案手法

• 球面上の Bretherton–Grimshaw 調整方程式を位相空間（N）表現と共に用いて3D 過渡的 IGWs を定式化する。
• レイ追跡とエイコノール方程式を適用して、波数と群速度の進化をレイに沿って算出する。
• 位相空間波動作用保存を用いて波パケットを伝播させ、アーカスティックを処理する。
• IGW のフラックスと発散を計算して、Reynolds-stress 類の項とコリオリス項を介して平均流の傾向を更新する。
• 二つの下 boundary 波源（緯度変化する背景および対流由来）を Desaubie 類のスペクトル形状と冬至に基づくモデュレーションで組み込む。
• 振幅を調整する統合密度摂動基準に基づく飽和機構を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3D 過渡伝播が1D/定常状態のパラメータ化と比べてエネルギーと運動量フラックスをどう変えるか？
• RQ2 3D 波の屈折が波エネルギーの再分布と mesopause領域の zonal-mean winds に与える影響は何か？
• RQ3 水平波伝播と位相空間ダイナミクスが ICON モデルの平均流の強制にどのように影響するか？
• RQ4 背景波源と対流生成 IGW が緯度・季節依存の源を持つ場合、観測された mesopause 特性を再現できるか？
• RQ5 極域近くおよび高度に不均衡な流れ regime で MS-GWaM-3D の限界と感度は何か？

主な発見

• 水平伝播は波動作用の予算にとって垂直伝播と同様に重要である。
• 3D 屈折には極地ジェット流への波の屈折などの効果が含まれ、波エネルギーの水平再分配を引き起こす。
• global scale で3D波伝播は zonal-mean の波ドラッグを修正し zonal-mean winds を変える。
• MS-GWaM-3D は climatological zonal mean 状態で mesopause 領域の温度と風のパターンを再現し、MS-GWaM-1D と同程度の期待値と整合する。
• IGW を用いないケースや基準気候と比較すると、MS-GWaM-3D は平均状態へは一般に中程度の影響で、南極冬季ジェットと mesopause領域で顕著な差が見られる。
• 本研究は ICON フレームワーク内で3D過渡効果を捉える実用的な IGW パラメータ化を示している。