[論文レビュー] Quantifying the eddy-jet feedback strength of the annular mode in an idealized GCM and reanalysis data

Ding Ma, Hassanzadeh, Pedram+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2016

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、アニュラーモードにおける渦-ジェットフィードバック強度を定量化するための線形応答関数（LRF）を導入し、理想化されたGCMでは0.137日⁻¹、再解析データでは0.121日⁻¹の正のフィードバックを示した。200日以上の時スケールで収束する低-passフィルタリング法を提案し、渦力の準周期的性質を考慮することで、従来の統計的手法に比べて精度が向上した。

ABSTRACT

A linear response function (LRF) that relates the temporal tendency of zonal mean temperature and zonal wind to their anomalies and external forcing is used to accurately quantify the strength of the eddy-jet feedback associated with the annular mode in an idealized GCM. Following a simple feedback model, the results confirm the presence of a positive eddy-jet feedback in the annular mode dynamics, with a feedback strength of 0.137 day$^{-1}$ in the idealized GCM. Statistical methods proposed by earlier studies to quantify the feedback strength are evaluated against results from the LRF. It is argued that the mean-state-independent eddy forcing reduces the accuracy of these statistical methods because of the quasi-oscillatory nature of the eddy forcing. A new method is proposed to approximate the feedback strength as the regression coefficient of low-pass filtered eddy forcing onto low-pass filtered annular mode index, which converges to the value produced by the LRF when timescales longer than 200 days are used for the low-pass filtering. Applying the new low-pass filtering method to the reanalysis data, the feedback strength in the Southern annular mode is found to be 0.121 day$^{-1}$, which is presented as an improvement over previous estimates. This work also highlights the importance of using sub-daily data in the analysis by showing the significant contribution of medium-scale waves of periods less than 2 days to the annular mode dynamics, which was under-appreciated in most of previous research. The present study provides a framework to quantify the eddy-jet feedback strength in models and reanalysis data.

研究の動機と目的

• ジェットの持続性を特徴付ける主要なメカニズムであるアニュラーモードにおける渦-ジェットフィードバック強度を正確に定量化すること。
• 渦力の準周期的性質が原因で、従来の統計的手法がフィードバック強度を過大評価または誤って推定する理由を評価すること。
• ノイズや平均状態に依存しない渦力からのフィードバック信号をよりよく分離できるように、新しい低-passフィルタリング手法を開発・検証すること。
• 短時間スケール（周期<2日）の波動（小規模波および中規模波）がアニュラーモードダイナミクスに果たす寄与を評価し、これまでの研究で軽視されていた要因を明らかにすること。
• 理想化されたGCMを用いた線形応答関数（LRF）によるベンチマークを提供し、再解析データに適用する前に統計的手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• アニュラーモードの異常に対して応答する平均状態依存の渦力の分離を目的とした線形応答関数（LRF）を用い、理想化されたGCMにおけるフィードバック強度の「真値」としての基準を提供する。
• ゾナル風の傾きがフィードバック強度とアニュラーモード指数の積に比例するシンプルなフィードバックモデルを適用し、フィードバック強度はLRFから導出する。
• フィードバック強度を、低-passフィルタリング処理を施した渦力と低-passフィルタリング処理を施したアニュラーモード指数の回帰係数として推定する新しい手法を提案する。
• 200日以上の時スケールの低-passフィルタリングを用いることで、新しい手法の推定値がLRFの値に収束し、高周波成分の影響を最小限に抑える。
• 再解析データへの適用前に、合成時系列とモデル出力を用いて統計的手法の妥当性を検証し、信頼性を確保する。
• 長期間のモデルシミュレーション（CTL）に対してスペクトル解析を実施し、平均状態に依存しない渦力の有効時定数τₑを推定し、フィードバック強度bと逆時定数1/τの差を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アニュラーモードにおける真の渦-ジェットフィードバック強度は何か？ また、理想化されたGCMと再解析データの間でどのように異なるか？
• RQ2 従来の統計的手法がなぜフィードバック強度を過大評価または誤って推定するのか？ また、渦力の準周期的性質がその精度にどのように影響するのか？
• RQ3 低-passフィルタリングを用いることで、渦力とゾナル風指数の低周波成分を分離し、フィードバック強度の推定精度を向上させられるか？
• RQ4 短時間スケール（周期<2日）の波動がアニュラーモードダイナミクスに果たす寄与は何か？ なぜこれまでの研究で軽視されてきたのか？
• RQ5 フィードバック強度bと逆時定数1/τの差はどのように生じるのか？ その差を決定づける物理的過程は何か？

主な発見

• 理想化されたGCMでは、線形応答関数（LRF）を用いて渦-ジェットフィードバック強度が0.137日⁻¹と定量化され、モデルの妥当性を検証するためのベンチマークが得られた。
• 新しい低-passフィルタリング手法は、フィルタリング時定数が200日を超えるとLRFで推定されたフィードバック強度（0.137日⁻¹）に収束し、その正確性が裏付けられた。
• 再解析データにおいても、同じ低-passフィルタリング手法を用いることでフィードバック強度が0.121日⁻¹と推定され、従来の推定値に比べて改善された。
• ラグ相関に基づく統計的手法（例：LH01およびS13）は、平均状態に依存しない渦力の影響および渦力の準周期的性質のため、不正確であることが示された。
• 平均状態に依存しない渦力の有効時定数τₑは91日と推定され、フィードバック強度bと逆時定数1/τとの差は0.011日⁻¹以下にとどまった。
• 短時間スケール（周期<2日）の波動がアニュラーモードダイナミクスに顕著な寄与を果たしており、これはこれまでの研究で軽視されていた要因である。