[논문 리뷰] 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)|2012. 11. 03.

Meteorological Phenomena and Simulations참고 문헌 29인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 구면 조화함수를 사용하여 지형을 명시적으로 고려하고, 정확한 3차원 대류를 포함하며 수직 에너지 확산과 수평 스펙트럼 이동을 분리하는 새로운 스펙트럼 에너지 예산 설정을 제시한다. 이는 두 대규모 기상 모델(AFES 및 ECMWF IFS)에 적용되었으며, AFES는 현실적인 $k^{-5/3}$ 관성 영역과 강한 다운스케일 에너지 확산을 재현하지만, ECMWF IFS는 이러한 메조스케일 스펙트럼 특성을 재현하지 못함을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이전 모델이 忽시하는 지형을 고려하는 더 정확한 스펙트럼 에너지 예산 설정을 개발하기 위해.
• 비수정된 2차원 코리올리 근사나 순수 수평 흐름 근사 없이 정확한 3차원 대류 항을 포함하기 위해.
• 수직 에너지 확산을 수평 스펙트럼 에너지 이동과 분리하여, 보존적인 스펙트럼 확산 진단이 가능하도록 하기 위해.
• 고해상도 기상 모델에서 메조스케일 에너지 확산을 진단하고 관측치와의 현실성 비교를 수행하기 위해.
• 이전의 스펙트럼 에너지 예산 설정에서 발생하는 일관성 없는 문제를 해결하여 메조스케일 동역학과 에너지 이동에 대한 이해를 제고하기 위해.

제안 방법

• 구면 조화함수를 기저 함수로 사용하여 대기의 운동에너지 및 가용된 위치에너지의 전역적이고 직교적인 분해가 가능한 새로운 스펙트럼 에너지 예산 설정을 유도한다.
• 지형을 고려하기 위해 수정된 압력좌표계와 고파수 성분 오염을 방지하기 위한 저통과 표면기압 필드를 도입한다.
• 바람장의 순환 및 수렴 성분을 모두 포함하는 정확한 3차원 대류 항을 사용하여 2차원 코리올리 근사의 필요성을 피한다.
• 스펙트럼 영역에서 대류 및 압력 작업 항을 분해하여 수직 에너지 확산을 수평 스펙트럼 에너지 이동에서 분리한다.
• 시간 평균 및 압력 적분 진단을 사용하여 두 고해상도 기상 모델(AFES T639L24 및 ECMWF IFS T1279L91)에 이 설정을 적용한다.
• 구면 조화 모드 간의 에너지 이동을 분석하여 스펙트럼 확산을 계산함으로써 업스케일 또는 다운스케일 확산의 탐지가 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지형과 정확한 3차원 대류를 포함하는 스펙트럼 에너지 예산 설정이 관측된 메조스케일 $k^{-5/3}$ 스펙트럼을 더 잘 재현할 수 있는가?
• RQ2 수직 확산과 수평 스펙트럼 이동을 분리함으로써 기상 모델에서 에너지 확산의 더 정확한 진단이 가능한가?
• RQ3 어떤 고해상도 기상 모델이 관측된 $k^{-5/3}$ 관성 영역과 다운스케일 에너지 확산을 재현하지 못하는가?
• RQ4 메조스케일에서 AFES와 ECMWF IFS의 스펙트럼 에너지 확산은 크기와 방향(업스케일/다운스케일 확산) 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 지형 효과와 수직 해상도가 기상 모델에서 스펙트럼 에너지 예산의 현실성에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 새로운 설정은 수직 에너지 확산과 수평 스펙트럼 에너지 이동을 성공적으로 분리하여 보존적이며 물리적으로 일관된 스펙트럼 확산 진단이 가능하게 하였다.
• AFES T639L24는 수평 속도 스펙트럼에서 현실적인 $k^{-5/3}$ 관성 영역을 생성하여 메조스케일에서 강력한 다운스케일 에너지 확산이 존재함을 시사한다.
• AFES의 스펙트럼 확산 분석은 이론적으로 3차원 강한 정렬 흐름에 기대하는 바와 일치하는 강력한 다운스케일 에너지 확산을 보였다.
• 반면, ECMWF IFS T1279L91는 $k^{-5/3}$ 유사 스펙트럼을 생성하지 못하며, 다운스케일 에너지 확산도 유의미하게 나타나지 않는다. 이는 고해상도에도 불구하고 그렇다.
• ECMWF IFS에서 현실적인 메조스케일 확산이 나타나지 않는 것은 해상도의 문제보다는 그의 동역학 코어나 파rameterization의 결함 때문임이 밝혀졌다.
• 시간 평균에서 전체 에너지 예산에 있어 지형 효과는 미미하여 일부 이전 설정에서 이를 생략하는 것이 정당화되지만, 고파수 영역에서의 스펙트럼 진단에는 여전히 중요하다.