[논문 리뷰] Crucial Role of Obliquely Propagating Gravity Waves in the Quasi-Biennial Oscillation Dynamics

Young‐Ha Kim, Georg Sebastian Voelker외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 26.

Atmospheric Ozone and ClimateEarth and Planetary Sciences참고 문헌 24인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 기존 기후 모델에서 간과되어 왔던 기울기 방향으로 전파되는 중력파가 난류성 대류권 상층에서의 준이년진동(QBO)을 이끄는 데 핵심적인 역할을 한다고 밝힌다. 3차원 일시적 중력파 파arametrization(MS-GWaM)를 사용하여 저기권 하층에서 동력학적 운동량 확산을 증가시켜 동서풍 제트의 하강과 QBO의 강화를 가능하게 함으로써, 기존 모델에서 관찰되는 QBO 진폭과 위상 진행에 대한 오류를 해결한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기울기 방향으로 전파되는 중력파가 난류성 대류권 상층에서의 준이년진동(QBO)에 미치는 동역학적 영향을 조사한다.
• 기존 기후 모델에서 저기권 하층에서 QBO 동풍 단계가 과소평가되는 지속적인 모델 오류를 해결한다.
• 기존 1차원 정적인 파arametrization과 비교하여, 3차원 일시적 중력파 전파를 완전히 반영한 모델이 QBO 시뮬레이션의 정확도를 향상시키는지 평가한다.
• 적도에서 멀리 떨어진 곳에서 기인한 적도 방향으로 전파되는 파동이 QBO 위상 진행과 하강에 얼마나 기여하는지 정량화한다.

제안 방법

• 3차원 파동 전파와 일시적 행동을 완전히 반영하는 새로운 중력파 파arametrization(MS-GWaM)를 사용하였다.
• 라그랑주 방법을 사용하여 6차원 단위 공간(x, k, t)에서 광선 방정식(1)과 파동 운동량 밀도 운반 방정식(2)을 이산화된 광선 부피를 기반으로 해석하였다.
• 파동 운동량 밀도의 진화를 파동 운동량 보존 원리를 바탕으로 추적하였으며, 파동 생성 및 소멸에 기여하는 소스/서플라이너 항목을 포함하였다.
• 대규모 중력파를 생성하기 위해 100km의 수평 척도와 12분의 시간 척도를 가진 다중 척도 대류 소스를 사용하였다.
• 동일한 모델 조건에서 3차원 일시적(3d-TR)과 기존 1차원 정적(1d-ST) 파arametrization을 사용한 시뮬레이션을 비교하였다.
• 파동 운동량 밀도로부터 운동량 확산 및 외력장을 유도하여 대규모 기류에 미치는 파동 영향을 평가하였다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울기 방향으로 전파되는 중력파가 난류성 대류권 상층에서의 준이년진동(QBO)에 기여하는 동역학적 기여는 무엇인가?
• RQ2 중력파 파arametrization에 3차원 일시적 파동 전파를 포함할 경우 QBO 위상 하강과 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 적도에서 떨어진 곳에서 기인한 적도 방향으로 전파되는 파동은 QBO의 동풍 단계 형성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 현재 기후 모델이 관측된 QBO 진폭을 저기권 하층에서 재현하지 못하는 이유는 무엇이며, 이는 파동 전파 단순화 때문일 수 있는가?

주요 결과

• 3차원 일시적(3d-TR) 시뮬레이션은 QBO 주기(2년)와 최대 진폭을 1차원 정적(1d-ST) 시뮬레이션보다 더 정확히 재현한다. 1d-ST 시뮬레이션은 주기 3~4년으로 더 길게 나타난다.
• 1d-ST 시뮬레이션에서는 동풍 단계의 하강이 현저히 느리고 약하며, 27km에서 19km 사이에서 진폭이 감소하여 저기권 하층 동풍을 유지하지 못함을 보여준다.
• 기울기 방향으로 전파되는 파동, 특히 적도 방향으로 전파되는 성분이 저기권 하층에서 동풍 QBO 단계의 하강과 강화를 가능하게 하는 필수적인 운동량 강화를 제공한다.
• 3d-TR 시뮬레이션은 특히 저기권 하층에서 ERA-Interim 재분석과 수직 및 위도 방향 바람 프로파일에서 더 뛰어난 일치도를 보였다.
• 더 큰 규모의 대류 소스(수평 척도 100km, 시간 척도 12분)를 포함함으로써, 저기권 하층에서의 강력한 외력에 기여하는 장파장 중력파(300km 이상)가 생성된다.
• 기존의 1차원 정적 파arametrization(1d-ST)는 실제 QBO 동역학에 필요한 전체 파동 운동량 확산을 포착하지 못하여, 동풍 제트 강도를 체계적으로 과소평가한다.

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