[논문 리뷰] MS-GWaM: A 3-dimensional transient gravity wave parametrization for atmospheric models

Georg Sebastian Voelker, Gergely Bölöni외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 20.

Geophysics and Gravity Measurements인용 수 12

한 줄 요약

MS-GWaM-3D는 다중 규모 중력파 모델(Multiscale Gravity Wave Model)을 내부 중력파의 완전한 3D 시간적 전파로 확장하고, 레이 추적된 파동을 ICON 모델과 결합시키며 3D 파동이 메조포즈 역학 및 평균 흐름에 미치는 영향을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 열 및 정상 상태 가정 너머의 서브그리드 규모 내부 중력파 표현 개선 동기를 제시한다.
• 레이 추적 및 위상 공간 파동 작용에 기초한 3D 전이 중력파 매개변수화(MS-GWaM-3D) 개발.
• 3D 파동장을 ICON 모델에 연결하여 메조포즈 영역에서 자주풍과 온도의 영향 평가를 한다.
• 위도 의존적인 시작을 갖는 두 가지 중력파 소스(배경 및 대류 발생)를 포함한다.
• 3D IGW의 글로벌 분포, 예산 및 평균 흐름 영향력을 1D 및 IGW 비포함 케이스와 비교하여 평가한다.

제안 방법

• 구 간 3D 전이 IGW를 구면상 Bretherton–Grimshaw 변조 방정식으로 위상 공간(N) 표현을 사용해 형식화한다.
• 레이 추적을 적용하여 에이콘(Eikonal) 방정식으로 파수와 군속도 변화가 레이를 따라 어떻게 진화하는지 계산한다.
• 위상 공간 파동 작용 보존을 사용하여 파동덕를 전파하고 캐스트릭스를 처리한다.
• IGW 플럭스와 그 발산을 계산하여 레이놀즈 응력 유사 항과 코리올리 항을 통해 평균 흐름 경향을 업데이트한다.
• 두 가지 하한 경계 소스(위도에 따라 변하는 배경 및 대류)와 Desaubie 유사 스펙트럼 형태 및 하지 기반 변조를 포함한다.
• 집적 밀도 섭동 기준에 기반한 포화 메커니즘을 구현하여 진폭을 조절한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 전이 내부 중력파의 전파가 1D/정적 파라미터화에 비해 에너지와 운동량 플럭스에 어떤 차이를 만드는가?
• RQ2 3D 파동 굴절이 파에너지의 재분배와 메조포즈 영역의 자주풍에 어떤 영향을 주는가?
• RQ3 수평 파동 전파와 위상 공간 다이내믹이 ICON 모델의 평균 흐름 강제에 어떤 영향을 주는가?
• RQ4 배경 및 대류에 의해 생성된 IGW가 위도 및 계절 의존 소스와 함께 관찰된 메조포즈 특성을 재현하는가?
• RQ5 극지에서의 한계 및 불균형 흐름 규칙 하에서 MS-GWaM-3D의 한계와 민감도는 어떠한가?

주요 결과

• 수평 전파가 파동 작용 예산에서 수직 전파만큼 중요하다.
• 3D 굴절은 극지 제트 흐름으로의 파동 굴절과 파동 에너지가 수평적으로 재분배되는 효과를 포함한다.
• 전 세계 규모에서 3D 파동 전파는 자주풍의 파동 항력을 수정하고 자주풍에 영향을 준다.
• MS-GWaM-3D는 기후 상태의 자주풍에서 메조포즈 영역의 온도와 바람 패턴을 재현하며, MS-GWaM-1D와 비교해도 기대와 일치한다.
• 비 IGW 실행 및 기준 기후에 대한 비교에서 MS-GWaM-3D는 일반적으로 평균 상태에 미치는 영향이 중간 정도이며 남극 겨울 제트 및 메조포즈 영역에서 뚜렷한 차이가 나타난다.
• 본 연구는 ICON 프레임워크 내에서 3D 시간적 효과를 포착하는 실행 가능한 IGW 매개화가 있음을 보여준다.