On the internal gravity wave - atmospheric circulation interaction

• Thesis title in Czech: Studie interakce vnitřních gravitačních vln a atmosférické cirkulace
• Thesis title in English: On the internal gravity wave - atmospheric circulation interaction
• Key words: Vnitřní gravitační vlny|tok hybnosti|obecné stacionární řešení|modelové simulace s vysokým rozlišením
• English key words: Internal gravity waves|momentum flux|general stationary solution|high resolution model simulations
• Academic year of topic announcement: 2019/2020
• Thesis type: diploma thesis
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Atmospheric Physics (32-KFA)
• Supervisor: RNDr. Petr Šácha, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 02.11.2019
• Date of assignment: 02.11.2019
• Confirmed by Study dept. on: 05.04.2021
• Date and time of defence: 28.06.2021 12:30
• Date of electronic submission: 21.05.2021
• Date of submission of printed version: 21.05.2021
• Date of proceeded defence: 28.06.2021
• Opponents: Aurélien Podglajen
• Advisors: Mgr. Aleš Kuchař, Ph.D.

Guidelines

Theoretical introduction will be given with regard to internal gravity waves (GWs) and their interaction with background in the terrestrial atmosphere. Recently developed theoretical methods for GW diagnostics will be re-derived (potential modification is foreseen). Large datasets from experimental high-resolution simulations will be assembled, GWs will be diagnosed and the momentum fluxes and resulting drag will be compared across different GW diagnostic methods. Potentially, Lagrangian model will be utilized to study the impact of the GW activity on the local dynamics and transport during GW propagation and breaking.

References

Fritts, D. C., & Alexander, M. J. (2003). Gravity wave dynamics and effects in the middle atmosphere. Reviews of geophysics, 41(1).
Gassmann, A. (2019). Analysis of large-scale dynamics and gravity waves under shedding of inactive flow components. Monthly Weather Review, 147(8), 2861-2876.
Gaßmann, A. (2014). Deviations from a general nonlinear wind balance: Local and zonal-mean perspectives. Meteorol. Z, 23, 467-481.
Geller, M. A., Alexander, M. J., Love, P. T., Bacmeister, J., Ern, M., Hertzog, A., ... & Zhou, T. (2013). A comparison between gravity wave momentum fluxes in observations and climate models. Journal of Climate, 26(17), 6383-6405.
Kruse, C. G., & Smith, R. B. (2015). Gravity wave diagnostics and characteristics in mesoscale fields. Journal of the Atmospheric Sciences, 72(11), 4372-4392.
Spreitzer, E., R. Attinger, M. Boettcher, R. Forbes, H. Wernli, and H. Joos, 2019: Modification of Potential Vorticity near the Tropopause by Nonconservative Processes in the ECMWF Model. J. Atmos. Sci., 76, 1709–1726, https://doi.org/10.1175/JAS-D-18-0295.1
Wei, J., Bölöni, G., & Achatz, U. (2019). Efficient modelling of the interaction of mesoscale gravity waves with unbalanced large-scale flows: Pseudomomentum-flux convergence versus direct approach. Journal of the Atmospheric Sciences, (2019).
Žagar, N., Jelić, D., Blaauw, M., & Bechtold, P. (2017). Energy spectra and inertia–gravity waves in global analyses. Journal of the Atmospheric Sciences, 74(8), 2447-2466.

Preliminary scope of work

Vnitřní gravitační vlny a jejich interakce s atmosférickou cirkulací představují složitý problém pro modely atmosféry či komplexně klimatu kvůli velké škále prostorových a časových měřítek těchto jevů. Vnitřní gravitační vlny a jejich předpokládaný vliv jsou v těchto modelech parametrizovány, k čemuž se využívá určitých teoretických zjednodušení. Se stoupající výkonností výpočetních systémů vznikají experimentální verze modelů atmosféry schopné rozlišit většinu spektra vnitřních gravitačních vln, oproti očekávání vědecké komunity se však ukazuje, že ani v těchto modelech nelze vypnout parametrizace vnitřních gravitačních vln (ač v těchto případech jen malé části spektra). Situaci komplikuje i praktická neznalost vlastností vnitřních gravitačních vln ve skutečné atmosféře, jelikož globální (satelitní) pozorování gravitačních vln a jejich aktivity je velice obtížné a málo detailní a kvantifikace jejich interakce s pozaďovou cirkulací je v současné situaci nemožná. Mezi vědeckou komunitou vyvstává názor, že nejrealističtější informaci o vnitřních gravitačních vlnách získáme z experimentálních simulací atmosféry s vysokým rozlišením za použití nejnovějších teoretických metod pro jejich studium. Teprve tento krok nám umožní lépe porozumět neurčitosti satelitního pozorování jejich aktivity, což pak zpětně bude použito pro vývoj nových parametrizací gravitačních vln či pro vývoj modelů rozlišujících vnitřní gravitační vlny.
V rámci této studie se budeme zabývat analýzou vnitřních gravitačních vln a jejich vlivu na okolí v experimentálních modelových bězích s vysokým rozlišením. Za tímto účelem budou nejprve studovány (představeny a detailně znovu-odvozeny) nové teoretické přístupy k detekci gravitačních vln na základě aplikace symetrických metod či komplexní modální dekompozice. Tyto nové diagnostiky budou srovnány s tradičními ohledně získaného toku hybnosti a velikosti disipace. Uvažováno bude také použití Lagrangeovského modelu pro detailní výzkum interakce vnitřních gravitačních vln s okolím, co se týče ovlivnění dynamiky a transportu.

Preliminary scope of work in English

Internal gravity waves (GWs) and their interaction with atmospheric circulation present a complex problem for atmospheric or coupled climate models due to variety of spatial and temporal scales involved. GWs and their assumed influence are parameterized in these models by employing some theoretical simplifications. Recently, experimental versions of atmospheric models capable of resolving most of the GW spectrum have been emerging due to the increasing performance of computing systems. Contrary to the expectations of the scientific community, however, it turns out that even in these models the GW parameterizations cannot be turned off (although in these cases only a small part of the spectrum remains unresolved). The situation gets complicated by our incomplete knowledge of the GW properties in the real atmosphere, as global (satellite) observations of the GW activity are sparse, with small spatio-temporal resolutions, making the quantification of the GW interaction with the background circulation impossible. The scientific community is of the opinion that the most realistic information about GWs can probably be obtained from experimental simulations of high-resolution combined with the latest theoretical methods for their diagnostics. Only this step will allow us to better understand the uncertainty of satellite observations of GW activity, which in turn will be used to develop new GW parameterizations or in development of GW resolving models.
In this study, we will GWs and their effects on the environment in high-resolution experimental model runs. For this purpose, new theoretical approaches to GW detection based on the application of symmetric methods or complex modal decomposition will be studied (re-derived in detail from basic assumptions). These new diagnostics will be compared with the traditional ones regarding acquired momentum flow and the amount of dissipation. Consideration will also be given to the utilization of a Lagrange model for a detailed study of the interaction of GWs with the background circulation in terms of influencing dynamics and transport.