Disipace vnitřních gravitačních vln a její reprezentace v chemicko-klimatických modelech

• Název práce v češtině: Disipace vnitřních gravitačních vln a její reprezentace v chemicko-klimatických modelech
• Název v anglickém jazyce: Dissipation of internal gravity waves and its representation in chemical-climate models
• Klíčová slova: vnitřní gravitační vlny|lámání vln|turbulentní promíchávání|chemicko-klimatické modely
• Klíčová slova anglicky: internal gravity waves|wave breaking|turbulent mixing|chemistry-climate models
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: diplomová práce
• Ústav: Katedra fyziky atmosféry (32-KFA)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Petr Šácha, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Složení atmosféry a chemické a fyzikální procesy, které ho ovlivňují, jsou ústředními body dvou environmentálních témat s největší celospolečenskou důležitostí – změny klimatu a kvality ovzduší. Složení atmosféry se mění, kromě emisí znečišťujících látek lze velkou část této změny přičíst změnám v atmosférickém transportu. Na druhé straně, samotný transport je nelineárně určován radiačními efekty závislými právě na složení a dynamickými hnacími mechanismy napříč prostorovými a časovými měřítky. Hierarchie numerických modelů (od zjednodušených modelů po předpovědní a chemicko-klimatické modely; CCM) hrála v posledních desetiletích stále důležitější roli v atmosférickém výzkumu a poskytovala informace o stavu atmosféry a klimatického systému a jeho změnách. Modelové simulace a projekce nejenže podpořily vědecké objevy, ale také poskytly včasné informace tvůrcům politik a rozšířily společenský dialog o změně klimatu.

Atmosférické vlny výrazně ovlivňují transport hybnosti, energie a hmoty a tím i složení atmosféry, což z nich dělá jeden z nejdůležitějších komunikačních mechanismů mezi vrstvami atmosféry (Yigit a Medveděv, 2016). Aktivní výzkum v posledních desetiletích posílil naše chápání původu atmosférických vln, jejich šíření a vlivu. Přesto je mnoho aspektů životního cyklu vln a vlnových efektů do značné míry neznámých, a ne všechny typy vln jsou plně rozlišeny nebo přesně parametrizovány v nejmodernějších atmosférických modelech.

Vyjma rovníkových oblastí, kde hrají důležitou roli rozličné typy vln, dominují vlnovému poli napříč troposférou a stratosférou Rossbyho vlny a vnitřní gravitační vlny (GV, Andrews et al., 1987). Zatímco Rossbyho vlny jsou jevy velkého rozsahu dobře rozlišené v modelech, GV se vyskytují v široké škále měřítek (od tisíců po jednotky km) a zůstávají do značné míry nerozlišené (v CCM) nebo jsou rozlišeny pouze částečně a leží v tzv. šedé zóně (v numerických modelech předpovědi počasí).

Přestože se CCM vyvíjejí ve složitosti, stále se spoléhají na různorodou sadu parametrizací pro procesy, které nemohou explicitně rozlišit. V současné generaci CCM je většina GV spektra obvykle menší než rozlišení modelu, proto jejich efekty musí být do modelu dodávány dodatečně, jsou tzv.parametrizovány (McLandress, 1998). Běžně se v současných modelech používají dvě parametrizační schémata pro rozlišení mezi orografickými a neorografickými GV (OGV a nOGV). Dosud byla vyvinuta různá parametrizační schémata obou typů GV a všechna spoléhají na různé stupně zjednodušení a subjektivně volitelné parametry (Plougonven et al., 2020). Všechna parametrizační schémata používaná v současných CCM mají společné, že jediným explicitně parametrizovaným efektem GV je depozice hybnosti v důsledku jejich disipace. Toto parametrizované tření dodávané do CCM má velký vliv na modelovou dynamiku a transport (Šácha et al., 2021).

Existuje však mnoho efektů spojených s GV známých z teorie, pozorování nebo speciálních numerických simulací, které nejsou parametrizovány. V současnosti je například dobře známo, že GV mohou ovlivňovat složení a transport atmosféry přímo prostřednictvím turbulentního promíchávání během jejich lámání (disipace; Fritts a Alexander, 2003). Například je z přímých pozorování zdokumentováno, že lámání GV vede k rychlému promíchání mezi vzdušnými hmotami troposféry a stratosféry s důsledky pro chemii ozonu (Kunkel et al., 2019). Tento a další možné efekty GV však nejsou parametrizovány v současné generaci CCM, což se může ukázat jako stále problematičtější vzhledem k tomu, že přesná reprezentace transportu chemických látek má zásadní význam pro celkovou kvalitu těchto modelů (Stenke et al., 2013).

Samotná disipace GV je stále předmětem aktivního teoretického výzkumu. V současnosti je známo vícero nestabilit (např. konvektivní a dynamická nestabilita, parametrická-subharmonická nestabilita, modulační nestabilita a jejich kombinace) v jejichž důsledku může dojít k lámání GV a různě efektivnímu přenosu turbulentnímu přenosu hybnosti, energie a promíchávání okolních vrstev (Fritts and Alexander, 2003). Jedná se o silně nelineární proces, k jehož studiu jsou stále častěji používány přímé numerické simulace (Fritts et al., 2022a), avšak stále se objevují nové výsledky i na základě čistě analytických úvah (Schlutow and Voelker, 2020). V CCM, ale i detailnějších numerických předpovědních modelech není lámání GV rozlišeno a jeho rozlišení bude nedosažitelnou metou i nejméně v blízké budoucnosti (Fritts et al., 2022b). Modely pro to spoléhají nejen na parametrizace tření od GV, ale i na různé formy parametrizací turbulentního promíchávání (Skamarock et al., 2019), které ovšem nejsou s parametrizacemi GV vůbec propojené.

Cílem této práce je zlepšit naše chápání vlivu GV na turbulentní promíchávání při procesu jejich disipace. Za tímto účelem bude vytvořen souhrn známých nestabilit vedoucích k disipaci GV a pozornost bude věnována zejména efektivitě promíchávání okolní atmosféry při různých typech nestabilit. Následně na základě čistě analytických úvah bude formulován minimalistický teoretický model, který bude spojovat parametry vlny a okolí a typ nestability s intenzitou promíchávání. Tento vztah bude testován pomocí speciálních simulací modelové disipace vnitřních gravitačních vln (s důrazem na orografické gravitační vlny) v důsledku různých typů nestabilit a za různých atmosférických podmínek. Výsledky práce připraví cestu k úspěšnému doktorskému studiu a akademické kariéře, jelikož budou vést k úpravě současných schémat parametrizací GV tak, aby byl zohledněn vliv disipace vln na transport a rozložení plynných přísad v atmosféře. Tímto způsobem bude přispěno k zlepšení známých chyb současných CCM a tím pádem ke zkvalitnění projekcí budoucí změny klimatu.

Seznam odborné literatury

Andrews, D. G., McIntyre, M. E., Holton, J.R. and Leovy, C.B.: Middle Atmosphere Dynamics, Academic Press, London, 1987.

Fritts, D. C., Wang, L., Lund, T. S., Thorpe, S. A., Kjellstrand, C. B., Kaifler, B., & Kaifler, N. (2022a). Multi-Scale Kelvin-Helmholtz instability dynamics observed by PMC Turbo on 12 July 2018: 2. DNS modeling of KHI dynamics and PMC responses. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2021JD035834. https://doi.org/10.1029/2021JD035834

McLandress, C.: On the importance of gravity waves in the middle atmosphere and their parameterization in general circulation models. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 60(14), 1357–1383,1998.

Plougonven, R, de la Cámara, A, Hertzog, A, Lott, F.: How does knowledge of atmospheric gravity waves guide their parameterizations? QJR Meteorol Soc.; 146: 1529– 1543, 2020.

Schlutow, Mark and Voelker, Georg S.. "On strongly nonlinear gravity waves in a vertically sheared atmosphere: Part I: Spectral stability of the refracted wave" Mathematics of Climate and Weather Forecasting, vol. 6, no. 1, 2020, pp. 63-74. https://doi.org/10.1515/mcwf-2020-0103

Skamarock, W. C., Snyder, C., Klemp, J. B., & Park, S. (2019). Vertical Resolution Requirements in Atmospheric Simulation, Monthly Weather Review, 147(7), 2641-2656.

Stenke, A., Schraner, M., Rozanov, E., Egorova, T., Luo, B., and Peter, T.: The SOCOL version 3.0 chemistry–climate model: description, evaluation, and implications from an advanced transport algorithm, Geosci. Model Dev., 6, 1407–1427, https://doi.org/10.5194/gmd-6-1407-2013, 2013.

Šácha, P., Kuchar, A., Eichinger, R., Pisoft, P., Jacobi, C., & Rieder, H. E.. Diverse dynamical response to orographic gravity wave drag hotspots — a zonal mean perspective. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL093305. https://doi.org/10.1029/2021GL093305, 2021.

Yigit, E., & Medvedev, A. S.: Role of gravity waves in vertical coupling during sudden stratospheric warmings. Geoscience Letters, 3(1), 27, 2016.

Předběžná náplň práce

V rámci této práce bude studován proces disipace vnitřních gravitačních vln a jeho reprezentace v chemicko-klimatických modelech. Za tímto účelem bude provedena rešerše současného teoretického poznání a výzkumu založeného na přímých numerických simulacích, laboratorních experimentech a pozorování. Pozornost bude věnována zejména efektivitě promíchávání okolní atmosféry při různých typech nestabilit. Bude vytvořen minimalistický teoretický model, který bude spojovat parametry vlny a okolí a typ nestability s intenzitou promíchávání. Tento model bude testován pomocí idealistických simulací disipace vnitřních gravitačních vln (s důrazem na orografické gravitační vlny) v důsledku různých typů nestabilit a za různých atmosférických podmínek. Po úspěšném splnění cílů této práce, může být téma dále rozvinuto v úspěšnou doktorskou práci založenou na vývinu unikátní parametrizace orografických gravitačních vln pro chemicko-klimatické modely, která umožní zohlednit vliv disipace vln na transport a rozložení plynných přísad v atmosféře.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

In this thesis, the process of dissipation of internal gravity waves and its representation in chemical-climate models will be studied. For this purpose, a review of current theoretical knowledge and research based on direct numerical simulations, laboratory experiments and observations will be carried out. Particular attention will be paid to the efficiency of turbulent mixing connected with different types of instability. A minimalist theoretical model will be created that will combine wave and ambient parameters and type of instability with the intensity of mixing. This model will be tested using idealistic simulations of the dissipation of internal gravitational waves (with emphasis on orographic gravitational waves) due to different types of instability and under different atmospheric conditions. The topic of the thesis will be a perfect starting point for a successful doctoral thesis concerning development of a unique parameterization of orographic gravitational waves for chemistry-climate models that will allow to take into account the effect of the dissipation of waves on the transport and distribution of gaseous additives in the atmosphere.