Formulace a implementace nové parametrizace orografických gravitačních vln pro klimatické modely

• Thesis title in Czech: Formulace a implementace nové parametrizace orografických gravitačních vln pro klimatické modely
• Thesis title in English: Formulation and implementation of new parameterization of orographic gravity waves for climate models
• Key words: Orografické gravitační vlny|Parametrizace|Klimatické modely|Atmosférická dynamika
• English key words: Orographic Gravity Waves|Parameterization|Climate models|Atmospheric dynamics
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: dissertation
• Department: Department of Atmospheric Physics (32-KFA)
• Supervisor: prof. RNDr. Petr Pišoft, Ph.D.
• Advisors: RNDr. Petr Šácha, Ph.D.

Guidelines

V rámci této práce budou nastudovány nejnovější postupy pro parametrizování vlivu podměřítkového terénu v globálních modelech a uchazeč zformuluje, aplikuje a otestuje výkonnost vlastního parametrizačního schématu, kde buď sloučí do klasického schématu nové přístupy (škálovatelná orografie, částečné filtrování kritickými vrstvami, nehydrostatické efekty) nebo zformuluje schéma kompletně vlastní.

Způsob řešení bude sestávat z rovnoměrné kombinace četby a rešeršní činnosti, komunikace se zahraničními experty, teoretického odvozování a experimentálního modelování interakce orografie s atmosférou a z vývoje a tvorby běhů klimatického modelu.

References

Achatz, U., and Coauthors, 2024: Atmospheric Gravity Waves: Processes and Parameterization. J. Atmos. Sci., 81, 237–262, https://doi.org/10.1175/JAS-D-23-0210.1.

Olbers, D., Eden, C., Becker, E., Pollmann, F., & Jungclaus, J. (2019). The IDEMIX model: Parameterization of internal gravity waves for circulation models of ocean and atmosphere. Energy Transfers in Atmosphere and Ocean, 87-125.

Plougonven, R., de la Cámara, A., Hertzog, A., & Lott, F. (2020). How does knowledge of atmospheric gravity waves guide their parameterizations?. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 146(728), 1529-1543.

van Niekerk, A. & Vosper, S.(2021) Towards a more “scale-aware” orographic gravity wave drag parametrization: Description and initial testing. Q J R Meteorol Soc, 147(739), 3243–3262. Available from: https://doi.org/10.1002/qj.4126

van Niekerk, A., Vosper, S. & Teixeira, M.(2023) Accounting for the three-dimensional nature of mountain waves: Parametrising partial critical-level filtering. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 149(751), 515–536. Available from: https://doi.org/10.1002/qj.4421

Voelker, G. S., G. Bölöni, Y. Kim, G. Zängl, and U. Achatz, 2024: MS-GWaM: A 3-dimensional transient gravity wave parametrization for atmospheric models. J. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1175/JAS-D-23-0153.1, in press.

Xu, X., and Coauthors, 2024: A Parameterization Scheme Accounting for Nonhydrostatic Effects on the Momentum Flux of Vertically Propagating Orographic Gravity Waves: Formulas and Preliminary Tests in the Model for Prediction Across Scales (MPAS). J. Atmos. Sci., 81, 805–817, https://doi.org/10.1175/JAS-D-23-0020.1.

Preliminary scope of work

Orografické gravitační vlny (OGV) jsou atmosférické vlny vznikající prouděním vzduchu přes orografii planety. OGV jsou všudypřítomné v atmosféře, šíří se vertikálně a částečně horizontálně a ovlivňují dynamiku a transport napříč vrstvami atmosféry. Horizontální měřítka OGV do značné míry odrážejí horizontální měřítka orografických variací. OGV tak mají horizontální vlnové délky od několika do tisíců kilometrů a jako takové nelze značnou část jejich spektra rozlišit ani v současných nejmodernějších globálních klimatických modelech. Efekty menších OGV než je efektivní rozlišení modelu je proto potřeba doplnit tzv. parametrizačním schématem.

Parametrizace OGV komunikují dynamickému jádru modelu třecí sílu, která vzniká jako reakce na sílu vyvíjenou prouděním na topografii, a jež se pak šíří vzhůru ve formě vertikálního vlnového toku horizontální hybnosti. Při disipaci vlny dochází ke konvergenci toku hybnosti a indukci zpomalení v pozaďovém proudění. Všechny tyto procesy jsou parametrizovány na základě souboru předpokladů, které jsou v prvním přiblížení dobře odůvodněné (Plougonven et al. 2021). Tyto předpoklady jsou často svázány s volnými parametry schématu, které podléhají ladění. Dosud bylo vyvinuto mnoho parametrizačních schémat OGV, a přestože často sdílejí základní koncepty, mohou se lišit ve formulaci toku hybnosti, ladění volných parametrů nebo v rozmanitosti uvažovaných fyzikálních mechanismů. Lze tedy očekávat dosud nekvantifikované rozdíly ve výsledném odporu mezi různými parametrizačními schématy, které dle nedávného výzkumu zásadně ovlivňují stratosférickou dynamiku a transport v globálních klimatických modelech (Šácha et al., 2021, GRL; Hájková and Šácha, 2023, CliDyn), čímž nepříznivě přispívají k nejistotě projekcí budoucího klimatu. Proto je v rámci atmosférické a klimatologické komunity vyvíjena značná aktivita směrem k tvorbě nových parametrizací OGV.