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 a new parametrization of orographic gravity waves for climate models
• Key words: Orografické gravitační vlny|Klimatické modely|Klimatické projekce|Vliv podměřítkového terénu|Parametrizace orografických gravitačních vln
• English key words: Orographic gravity waves|Climate models|Climate projections|Influence of subgrid-scale terrain|Parameterization of orographic gravity waves
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: dissertation
• Department: Department of Atmospheric Physics (32-KFA)
• Supervisor: prof. RNDr. Petr Pišoft, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 09.09.2024
• Date of assignment: 09.09.2024
• Confirmed by Study dept. on: 07.10.2024
• Advisors: doc. RNDr. Petr Šácha, Ph.D.

Guidelines

As part of this work, the latest methods for parameterizing the influence of subgrid-scale terrain in global models will be studied, and the candidate will formulate, apply, and test the performance of their own parameterization scheme. This scheme will either incorporate new approaches into a classic scheme (scalable orography, partial filtering with critical layers, non-hydrostatic effects) or formulate an entirely new scheme.

The approach will consist of a balanced combination of reading and research activities, communication with international experts, theoretical derivations, experimental modeling of orographic interactions with the atmosphere, and the development and execution of climate model runs.

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

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.

Preliminary scope of work in English

Orographic gravity waves (OGWs) are atmospheric waves generated by air flowing over the planet's orography. OGWs are ubiquitous in the atmosphere, propagating both vertically and partially horizontally, and they influence dynamics and transport across atmospheric layers. The horizontal scales of OGWs largely reflect the horizontal scales of orographic variations. OGWs have horizontal wavelengths ranging from a few kilometers to thousands of kilometers, meaning that much of their spectrum cannot be resolved even in the most advanced current global climate models. Therefore, the effects of smaller OGWs, which are below the model’s effective resolution, must be supplemented with a parameterization scheme.

OGW parameterizations communicate to the model’s dynamic core the frictional force generated in response to the force exerted by the flow on the topography, which then propagates upwards in the form of a vertical wave flux of horizontal momentum. When the wave dissipates, momentum flux convergence occurs, inducing a slowdown in the background flow. All these processes are parameterized based on a set of assumptions that are, in the first approximation, well-founded (Plougonven et al., 2021). These assumptions are often tied to free parameters within the scheme, which are subject to tuning. Many OGW parameterization schemes have been developed, and while they often share basic concepts, they may differ in the formulation of momentum flux, the tuning of free parameters, or the variety of physical mechanisms considered.