The Role of Planetary Waves in Gravity Wave Activity in the Middle Atmosphere During Northern Hemisphere Winter - A High-Resolution General Circulation Model Approach

Abstract

Interaksjonen mellom storskala planetære bølger (PWs) og de langt mindre atmosfæriske tyngebølgene (GWs) i stratosfæren og mesosfæren i nordlige breddegrader, analyseres ved bruk av den høyoppløselige WACCM-X-modellen. Formålet er å bedre forstå de komplekse GWs og hvordan PWs påvirker disse. GWs oppstår typisk når vind blåser over fjell (orografiske GWs) eller fra vindskjær og konveksjon i atmosfæren (ikke-orografiske GWs), og disse propagerer typisk høyt opp i mesosfæren før de bryter. Dette resulterer i en motstandskraft på vindene i mesosfæren, en helt avgjørende prosess for den midt-atmosfæriske sirkulasjonen. Likevel er GWs en vesentlig feilkilde i dynamiske modeller, grunnet deres små skalaer, interaksjoner og variable kilder. Dette påvirker varsling av ekstremvær og klimaprognoser av stor påvirkning på samfunnet. Videre er rollen PWs har i dannelsen og aktiviteten av GWs ennå ikke fullt forstått. Derfor er den høyoppløselige WACCM-X brukt for å undersøke denne interaksjonen, i nærheten av den stratosfæriske polarvirvelen, ved midtre og høye nordlige breddegrader, i en månedslang simulering av temperaturer og vind i jan-feb. Resultatene indikerer en korrelasjon mellom total sonal GW-effekt, som er proporsjonalt med sonal GW potensiell energi, og den sonale effektivverdien av PW-amplituder, i stratosfæren og mesosfæren ved høye breddegrader. I motsetning er de anti-korrelert ved midtre breddegrader. Dessuten er ikke-orografiske bølger dominerende i stratosfæren ved høye breddegrader, særlig når PW-amplituder er store i samme område, forårsaket av en usedvanlig sterk polarvirvel. Studien viser at disse GWs sannsynligvis oppstår grunnet sterke vindskjær forårsaket av sterke PWs i nærheten av polarvirvelen. Ved midtre breddegrader er derimot orografiske GWs mer dominerende. Disse oppstår særlig når polarvirvelen er forskjøvet bort fra Nordpolen, og er noe svekket, med virvelkanten over orografi og med svake PWs i nærheten, noe som er i samsvar med observasjoner. Dessuten oppstår disse bølgene typisk når PW-vinder er vestlige i stratosfæren over orografi, noe som indikerer en filtrering av GWs ved PWs. Resultatene underbygger generelt tidligere funn, men den høyoppløselige modellen gir også ny innsikt i hvordan GWs oppstår og moduleres av PWs i stratosfæren på vinteren. Likevel er det usikkert om det er en regelmessig og systematisk korrelasjon mellom GWs og PWs dersom et lengre tidsintervall eller flere vintre ville blitt studert, og er derfor et mulig videre fokus.

The role of large-scale planetary waves (PWs) on the smaller-scaled gravity waves (GWs) in the stratosphere and mesosphere in the winter Northern Hemisphere, is studied using the high-resolution WACCM-X model. The purpose is to understand the complex nature of GWs and how PWs affect them. GWs are typically generated by winds over mountains (orographic GWs), or from shears or convection in the atmosphere (non-orographic GWs), and often propagate high into the mesosphere before breaking. This results in a GW drag on the high winds, a process crucial for the middle atmosphere dynamics. However, GWs remain a major source of error in the dynamics of models due to their small scales, interactions, and intermittency of sources. This affects the predictability of weather events with significant societal impacts. Moreover, the role of PWs in generating and propagating GWs is not fully understood. Therefore, using the high-resolution WACCM-X, this interaction is studied near the stratospheric polar vortex edge in the mid- and high-latitude stratosphere in a month-long Jan-Feb simulation of temperatures and winds. It is found that the zonal GW power, proportional to the zonal GW potential energy, is correlated with the zonal RMS PW amplitudes in the high-latitude middle atmosphere, and anti-correlated at mid-latitudes. Furthermore, non-orographic GWs dominate at high latitudes, in particular when large-amplitude PWs, generated by an excessively strong polar vortex, are present. These GWs are found to most likely be generated by strong wind shears caused by the strong PWs in the vicinity of the vortex edge. On the other hand, orographic GWs are dominant in the mid-latitudes. These waves occur when the polar vortex is displaced off the pole, in a weak state with moderate winds above significant orography, and weak PWs, consistent with recent observations. Also, orographic GWs typically appear when the stratospheric PW wind is eastward above the source orography, indicating the filtering of GWs by PWs in the stratosphere. The results generally support previous observations, but the high-resolution model run gives new insights into how GWs are generated and modulated by PWs in the winter stratosphere. However, whether there is a regularity and systematic correlation between GWs and PWs for a longer time than a month or several winters, is uncertain, and should therefore be studied further.