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Thesis

Convectively generated gravity waves and convective aggregation in numerical models of tropical dynamics

MPS-Authors
/persons/resource/persons198625

Müller,  Sebastian
IMPRS on Earth System Modelling, MPI for Meteorology, Max Planck Society;
Minerva Research Group Stratosphere and Climate, The Atmosphere in the Earth System, MPI for Meteorology, Max Planck Society;

Locator
There are no locators available
Fulltext (public)

BzE_214_Sebastian_Mueller.pdf
(Publisher version), 20MB

Supplementary Material (public)
There is no public supplementary material available
Citation

Müller, S. (2019). Convectively generated gravity waves and convective aggregation in numerical models of tropical dynamics. PhD Thesis, Universität Hamburg, Hamburg. doi:10.17617/2.3025587.


Cite as: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0002-EC6E-A
Abstract
In this dissertation I investigate two phenomena, which both arise from atmospheric moist convection: on the one hand, the gravity waves emanated from convection and on the other hand convective aggregation. Convectively generated gravity waves are investigated on novel spatial and temporal scales. We use numerical models that display the transition of global climate modeling from coarse grids, at which convection and gravity waves are parameterized, towards finer resolutions, where both are treated explicitly. Gravity waves generated by deep, tropical convection are examined by means of spectral analysis. We make use of the models’ different setups to discuss the impacts of spatial resolution, the treatment of moist convection and the complexity of boundary conditions, on convectively generated gravity waves. We find that in the stratosphere substantially more gravity wave momentum flux is resolved by models with fine horizontal grid spacing, as the spectral slope is almost flat in zonal wavenumber space (∼ k−1), until scales at which numerical diffusion sets in. However we also find that, when a well-organized tropical storm system of large scale, is simulated with convection permitting resolution, the gravity wave variance may be enhanced at scales up to 250 km and the spectral slope may be even flatter. We find an explanation for this in the representation of dynamical overshooting of convective updrafts that is expected to mechanically generate gravity waves. Further we find that a parameterization of convection drastically reduces gravity wave momentum flux associated with tropical convection, as deep modes of latent heating and gravity waves are underestimated. Thus its application is expected to have consequences for wave mean-flow interaction in the middle atmosphere and so an additional parameter- ization of gravity wave drag is required. Spectra in zonal wavenumber, vertical wavenumber and frequency space reveal the uni- versal properties of the gravity wave spectrum in the middle atmosphere. These are successfully reproduced in realistic simulations of tropical dynamics. Convective aggregation is studied in novel boundary conditions. We use a convection permitting model of radiative convective equilibrium on a spherical domain and impose sea surface temperature (SST) profiles that are characterized by a meridional gradient and zonal symmetry. With this experimental design we allow for convective aggregation to occur both as a result of the forcing through the SST gradient as well as through convective self-aggregation. We study the sensitivity of the convective evolution and aggregation to the steepness of the SST gradient: we find that the steeper the gradient the more stable is the convergence line, that manifests in convection along the model’s equator, where SSTs peak, and the longer it takes for zonal self-aggregation to occur. However, as soon as the convergence line breaks and a strong enough zonal circulation develops, zonal self-aggregation occurs. The cloud cluster then contracts rapidly and this process occurs equally rapid for the differently steep SST gradients studied. The emerging cloud clusters are zonally elongated and in that property they are different to the radially symmetric cloud clusters seen in traditional RCE studies of self-aggregation. By this asymmetry these cloud clusters force a more complex circulation pattern, by which the environment is affected. The shallow circulation is found to export moisture from the cloud cluster to the originally dry polar regions. By that a shortcoming of traditional RCE studies, too dry non-convecting regions, is overcome. We find that the shallow moist outflow only occurs in the meridional dimension, at the elongated side of the cluster, above cool SSTs. The zonal low-level inflow at the equator is deeper and shows no shallow outflow. Eventually here the moisture that was exported is recycled into the cluster, as the meridional flow crosses the pole and reaches back to the equator. As of this we draw analogies to atmospheric rivers.
In der vorliegenden Dissertation erforsche ich zwei Phänomene, die beide ihren Ursprung in feuchter atmosphärischer Konvektion haben: einerseits, Schwerewellen, die durch Kon- vektion erzeugt werden, und andererseits, konvektive Aggregation. Konvektiv generierte Schwerewellen werden auf neuartigen räumlichen und zeitlichen Skalen erforscht. Wir verwenden numerische Modelle die den ¨ Ubergang globaler Kli- mamodelle von groben Gittern, für welche Konvektion und Schwerewellen parameterisiert werden, hin zu feinen Gittern, bei denen beide Prozesse expizit dargestellt werden, abbil- den. Ich untersuche die von tiefer, tropischer Konvektion ausgelöste Schwerewellen mit Analysen im spektralen Raum. Wir nutzen die spezifischen Unterschiede der Modelle um die Auswirkungen von räumlicher Auflösung, der Darstellung von feuchter Konvek- tion und der Komplexität von Randbedingung auf konvektiv generierte Schwerewellen zu untersuchen. Wir zeigen, dass in der Stratosphäre substanziell mehr Schwerewellen-Impulsfluss von Modellen mit feinem Gitterabstand aufgelöst wird, weil die Steigung im horizontalen Wellenzahl-Raum gering ist (∼ k−1), bis hin zu Skalen bei denen die numerische Diffusion einsetzt. Zudem beobachten wir dass, wenn ein stark organisiertes, groß-skaliges tropisches Sturmsystem auf einem Konvektion auflösenden Gitter simuliert wird, Schwerewellen mit Skalen bis 250 km verstaärkt auftreten und die Steigung sogar noch flacher sein kann. Eine Erklärung dafür finden wir in der ermöglichten Darstellung von ¨ uberschießenden Wolkenobergrenzen, womit die mechanische Auslösung von Schwerewellen zu erwarten ist. Im weiteren zeigt sich, dass die Verwendung einer Parametrisierung von Konvektion den Schwerewellen-Impulsfluss stark reduziert, da tiefe Moden von latenter Wärme unter- repräsentiert und damit tiefe Moden von Schwerewellen fehlen. Deswegen muss erwartet werden, dass ihre Anwendung Auswirkungen auf die Wechselwirkung von Wellen und Zirkulation hat und somit ist dann eine zusätzliche Parametrisierung von Schwerewellen notwendig. In Spektren im horizontalen und vertikalen Wellenzahl-Raum, und im Frequenz-Raum, zeigen sich die universellen Eigenschaften des Schwerwellenspektrums der mittleren Atmosphäre. Diese werden in den untersuchten Modellen, die Konvektion explizit darstellen, erfüllt. Konvektive Aggregation erforsche ich in neuartigen Randbedingungen. Ich verwende ein Konvektion auflösendes Modell in Strahlungs-Konvektions-Gleichgewicht (RCE) auf einem sphärischen Gitter und untersuchen verschiedene Profile von Meeresoberflächentemperaturen (SSTs), die durch einen meridionalen Gradienten und zonale Symmetrie auszeichnen. Mit diesem experimentellen Aufbau erlauben wir, dass konvektive Aggregation sowohl als Folge des SST-Gradienten also auch durch Selbstaggregation, auftritt. Wir untersuchen die Sensitivität der konvektiven Entwicklung und Aggregation hin- sichtlich der Steigung des SST-Gradienten: wir zeigen dass ein stärkerer Gradient eine stabilere Konvergenzlinie bewirkt, die sich in Konvektion entlang des quators, wo SSTs maximal sind, manifestiert. Sobald jedoch die Konvergenzlinie aufbricht und eine ausrei- chend starke zonale Zirkulation sich entwickelt, setzt konvektive Selbt-Aggregation ein. Das System konvektiver Wolken zieht sich dabei rasch zusammen und wir beobachten, dass dieser Prozesse gleich schnell für unterschiedliche starke SST-Gradienten abläuft. Die sich entwickelnde Anhäufung konvektiver Wolken ist verlängert in ihrer zonalen Ausdehnung und unterscheidet sich darin von radial symmetrischen Wolkenanh¨aufungen, wie sie in traditionallen Konvektion auflösenden RCE Studien von Selbst-Aggregation auftreten. Durch ihre Asymmetrie erzeugen die Wolkenanhäufungen eine komplexe Zirku- lation, durch welche die großskalige Umgebung beeinflusst wird. Wir zeigen, dass die flache Teil der Zirkulation Feuchtigkeit aus dem Wolkensystem exportiert und in ursprünglich trockene, polare Regionen transportiert. Dadurch wird ein Manko traditioneller RCE Studien von Selbst-Aggregation, die zu trockenen wolkenfreien Regionen, überwunden. Wir zeigen, dass die feuchte Ausströmung ausschließlich in der meridionalen Dimension, entlang der verlängerten Seite der Wolkenanhäufung auftritt, und über kühleren SSTs, auftritt. Die zonale Anströmung ist tiefer und es tritt keine feuchte Ausströmung auf. Schließlich wird hier die exportierte Feuchtigkeit zurück in die Wolkenanhäufung geführt, da die meridionale Zirkulation die Pole umspannt und die äquatorialen Regionen wieder erreicht. Im weiteren diskutieren wir Analogien dieser Strömung zu Atmosphärischen Flüssen.