Original paper

Estimation of the low-latitude reflectivity of stationary waves in a GCM simulation

Ruosteenoja, Kimmo

Meteorologische Zeitschrift Vol. 13 No. 4 (2004), p. 297 - 310

published: Sep 2, 2004

DOI: 10.1127/0941-2948/2004/0013-0297

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ArtNo. ESP025011304004, Price: 29.00 €

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Abstract

Propagation of stationary waves induced by isolated orographic forcing in high latitudes was simulated in a long-term GCM run. The purpose of the study was to establish to what degree these waves are reflected from low latitudes. In this simulation, a broad unbroken belt of tropical easterlies prevents wave propagation into the southern hemisphere, and the waves are efficiently absorbed in low latitudes. The ratio of the northward to southward stationary wave activity flux can be estimated by studying the meridional distribution of the correlation between the stationary eddy horizontal velocity components. In middle latitudes of the northern hemisphere the ratio was 0.2 ± 0.04. A large proportion of the rather weak northward flux component is induced by low-latitude transient eddy forcing associated with the baroclinic instability of the flow, while reflection from the nonlinear critical layer (CL) seems to be small. This paper presents a method of partitioning the horizontal stationary wave activity flux into contributions due to various forcing functions. In the longitude belt where the mountain-induced wave train encounters the time-mean zero wind line, one can find indications of nonlinear wave breaking. In contrast to several previous simulations, wave breaking does not involve significant reflection. This may be explained by the existence of the Hadley circulation, which allows the zonal momentum balance to be maintained even under wave absorption. In the present GCM runs the reflectivity of the CL was found to be low; however, further GCM experiments are needed to assess whether this conclusion holds universally in the atmosphere.

Kurzfassung

Es wurde die Fortpflanzung stationärer Wellen, welche durch ein Gebirge in den nördlichen Breiten hervorgerufen wurden, untersucht. Hierzu wurden langfristige Modellläufe mit dem GCM durchgeführt. Es war beabsichtigt, zu erklären, wie stark solche Wellen von niedrigen Breitengraden reflektiert werden. In dem Modelllauf verhindert ein ununterbrochener tropischer Ostwindgürtel die Ausbreitung der Wellen auf die Südhemisphäre. Die Wellen werden in den niedrigen Breitengraden sehr stark absorbiert. Das Verhältnis des nach Norden und des nach Süden gerichteten Wellenaktivitätsflusses kann man mit Hilfe der Korrelation der mittleren u- und v-Strömungskomponenten abschätzen. Das Verhältnis der Nord- und der Südkomponenten des Flusses in den mittleren Breitengraden der nördlichen Hemisphäre betrug 0,20 ± 0,04. Ein Großteil des schwachen nach Norden ausgerichteten Flusses wird durch auf niedrigen Breitengraden vorkommenden instabil-baroklinen Störungen hervorgerufen, während die Reflektion an nicht-linearischen kritischen Schichten hingegen schwach ist. In dieser Untersuchung wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem man den horizontalen stationären Wellenaktivitäatsflusses in die verschiedenen Teile der einzelnen Antriebsfunktionen aufspalten kann. In dem Längengürtel, wo durch eine Gebirgsstörung hervorgerufener Wellenzug auf die Grenze des Ost-Westwindes trifft, kann man Zeichen von nicht-linearischem Brechen der Wellen feststellen. Anders als bei früheren Modellversuchen kann man keine Reflektion bei dem Brechen der Wellen feststellen. Dieses wird durch das Vorhandensein der Hadley-Zellen erklärt, welche das Gleichgewicht der Ost-West-Komponenten in der Bewegungsgleichung trotz Wellenabsorbtion ermöglicht. Somit sind die in diesen Modellversuchen auftretenden Reflektionen an den kritischen Schichten gering. Weitere Modellversuche sind notwendig um festzustellen, ob dieses Ergebnis auch generell auf die Atmosphäre zutrifft.