تحليل چرخه‌هاي نوسان تاوه قطبي در يك مدل آب كم‌عمق براي پوش‌سپهر با استفاده از فرايافت‌هاي شبه‌لاگرانژي

تحليل چرخه‌هاي نوسان تاوه قطبي در يك مدل آب كم‌عمق براي پوش‌سپهر با استفاده از فرايافت‌هاي شبه‌لاگرانژي

براي تحليل و بررسي چرخه‌هاي نوسان تاوه قطبي از داده‌هاي بلندمدت مدل آب كم‌عمق براي پوش‌سپهر استفاده شده است. اثر تركيبي واداشت‌هاي موجي و گرمايي عامل مولد چرخة نوسان تاوة قطبي در مدل آب كم‌عمق به‌كاررفته است. براي آشكارسازي نقش پوش‌سپهر در ايجاد تغييرپذيري، واداشت موجي مستقل از زمان به‌واسطة عامل كوهساري و واداشت تابشي نيز به‌صورت يك فرايند واهلش گرمايي در معادله پيوستگي جرم وارد شده است. در الگوريتم‌هاي عددي مورد استفاده، معادلات آب كم‌عمق در نمايش ("تاوايي پتانسيلي" يا PV كوتاه شدة ‌Potential Vorticity، واگرايي سرعت، واگرايي شتاب) با استفاده از تعميم روش فرابرد پربندي نيم‌‌لاگرانژي به معادلات دَررو و نيز روش نيم‌‌لاگرانژي محض در تفكيك‌هاي فضايي متوسط تا زياد حل مي‌شوند. استفاده از الگوريتم‌هاي عددي متفاوت در مدل آب كم‌عمق براي پوش‌سپهر ما را قادر به آشكارسازي درجة حساسيت عددي و خواص چرخه‌هاي نوسان با دقت بيشتر نسبت به تحقيقات قبلي مي‌سازد. معادلات واگرايي سرعت و واگرايي شتاب با استفاده از تبديل طيفي در راستاي طول جغرافيايي ? و تفاضل متناهي فشرده مرتبه چهارم در راستاي عرض جغرافيايي ? حل مي‌شوند.‌ تفكيك فضايي را به‌صورت M ? N نشان مي‌دهيم كه در اينجا M و N تعداد نقاط شبكه به‌ترتيب در راستاي نصف‌النهاري و مداري هستند. نتايج براي الگوريتم "نيم‌‌لاگرانژي" با نماد SL كوته‌نوشت Semi?Lagrangian با تفكيك‌هاي فضايي 256? 256، 512 ? 512 و 1024 ? 1024 عرضه و با نتايج حاصل از كاربست الگوريتم "دَرروي فرابرد پربندي نيم‌‌لاگرانژي" با نماد DCASL كوته‌نوشت Diabatic Contour?Advective Semi?Lagrangian با تفكيك‌ فضايي 256 ? 256 مقايسه مي‌شوند. نتايج حاصل از كاربست الگوريتم DCASL با تفكيك‌ فضايي 256 ? 256 قابل مقايسه با نتايج حاصل از كاربست الگوريتم SL با تفكيك‌ فضايي بسيار بيشتر 1024 ? 1024 است، كه نشان از برتري الگوريتم DCASL بر الگوريتم SL دارد. تفاوت آشكاري در توپولوژي حالت شبه‌تعادلي ميان جواب‌هاي اين دو الگوريتم‌ ديده مي‌شود. در شبيه‌سازي‌هاي بلندمدت با استفاده از الگوريتم DCASL، يك تاوة قوي به وجود مي‌آيد درحالي‌كه براي الگوريتم SL بسته تفكيك يك تاوة پخشيده ايجاد مي‌شود. در پژوهش حاضر تمركز بر يك ديدگاه لاگرانژي به تحول تاوة قطبي بر مبناي رفتار فرايافت‌هاي شبه‌لاگرانژي شامل عرض جغرافيايي هم‌ارز، جرم محصور در پربندهاي PV و جملات معادلة گرايش جرم است. فرايافت‌هاي شبه‌لاگرانژي براساس ميدان PV محاسبه شده‌اند. تحول زماني جرم محصور در پربندهاي PV به فرايندهاي ناپايستاري مانند گرمايش دَررو، اصطكاك و درهم‌آميزي كوچك‌‌مقياس برگشت‌ناپذير ارتباط دارد. به‌طورِمعمول، افزايش (كاهش) جرم تاوة قطبي حاصل عمل شار جرم دَررو (اتلافي) است. نتايج ما تمايز آشكاري با نتايج رونگ و واف (2004) نشان مي‌دهد. در مدل آب كم‌عمق آنها كه از الگوريتم تبديل طيفي با تفكيك T42 براي حل معادلات آب كم‌عمق در نمايش (تاوايي، واگرايي، جرم) استفاده شده، اتلاف با ميرايي صريح تاوايي به‌كمك فراپخش ايجاد مي‌شود. در نتايج ما به‌‌ غير از اولين نوسان با دامنة بزرگ، هيچ علامت واضحي در اختلاف فاز بين شارهاي جرم دَررو و اتلافي در عرض لبة تاوة قطبي وجود ندارد. شايان ذكر است كه رونگ و واف، جابه‌جايي فاز بين شارهاي جرم دَررو و اتلافي در عرض لبة تاوة قطبي را به‌عنوان سازوكار اصلي براي ايجاد چرخه‌هاي نوسان تاوة قطبي پيشنهاد كردند. نتايج ما نشانگر فقدان جابه‌جايي فاز و وقوع گاه‌به‌گاه (intermittent) نوسان‌هاي ميرا است. بنابر اين سازوكار حاكم بر ايجاد نوسان تاوة قطبي، افت‌‌و‌خيز ذاتي شارهاي جرم دَررو و اتلافي است. فرايافت‌ها و آزمايش‌هاي عددي بيشتري براي ارزيابي اين سازوكار مورد نيازند.

Polar vortex oscillations are investigated using the long?term run of the potential-vorticity-based shallow water (SW) models for the stratosphere. In the SW models examined here, the combined effects of mechanical forcing, thermal forcing, and dissipation are the factors that can cause polar vortex oscillation. The mechanical forcing is provided by a time-independent topography, mimicking tropospheric excitation of the stratosphere. The thermal forcing is provided by a linear relaxation of the mass field to a time-independent equilibrium state mimicking the radiative relaxation taking place in the stratosphere. The SW equations in the potential vorticity (PV), velocity divergence and acceleration divergence representation are solved for a range of resolutions using the "diabatic contour-advective semi-Lagrangian" (DCASL) algorithm and a standard pure semi-Lagrangian (SL) algorithm. Using vastly different numerical algorithms makes it possible to uncover the degree of numerical sensitivity and the properties of the zonal vacillations with much greater accuracy than previous studies based on the SW model of the stratosphere. The equations for velocity and acceleration divergence are solved using spectral transform in longitude and compact fourth-order finite differencing in latitude. The spatial resolution is indicated by M I N, M and N being the number of grid points in the longitudinal and latitudinal directions, respectively. The results for the pure SL algorithm with spatial resolutions of 256 I 256, 512 I 512, and 1024 I 1024 are presented and compared with the corresponding results for the DCASL algorithm with a spatial resolution of 256 I 256. The results for the quasi-Lagrangian diagnostics indicate the superiority of the DCASL algorithm, since it can give results in 256 I 256 resolution comparable with those of the SL in the vastly more expensive 1024 I 1024 resolution. This accuracy occurs despite a clear difference in the topology of the quasi-equilibrium state to which the long-term solutions tend to approach, a strong vortex for DCASL as opposed to a diffuse vortex for the SL, indicating the possibility of multiple equilibrium solutions depending on the degree of diffusion. The present research focuses on a Lagrangian viewpoint to the evolution of the polar vortex by looking at the behavior of the quasi-Lagrangian diagnostics of the equivalent latitude, the mass enclosed by PV contours and the terms involved in its time evolution. The PV field forms the basis for calculating the quasi-Lagrangian diagnostics. The time evolution of the mass enclosed by PV contour is associated with nonconservative processes such as diabatic heating, friction, and irreversible small-scale mixing. Generally, the mass of the polar vortex increases (decreases) due to the action of diabatic (dissipative) mass flux. The results of this study are in contrast with the results reported at T42 resolution by Rong and Waugh in 2004, where the spectral transform algorithm was used to solve the SW equations in vorticity, divergence, and mass representation, wherein dissipation was produced by explicitly damping vorticity using hyperdiffusion. Except for the first large-amplitude oscillation, there is no sign of a clear, systematic phase shift between the dissipative and diabatic mass fluxes across the edge of the polar vortex, though such a shift is proposed by Rong and Waugh as the main mechanism responsible for the vacillations. Concomitant with the absence of the phase shift, the oscillations tend to be decaying and occur rather intermittently. Rather than the phase shift, the inherent fluctuations in both the diabatic and dissipative mass fluxes across the edge of the polar vortex seem to play the dominant role in generating the vacillations. Further diagnostics and numerical experiments are needed to assess the latter mechanism.