Cumulus momentum fluxes in cloud-resolving model simulations of toga-coare

Abstract

O objectivo deste trabalho científico é o estudo do transporte vertical de momento linear horizontal (CMT) realizado por sistemas de nuvens de convecção profunda sobre o oceano tropical. Para realizar este estudo, foram utilizadas simulações tridimensionais produzidas por um modelo explícito de nuvens (CRM) para os quatro meses de duração da campanha observacional TOGA COARE que ocorreu sobre as águas quentes do Pacífico ocidental. O estudo foca essencialmente as características estatísticas e à escala da nuvem do CMT durante um episódio de fortes ventos de oeste e durante um período de tempo maior que incluí este evento de convecção profunda. As distribuições verticais e altitude-temporais de campos atmosféricos relacionados com o CMT são avaliadas relativamente aos campos observacionais disponíveis, mostrando um bom acordo com os resultados de estudos anteriores, confirmando assim a boa qualidade das primeiras e fornecendo a confiança necessária para continuar a investigação. A sensibilidade do CMT em relação do domínio espacial do model é analisada, utilizando dois tipos de simulações tridimensionais produzidas por domínios horizontais de diferente dimensão, sugerindo que o CMT não depende da dimensão do domínio espacial horizontal escolhido para simular esta variável. A capacidade da parameterização do comprimento de mistura simular o CMT é testada, destacando as regiões troposféricas onde os fluxos de momento linear horizontal são no sentido do gradiente ou contra o gradiente. Os fluxos no sentido do gradiente apresentam-se relacionados a uma fraca correlação entre os campos atmosféricos que caracterizam esta parameterização, sugerindo que as formulações dos fluxos de massa dentro da nuvem e o fenómeno de arrastamento do ar para dentro da nuvem devem ser revistos. A importância do ar saturado e não saturado para o CMT é estudada com o objectivo de alcançar um melhor entendimento acerca dos mecanismos físicos responsáveis pelo CMT. O ar não saturado e saturado na forma de correntes descendentes contribuem de forma determinante para o CMT e deverão ser considerados em futuras parameterizações do CMT e da convecção em nuvens cumulus. Métodos de agrupamento foram aplicados às contribuições do ar saturado e não saturado, analisando os campos da força de flutuação e da velocidade vertical da partícula de ar, concluindo-se a presença de ondas gravíticas internas como mecanismo responsável pelo ar não saturado. A força do gradiente de pressão dentro da nuvem é também avaliada, utilizando para este efeito a fórmula teórica proposta por Gregory et al. (1997). Uma boa correlação entre esta força e o produto entre efeito de cisalhamento do vento e a perturbação da velocidade vertical é registada, principalmente para as correntes ascendentes dentro da nuvem durante o episódio de convecção profunda. No entanto, o valor ideal para o coeficiente empírico c*, que caracteriza a influência da força do gradiente de pressão dentro da nuvem sobre a variação vertical da velocidade horizontal dentro da nuvem, não é satisfatoriamente alcançado. Bons resultados são alcançados através do teste feito à aproximação do fluxo de massa proposta por Kershaw e Gregory (1997) para o cálculo do CMT total, revelando mais uma vez a importância do ar não saturado para o CMT.

The aim of the proposed research is the investigation of vertical cumulus momentum transport (CMT) in tropical oceanic deep convective cloud systems. Our approach is to use a unique four month three-dimensional cloud resolving model (CRM) simulations of TOGA COARE - a major field experiment over the warm waters of the west Pacific. Emphasis is given to the study of cumulus-scale characteristics of convective momentum transport during the December westerly wind burst and a longer time interval encompassing this specific deep convective event. The analysis of vertical and time-height distributions are evaluated against observations confirming the good quality and reliability of CRM simulations. Good agreement with previous studies is found. The CMT sensitivity to spatial domain size is analyzed using two data sets produced by different horizontal domain sizes, suggesting a nondependency of this field upon the dimension of model spatial domain. The skill of the downgradient mixing-length parameterization is tested, highlighting the tropospheric regions where the momentum fluxes are downgradient and where they are upgradient. The upgradient transports are linked to an unexpected poor correlation between the fields involved in this parameterization, suggesting that formulations of updraft cloud mass flux and entrainment should be revisited. The role of saturated and unsaturated drafts on CMT is investigated in an attempt to reach a better understanding of their underlying physical mechanisms. The unsaturated air via downdrafts, and the saturated downdrafts have an important contribution to CMT, and they must be considered in future CMT and cumulus convection parameterizations. Binning methods are applied to these saturated and unsaturated contributions, through the analysis of buoyancy force and vertical velocity fields, suggesting the presence of internal gravity waves driving the unsaturated air. The cloud pressure-gradient force is also evaluated using the theoretical formula proposed by Gregory et al. (1997), exhibiting a strong correlation to the product mean vertical shear by vertical velocity perturbation, especially in cumulus updrafts during the strong convective event. However, an optimal value for the empirical coefficient c*, which characterizes the role of the cloud pressure-gradient force on the vertical variation of cloud horizontal velocity, is not satisfactorily achieved. Good results are accomplished by Kershaw and Gregory (1997) proposed mass flux approximation to total CMT, which has a fairly good performance in parameterization the total CMT and in identifying the regions of greater variability. Testing this particular approach revealed once again the important role of unsaturated air to the total CMT, which must be considered in future CMT and deep cumulus convection parameterizations.