Hocking WK, Watanabe S, Klaassen G. · 2026

Incorporation of Small- to Mid-Scale Turbulence and Diffusion into Large-Scale Atmospheric Models

Resumo em português

Devido à grande amplitude dinâmica de escalas entre a turbulência tridimensional e a circulação global, os efeitos da turbulência em pequena escala, e de fato da turbulência em muitas escalas, frequentemente precisam ser parametrizados de alguma forma para entrada em modelos computacionais globais de grande escala. Idealmente, seria desejável dispor de um programa de computador grande e poderoso o suficiente para resolver todos os movimentos em todas as escalas simultaneamente, mas este objetivo ainda está longe de ser alcançado. No entanto, se implementada de forma inadequada, a parametrização pode levar a erros que se propagam por todo o modelo. Embora a turbulência seja frequentemente considerada um "depósito" para movimentos de maior escala, aqui examinamos na direção oposta, investigando como esses movimentos menores influenciam os fluxos em maior escala. A natureza do arrasto de fundo e das forças difusivas é revisada no contexto do impacto nos movimentos de maior escala, e as formas como essas forças são implementadas nos modelos são discutidas. É destacada a falta de uso de dados medidos (distintos de hipotéticos) sobre turbulência em pequena escala. Também é ressaltado que a difusão vertical é conceitualmente mais importante para o acoplamento atmosférico do que a difusão horizontal, e a chamada "turbulência bidimensional (2-D)", às vezes discutida em relação à mistura atmosférica, é menos capaz de mistura vertical porque os movimentos verticais organizados associados são geralmente fracos. Evidências muito fortes do Global Atmospheric Sampling Program (GASP) para uma região espectral dominante de ondas gravitacionais em escalas horizontais de 200 a 1000 km, em altitudes tão baixas quanto a tropopausa, são apresentadas. São apresentados erros na interpretação de análises anteriores amplamente citadas desses dados (muitas vezes incorretamente referidas como evidência para turbulência 2-D), que têm impacto profundo nas crenças anteriores sobre os papéis relativos das ondas gravitacionais e da turbulência nominalmente 2-D. Processos difusivos não kolmogorovianos que contribuem para arrasto, difusão e mistura, mas que raramente foram empregados de forma prática, são considerados, incluindo o impacto da intermitência, saturação de ondas, "whitecaps" e difusão de Stokes. Quando esses processos são incluídos, os coeficientes de difusão realistas típicos parecem ser 2 a 3 vezes maiores do que os previstos pela Atmosfera de Referência Internacional Cospar. Finalmente, é feita uma comparação entre as difusividades usando o Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM6) do National Center for Atmospheric Research nos EUA e o Japanese Atmospheric GCM for Upper Atmosphere Research (JAGUAR), que empregam estratégias muito diferentes.

Resumo original em inglês

Because of the large dynamic range of scales between 3-D turbulence and global circulation, the effects of small scale turbulence, and indeed turbulence at many scales, often need to be parameterized in some way for input into large global-scale computer models. Ideally, it would be good to have a computer program large enough, and powerful enough, to solve all motions at all scales simultaneously, but this objective is still far from possible. Yet if implemented poorly, parameterization can lead to errors which can propagate through the model. While turbulence is often considered as a “wastebasket” for larger scale motions, here we look in the other direction, and examine how these smaller scale motions work back to affect the larger-scale flows. The nature of background drag and diffusive forces is reviewed in the context of impact on larger scale motions, and the ways that these forces are implemented in models is discussed. The lack of use of measured (as distinct from hypothetical) small-scale turbulence data is noted. It is also noted that vertical diffusion is conceptually more important for atmospheric coupling than horizontal diffusion, and so-called “two-dimensional (2-D) turbulence”, sometimes discussed in regard to atmospheric mixing, is less capable of vertical mixing because associated organized vertical motions are generally weak. Very strong evidence from the Global Atmospheric Sampling Program (GASP) for a dominant gravity-wave spectral region at horizontal scales of 200-1000 km, as low in altitude as the tropopause, is presented. Errors in interpretation of earlier well-cited analyses of these data (often incorrectly cited as evidence for 2-D turbulence) are presented, which have profound impact on previous beliefs about the relative roles of gravity waves and nominally 2-D turbulence. Non- Kolmogorov diffusive processes which contribute to drag, diffusion and mixing, but that have rarely been practically employed, are considered, including the impact of intermittency, wave saturation, “whitecaps” and Stokes Diffusion. When these processes are included, typical realistic diffusion coefficients seem to be 2-3 × higher than those predicted by the Cospar International Reference Atmosphere. Finally a comparison between diffusivities using the Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM6) at the National Center for Atmospheric Research in the USA, and the Japanese Atmospheric GCM for Upper Atmosphere Research (JAGUAR), using very different strategies, is undertaken.