ICTP-METU (Summer) School on Ocean Climate Modeling: - - PowerPoint PPT Presentation

ICTP-­‑METU ¡(Summer) ¡School ¡on ¡Ocean ¡Climate ¡ Modeling: ¡Physical ¡and ¡Biogeochemical ¡Dynamics ¡of ¡ Semi-­‑Enclosed ¡Seas ¡

Four ¡main ¡themes ¡of ¡the ¡school ¡are: ¡ ¡ ¡

• Coastal ¡and ¡regional ¡modeling: ¡numerical ¡and ¡physical ¡ ¡

aspects ¡

• Transport, ¡mixing ¡and ¡turbulence: ¡from ¡mixing ¡in ¡straits ¡

to ¡upwelling ¡systems ¡

• Biogeochemical ¡and ¡ecological ¡modeling ¡in ¡semi-­‑

enclosed ¡seas ¡and ¡coastal ¡areas ¡ ¡ ¡

• ApplicaIons: ¡coastal ¡forecasIng ¡and ¡operaIonal ¡
• ceanography ¡

From ¡Global ¡to ¡Regional ¡Modeling ¡

Gokhan ¡Danabasoglu ¡

NaIonal ¡Center ¡for ¡Atmospheric ¡Research ¡ Boulder, ¡Colorado, ¡USA ¡

Outline ¡

• Ocean ¡modeling ¡challenges, ¡focusing ¡on ¡global ¡applicaIons ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Space ¡and ¡Ime ¡scales ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡A ¡typical ¡global ¡model ¡grid ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Unresolved ¡physics ¡and ¡parameterizaIons ¡

• Need ¡for ¡regional ¡models ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡Regional ¡modeling ¡examples ¡

• A ¡parameterizaIon ¡for ¡gravity ¡current ¡overflows ¡

FAST ¡

O(100-­‑1000 ¡years/ day) ¡

WORKHORSE ¡(CLIMATE) ¡

O(10-­‑100 ¡years/day) ¡

HI-­‑RES ¡

O(<<10 ¡years/day) ¡

Ocean ¡Modeling ¡Challenges ¡

Space ¡– ¡Time ¡Scales ¡and ¡Global ¡Ocean ¡Models ¡

Downscaling ¡

Scaling ¡argument ¡for ¡deep ¡adjustment ¡Ime: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡H2/κ ¡ ¡= ¡(2000 ¡m)2 ¡ ¡/ ¡(2 ¡x ¡10-­‑5 ¡m2/s) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡O ¡(>5,000 ¡years) ¡ Bo_om ¡line ¡for ¡global ¡climate ¡

¡

• Performing ¡long ¡(climate ¡scale) ¡simulaIons ¡at ¡eddy-­‑

resolving ¡/ ¡permi`ng ¡resoluIon ¡are ¡not ¡pracIcal ¡

• Must ¡live ¡with ¡deep ¡ocean ¡not ¡being ¡at ¡equilibrium ¡in ¡

most ¡simulaIons ¡ EquilibraIon ¡Timescale ¡

Ocean ¡Modeling ¡Challenges ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Sea ¡Surface ¡Temperature ¡(SST) ¡

Surface ¡Chlorophyll ¡

Ma_ ¡Long ¡(NCAR) ¡

Ocean ¡Modeling ¡Challenges ¡

Community ¡Earth ¡System ¡Model ¡(CESM) ¡Ocean ¡Component ¡ Parallel ¡Ocean ¡Program ¡(POP) ¡ ¡

Climate workhorse: nominal 1° Equatorial ¡refinement ¡ (0.3°) ¡

An ¡Example ¡of ¡Global ¡Model ¡Grid ¡

Displaced ¡Pole ¡ Grid ¡

VerIcal ¡Grid ¡

T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ U ¡ U ¡ U ¡ U ¡ U ¡ U ¡ Land ¡ Land ¡ Top ¡ ¡View ¡ ¡i,j ¡ N ¡ E ¡

B-­‑grid ¡ T=tracer ¡grid, ¡U=velocity ¡grid ¡

Model ¡Grid ¡Example ¡

B-­‑grid ¡ T=tracer ¡grid, ¡U=velocity ¡grid ¡

T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ U ¡ U ¡ U ¡ U ¡ U ¡ U ¡ Ocean ¡bo_om ¡ Side ¡ ¡View ¡ z ¡ U ¡ U ¡ U ¡ U ¡ w ¡ w ¡ w ¡ w ¡ w ¡ w ¡ w ¡ w ¡ w ¡ U ¡ Ocean ¡bo_om ¡

Model ¡Grid ¡Example ¡

ParameterizaIons ¡of ¡Unresolved ¡(Subgrid ¡Scale) ¡ Processes ¡

• Lateral ¡mixing ¡of ¡momentum ¡and ¡tracers ¡by ¡mesoscale ¡and ¡

submesoscale ¡eddies ¡

• VerIcal ¡mixing ¡of ¡momentum ¡and ¡tracers ¡(surface ¡and ¡bo_om ¡

boundary ¡layers, ¡interior) ¡

• Tidally-­‑driven ¡mixing ¡
• ConvecIon ¡
• Gravity ¡current ¡overflows ¡
• Diurnal ¡cycle ¡for ¡short-­‑wave ¡(solar) ¡heat ¡flux ¡and ¡penetraIon ¡
• Langmuir ¡mixing ¡
• Near-­‑inerIal ¡wave ¡mixing ¡
• … ¡

ParameterizaIons ¡of ¡Unresolved ¡(Subgrid ¡Scale) ¡ Processes ¡

• Accomplish ¡physical ¡effects ¡of ¡unresolved ¡processes ¡ ¡
• Physically-­‑based ¡and ¡jusIfied ¡
• As ¡simple ¡as ¡possible ¡
• As ¡few ¡parameters ¡as ¡possible ¡

RepresentaIon ¡of ¡Surface ¡Temperature, ¡Surface ¡Salinity, ¡ and ¡Barotropic ¡Transports ¡in ¡Global ¡Climate ¡Models ¡

Model ¡Biases ¡

SST ¡ SSS ¡

• C ¡

psu ¡

Treatment ¡of ¡Marginal ¡Seas ¡in ¡Global ¡Models: ¡ ¡ An ¡Example ¡from ¡CESM ¡

Unlike ¡the ¡surface ¡heat ¡flux ¡and ¡sea ¡surface ¡temperature, ¡there ¡are ¡no ¡ appreciable ¡feedbacks ¡between ¡the ¡surface ¡freshwater ¡flux ¡and ¡salinity. ¡This ¡ is ¡parIcularly ¡so ¡in ¡isolated ¡marginal ¡sea ¡regions ¡where ¡the ¡freshwater ¡fluxes ¡ can ¡produce ¡unphysical ¡salinity ¡values ¡throughout ¡the ¡water ¡column. ¡The ¡ situaIon ¡can ¡be ¡especially ¡severe ¡in ¡coupled ¡integraIons ¡when ¡the ¡marginal ¡ sea ¡regions ¡receive ¡river ¡runoff ¡fluxes. ¡ ¡ ¡ In ¡CESM, ¡the ¡amount ¡of ¡excess ¡or ¡deficit ¡of ¡freshwater ¡flux ¡over ¡a ¡marginal ¡ sea ¡is ¡transported ¡to ¡or ¡from ¡its ¡associated ¡acIve-­‑ocean ¡region, ¡thus ¡implicitly ¡ connecIng ¡marginal ¡seas ¡with ¡acIve ¡ocean ¡and ¡providing ¡a ¡means ¡for ¡ marginal ¡sea ¡runoff ¡to ¡eventually ¡discharge ¡into ¡the ¡open ¡ocean. ¡ ¡ ¡ This ¡process ¡assures ¡that ¡the ¡volume-­‑mean ¡salinity ¡stays ¡constant ¡throughout ¡ the ¡integraIon ¡within ¡each ¡marginal ¡sea, ¡eliminaIng ¡any ¡unphysical ¡values ¡in ¡

• salinity. ¡ ¡

Why ¡do ¡we ¡need ¡regional ¡models? ¡

• For ¡numerous ¡societal ¡and ¡science ¡applicaIons ¡and ¡problems, ¡there ¡is ¡a ¡

need ¡for ¡reliable ¡regional ¡informaIon ¡at ¡high ¡spaIal ¡resoluIon, ¡e.g., ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡climate ¡variability ¡and ¡predicIon ¡(e.g., ¡sea ¡level ¡changes, ¡extreme ¡ events) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡coastal ¡processes ¡and ¡ecosystems, ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡estuaries, ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡marginal ¡seas, ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡… ¡ ¡ ¡

• Such ¡informaIon ¡is ¡parIcularly ¡relevant ¡for ¡impacts ¡and ¡adapIon ¡purposes ¡
• Thinking ¡that ¡various ¡processes ¡are ¡be_er ¡represented ¡at ¡high ¡resoluIon ¡

and ¡faster ¡equilibraIon ¡Imes ¡

• Current ¡global ¡modeling ¡capabiliIes ¡are ¡simply ¡inadequate ¡to ¡provide ¡such ¡

informaIon ¡ ¡

• Help ¡with ¡bias ¡reducIons ¡ ¡

Impacts ¡of ¡Coastal ¡Warm ¡/ ¡Upwelling ¡Biases ¡

Large ¡& ¡Danabasoglu ¡(2006, ¡J. ¡Climate) ¡

mg ¡m-­‑2 ¡s-­‑1 ¡

• C ¡

psu ¡

Regional ¡Modeling ¡Approaches ¡

• High ¡resoluIon ¡global ¡models ¡(computaIonal ¡resources ¡

and ¡data ¡management) ¡

• Dynamic ¡or ¡staIc ¡grid ¡refinement ¡in ¡global ¡models ¡
• Imbedded ¡high ¡resoluIon ¡regional ¡models ¡within ¡a ¡

coarser ¡resoluIon ¡global ¡or ¡regional ¡model ¡

• Stand-­‑alone ¡regional ¡models ¡with ¡open ¡boundary ¡

condiIons ¡

StaIc ¡Grid ¡Refinement ¡ ¡ Model ¡for ¡PredicIon ¡Across ¡Scales ¡– ¡Ocean ¡(MPAS-­‑O) ¡

• Unstructured ¡grid ¡approach ¡to ¡climate ¡system ¡modeling. ¡
• Supports ¡both ¡quasi-­‑uniform ¡and ¡variable ¡resoluIon ¡meshes, ¡using ¡

quadrilaterals, ¡triangles. ¡

• PotenIal ¡to ¡explore ¡regional-­‑scale ¡features ¡within ¡the ¡global ¡climate ¡
• system. ¡

Todd ¡Ringler ¡et ¡al. ¡(LANL; ¡2013, ¡Ocean ¡Modelling) ¡

StaIc ¡Grid ¡Refinement ¡ ¡ Model ¡for ¡PredicIon ¡Across ¡Scales ¡– ¡Ocean ¡(MPAS-­‑O) ¡

Todd ¡Ringler ¡et ¡al. ¡(LANL; ¡2013, ¡Ocean ¡Modelling) ¡

Sea ¡surface ¡ height ¡(m) ¡

POP ¡SST ¡ ROMS ¡SST ¡ COMPOSITE ¡ SST ¡

ROMS ¡Imbedded ¡in ¡POP ¡in ¡California ¡Current ¡System ¡

JusIn ¡Small ¡(NCAR) ¡& ¡ Enrique ¡Curchitser ¡(Rutgers) ¡ ¡

ROMS ¡in ¡POP ¡SST ¡Bias ¡ReducIon ¡

JusIn ¡Small ¡(NCAR) ¡& ¡ Enrique ¡Curchitser ¡(Rutgers) ¡ Control ¡bias ¡ ROMS ¡in ¡POP ¡bias ¡

(a) ¡ (b) ¡ BENGUELA ¡UPWELLING. ¡SENSITIVITY ¡OF ¡CURRENTS ¡AND ¡UPWELLING ¡TO ¡COASTAL ¡WINDS. ¡ Figure ¡8. ¡Meridional ¡component ¡of ¡wind ¡stress ¡in ¡JJA, ¡a) ¡in ¡ROMS ¡part ¡of ¡nRCM-­‑0.5o, ¡Note ¡ rapid ¡weakening ¡of ¡winds ¡near ¡coast, ¡b) ¡corresponding ¡field ¡from ¡nRCM-­‑ ¡MOD, ¡where ¡winds ¡ are ¡increased ¡at ¡coast. ¡c) ¡SST ¡difference ¡for ¡JJA ¡for ¡the ¡nRCM-­‑MOD ¡experiment, ¡relaIve ¡to ¡ nRCM-­‑0.5º, ¡data ¡on ¡ROMS ¡grid. ¡ ¡

Nm-­‑2 ¡ Nm-­‑2 ¡

nRCM-0.5 nRCM- MOD

(c) ¡ JusIn ¡Small ¡(NCAR) ¡& ¡ ¡ Enrique ¡Curchitser ¡(Rutgers) ¡

Castruccio ¡et ¡al. ¡(2013, ¡J ¡Geophys ¡Res) ¡

ROMS ¡in ¡Western ¡Pacific ¡Warm ¡Pool ¡Region ¡

Goal: ¡ ¡ ¡How ¡will ¡climate ¡change ¡affect ¡marine ¡ecosystems ¡in ¡the ¡western ¡tropical ¡Pacific? ¡ Method: ¡ ¡Dynamical ¡downscaling ¡of ¡CESM ¡using ¡a ¡ ¡5-­‑km ¡Regional ¡Ocean ¡Model ¡System ¡(ROMS) ¡ Results: ¡ ¡ ¡IdenIfy ¡regions ¡for ¡conservaIon: ¡low ¡heat ¡stress, ¡important ¡sources/sinks ¡of ¡larvae ¡

Coral ¡heat ¡stress ¡ ¡ Larval ¡transport ¡

SST ¡ Salinity ¡ Surface ¡ ¡ Height ¡ Currents ¡

Coral ¡Triangle ¡Project: ¡ ¡NCAR: ¡Joanie ¡Kleypas, ¡Fred ¡Castruccio, ¡Diane ¡Thompson, ¡Rutgers: ¡Enrique ¡ Curchitser, ¡and ¡the ¡Nature ¡Conservancy. ¡ ¡

Coral ¡ ¡ Reefs ¡

ROMS ¡for ¡Marine ¡Ecosystem ¡Research ¡

Gravity ¡Current ¡Overflows ¡

Briegleb, ¡Danabasoglu, ¡& ¡Large ¡(2010, ¡NCAR ¡Tech. ¡Note, ¡NCAR/ TN-­‑481+STR) ¡ Danabasoglu, ¡Briegleb, ¡& ¡Large ¡(2010, ¡J. ¡Geophys. ¡Res., ¡v115, ¡ C11005) ¡

Faroe-Bank Channel Denmark Strait

Latitude

from ¡J.Price ¡(WHOI) ¡ GREENLAND ICELAND SCOTLAND

Gravity ¡Current ¡Overflows ¡

Overflow ¡ParameterizaIon ¡SchemaIc ¡

Streamtube ¡Model ¡ source ¡ interior ¡ entrainment ¡ product ¡

Ocean ¡Model ¡Bo_om ¡Topography ¡and ¡Overflows ¡

Source ¡Transport ¡CalculaIon ¡

For ¡both ¡DS ¡and ¡FBC, ¡the ¡radius ¡of ¡deformaIon ¡is ¡less ¡than ¡WS ¡and ¡the ¡return ¡ flow ¡is ¡not ¡geometrically ¡constrained. ¡Following ¡Whitehead ¡et ¡al. ¡(1974), ¡the ¡ expression ¡for ¡rotaIng, ¡hydraulically ¡controlled ¡maximum ¡geostrophic ¡flow ¡ through ¡a ¡strait ¡gives ¡the ¡source ¡overflow ¡transport ¡as ¡ ¡ where ¡the ¡source ¡reduce ¡gravity ¡is ¡ ¡ There ¡is ¡non-­‑zero ¡source ¡overflow ¡only ¡for ¡gS’ ¡> ¡0. ¡

Entrainment ¡Transport ¡CalculaIon ¡

We ¡use ¡the ¡Price ¡& ¡Baringer ¡(1994) ¡end-­‑point ¡model ¡of ¡entraining, ¡rotaIng ¡ density ¡current. ¡It ¡is ¡a ¡rather ¡complicated ¡funcIon: ¡ Me ¡depends ¡on ¡a ¡geostrophic ¡Froude ¡number, ¡Fgeo; ¡the ¡entrainment ¡ reduced ¡gravity ¡is ¡given ¡by ¡ ¡ ¡ There ¡is ¡non-­‑zero ¡entrainment ¡only ¡for ¡MS ¡> ¡0, ¡Fgeo ¡> ¡1, ¡and ¡ge’ ¡> ¡0. ¡

Product ¡Transport ¡ProperIes ¡

The ¡source ¡and ¡entrainment ¡transports ¡combine ¡to ¡form ¡the ¡product ¡water ¡ and ¡define ¡the ¡entrainment ¡parameter: ¡ From ¡tracer ¡conservaIon, ¡the ¡product ¡water ¡temperature ¡and ¡salinity ¡are ¡ given ¡by ¡ Product ¡water ¡injecIon ¡sites ¡are ¡determined ¡by ¡ ¡ where ¡subscript ¡n ¡denotes ¡the ¡pre-­‑specified ¡product ¡water ¡injecIon ¡sites. ¡ ¡

AtlanIc ¡Meridional ¡Overturning ¡CirculaIon ¡(AMOC) ¡

• cean-­‑only ¡

coupled ¡

in ¡Sv ¡

Control ¡ w/ ¡overflows ¡

AMOC ¡Transport ¡at ¡26.5oN ¡

* ¡with ¡overflows; ¡RAPID ¡is ¡observaIonal ¡data ¡

Temperature ¡and ¡Salinity ¡Differences ¡from ¡ObservaIons ¡at ¡ 2649-­‑m ¡Depth ¡

• C

psu Obs: Levitus et al. (1998), Steele et al. (2001)

mean= 0.45oC rms= 0.50oC mean= -0.04oC rms= 0.13oC mean= 0.02 psu rms= 0.03 psu mean= -0.03 psu rms= 0.03 psu

Summary ¡

• There ¡are ¡many ¡challenges ¡in ¡global ¡ocean ¡modeling, ¡

including ¡never-­‑ending ¡desire ¡for ¡higher ¡resoluIon, ¡ insufficient ¡computaIonal ¡resources, ¡data ¡ management, ¡and ¡those ¡associated ¡with ¡ocean ¡physics ¡ and ¡their ¡representaIons. ¡ ¡ ¡

• For ¡numerous ¡societal ¡and ¡science ¡applicaIons ¡and ¡

problems ¡that ¡include ¡climate ¡variability ¡and ¡ predicIon, ¡there ¡is ¡a ¡crucial ¡need ¡for ¡regional ¡models ¡ to ¡provide ¡reliable ¡regional ¡informaIon ¡at ¡high ¡spaIal ¡

• resoluIon. ¡ ¡
• Inclusion ¡of ¡gravity ¡current ¡overflows ¡using ¡a ¡

parameterizaIon ¡produces ¡important ¡improvements ¡in ¡ climate ¡model ¡simulaIons. ¡ ¡

Community ¡Earth ¡System ¡Model ¡(CESM) ¡Ocean ¡Component ¡ Parallel ¡Ocean ¡Program ¡(POP) ¡Displaced ¡pole ¡

Eddy permitting: nominal 0.1°

Another ¡Example ¡of ¡Global ¡Model ¡Grid ¡

Tripole ¡Grid ¡

VerIcal ¡grid ¡

STRONGER MEAN CURRENT IN ROMS. Fig. 3.1. a, b) surface velocity vectors and their magnitude, showing the long term summer mean, JJA. a,) ROMS component of composite run and b) POP component of long baseline run. Scale arrow shows 0.25ms-1. Only vectors greater than 0.05ms-1 are shown.

ms-1 ms-1 (a) (b) mday-­‑1 ¡ W(45m) ROMS Yrs 30-49 BASELINE mday-­‑1 ¡

STONGER UPWELLING CLOSE TO COAST IN ROMS. Fig. 3.2 c) vertical velocity at 45m in ROMS. d) vertical velocity at 45m in POP component of baseline run. e) close up of c) on different color scale.

(d) (e) W(45m) ROMS close-up (f) mday-­‑1 ¡

(a) ¡ (b) ¡

ms-1

nRCM-0. 5

ms-1

nRCM- MOD SENSITIVITY OF SURFACE CURRENTS TO WIND STRESS. Figure 12. Time-mean surface current (arrows) and meridional velocity (color) in JJA. Only vectors with magnitude > 0.15ms-1 are shown, and data is subsampled every 3 points in the ROMS coordinate directions. a, b) The main Benguela system from 20°S to 30°S. Left panel is from the ROMS part of nRCM-0.5º and right panel is from the ROMS part of nRCM-MOD. A 25cms-1 scale arrow is also shown on panel a).

In control experiment nRCM-0.5º the currents at the coast are dominated by a Sverdrup balance and flow southward, worsening the SST bias. In the sensitivity experiment nRCM-MOD the coastal currents are governing by strong coastal wind stress and upwelling, and flow northward.

Interior ¡: ¡ρi Ti Si ¡ ¡Inflow ¡: ¡Mi ¡ Source ¡: ¡ρSTS SS ¡

¡OuOlow: ¡ ¡MS ¡

ds ¡Sill ¡Depth ¡ Shelf ¡Break ¡

Entrainment ¡ρE TE SE ME ¡ Product ¡ρp Tp Sp ¡ MP ¡= ¡MS ¡+ ¡ME ¡

surface ¡ Slope, ¡α ¡ ¡he ¡

Ws ¡Width ¡ Reduced ¡GraviIes ¡: ¡

gs' ¡=(g/ρo) ¡(ρs - ρi ) ge' ¡=(g/ρo) ¡(ρs - ρe ) ¡

Xssb ¡

Gravity ¡Current ¡Overflow ¡ParameterizaIon ¡

Based on Price & Yang (1998); described in Briegleb et al. (2010, NCAR Tech. Note) and Danabasoglu et al. (2010, JGR)

TRACER ¡ CONSERVATION ¡

σo ≥ 44⁰W ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 27.80 49.3⁰W 27.80 49.3⁰W 27.74 69⁰W 27.80

Control 5.3 3.5 17.3 0.2 w/ Overflows 10.7 9.3 26.7 2.0

OBS 13.3 Dickson and Brown(1994) 14.7 Fischer et

• al. (2004)

26 ± 5 Fischer et al. (2004) 12.5 Joyce et al. (2005)

Equatorward ¡Volume ¡Transports ¡

All in Sv