An overview of recent activities at the Global Modeling and - PowerPoint PPT Presentation

National Aeronautics and Space Administration Global Modeling and Assimilation Office An overview of recent activities at the Global Modeling and Assimilation Office with focus on the stratosphere K. Wargan, L. Coy, S. Pawson, A. Molod, R. Gelaro, R. Todling, L. Takacs, C. Orbe, A. El Akkraoui, G. Partyka & The GMAO team ¡ gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration Outline • Status of MERRA-2 validation • QBO ‘reboot’ in 2016 • Towards full stratospheric chemistry • Replay and downscaling experiments • AMIP simulations • Transition to 4D-EnVar!!! • Other ongoing developments This talk focuses on the stratosphere. There is much more going on at GMAO: weather, tropospheric chemistry, land, ocean … gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration Status of MERRA-2 validation: core publications MERRA-2 overview paper Gelaro et al. 2016: The Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications, Version-2 (MERRA-2); to be submitted to J. Clim. This week MERRA-2 ozone validation paper Wargan et al., 2016: Evaluation of the Ozone Fields in NASA's MERRA-2 Reanalysis, submitted to J. Clim. MERRA-2 QBO paper Coy et al., 2016: Structure and dynamics of the quasi-biennial oscillation as seen in MERRA-2, J. Clim Tech memos Bosilovich, M. G., et al. 2015: MERRA-2: Initial evaluation of the climate, NASA Tech. Rep. series on global modeling and data assimilation, NASA/TM-2015-104606, vol. 39, 136 pp., NASA. [Available at http:// gmao.gsfc.nasa.gov/pubs/tm/docs/Bosilovich803.pdf.] McCarty et al. 2016: MERRA-2 Input Observations: Summary and Assessment, NASA/TM–2016-104606/Vol. 46 . Finished and ready for processing gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration Status of MERRA-2 validation: the stratosphere & mesosphere Some cooling, no obvious MERRA-2 Global Temperature Anomalies discontinuities in the lower 0.1 stratosphere 1 El Chichon and Mt. Pinatubo Pressure ¡[hPa] ¡ signal Pressure (hPa) MLS ¡ 10 The largest impact of the AMSU-­‑A ¡ observing system changes: in the upper stratosphere and 100 mesosphere El ¡Chichon ¡ Mt. ¡Pinatubo ¡ • Introduction of ATOVS AMSU-A Averaging Period 1000 • Introduction of MLS (p<5 hPa) 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 -4.5 -4 -3.5 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 Gelaro ¡et ¡al., ¡2016 ¡ � T (K) gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration Status of MERRA-2 validation: the stratosphere & mesosphere Evolution of polar temperatures during the 2005-2006 Northern Hemisphere winter • Disappearance of the warm polar stratopause during the major SSW • Reformation at a higher altitude and slow descent These features are captured more realistically in MERRA-2 compared to MERRA that did not use MLS Gelaro ¡et ¡al., ¡2016 ¡ gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration Status of MERRA-2 validation: the stratosphere & mesosphere Globally averaged temperature at 10 hPa MERRA-2 uses CRTM to assimilate SSU; cell pressure leaks are taken into account. The two reanalyses converge once more data become assimilated: AMSU, AIRS gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration Status of MERRA-2 validation: ozone MEAN ¡30°N-­‑60°N ¡ MIPAS ¡MERRA ¡MERRA-­‑2 ¡ MERRA did not assimilate Aura data ppmv Seasonal cycle at 40 hPa captured by both MERRA and MERRA-2 but MERRA-2 has DIFFERENCE ¡St. ¡Dev. ¡ smaller bias ppmv Large improvement in the MERRA-2 – SBUV ¡ MIPAS st. deviations during the Aura period period ¡ Aura ¡period ¡ MAM ¡ DJF ¡ JJA ¡ SON ¡ MIPAS - MERRA-2 correlations. Bold line: 0.7 gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration Status of MERRA-2 validation: the QBO Zonal wind at Singapore Sondes ¡(gray ¡shading) ¡MERRA ¡MERRA-­‑2 ¡ MERRA-2 is in better agreement with the radiosondes at 50 hPa. Note that the sonde data are assimilated in both reanalyses Coy ¡ ¡et ¡al., ¡2016: ¡ ¡J. ¡Clim. ¡ gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration Status of MERRA-2 validation: the QBO SBUV ¡period ¡ Nairobi ¡sondes ¡ ¡MERRA ¡ ¡MERRA-­‑2 ¡ Aura ¡period ¡ MERRA ¡minus ¡sondes ¡ ¡ MERRA-­‑2 ¡minus ¡sondes ¡ ¡ SBUV ¡ ¡ MLS ¡ In the Aura period tropical ozone is assimilated ¡ assimilated ¡ Coy ¡et ¡al., ¡2016 ¡ • Consistent with the zonal wind • In agreement with ozonesondes In the Aura period in MERRA-2 the Large vertical smoothing errors in SBUV obscure QBO signal in ozone shows more the phase propagation [ Kramarova et al., 2013 ] realistic phase propagation gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration QBO ¡‘reboot’ ¡of ¡2016 ¡in ¡MERRA-­‑2 ¡ a MERRA-2 b Composite What ¡ Expected ¡ 5 15 5 -5 5 -25 -5 - Happened ¡ 35 EvoluIon ¡ 1 -25 5 Pressure Altitude (km) 5 -15 1 10 - 5 -25 Pressure (hPa) - 30 -25 5 -15 -5 25 5 -15 5 - 5 5 - 20 - 5 5 Coy ¡et ¡al. ¡submiLed ¡to ¡ 100 J. ¡Climate ¡ Days 2015 2016 -400 -200 0 200 400 c Anomaly d Composite StDev x SQRT(2) Out-of-phase easterlies disrupt the westerly phase in a broad layer centered around 40 hPa Reported by Newman et al., 2016, GRL Osprey et al., 2016, Science ¡ Oddball ¡Disrupted ¡Unexpected ¡ Anomalous ¡Rebooted ¡Hiccup ¡ Unp Unprecedent nted dip into the gravitational field of a black hole gmao.gsfc.nasa.gov ¡ �

National Aeronautics and Space Administration QBO ¡‘reboot’ ¡of ¡2016 ¡in ¡MERRA-­‑2 ¡ Horizontal Momentum Flux (February) Momentum ¡ Heat ¡ a 2016 b 2014 2016 ¡ 2014 ¡ 1 1 February February 1 1 momentum flux momentum flux 1 1 - 1 -1 1 - 1 Pressure (hPa) Pressure (hPa) 10 10 Large ¡(+9) ¡40 ¡hPa ¡and ¡ -1 -1 Large ¡(+3) ¡upper ¡ 5 40 ¡ ¡ 3 7 -1 1 1 troposphere ¡ -1 1 100 100 3 1 - momentum ¡flux. ¡ ¡ ¡ 1 - -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 -1 1000 1000 -60 -40 -20 0 20 40 60 -60 -40 -20 0 20 40 60 Latitude Latitude c 2011 d 1998 1 1 1 February February 1 2011 ¡ 1998 ¡ momentum flux momentum flux -1 1 1 -1 1 Pressure (hPa) Pressure (hPa) 10 10 Normalized ¡by ¡the ¡ 1 Standard ¡DeviaIon ¡ 1 - 1 100 100 1 -1 (mean ¡removed) ¡ 1 1 -1 -1 Coy ¡et ¡al. ¡submiLed ¡to ¡J. ¡ 1 1000 1 1000 Climate ¡ -60 -40 -20 0 20 40 60 -60 -40 -20 0 20 40 60 Latitude Latitude gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration QBO ¡‘reboot’ ¡of ¡2016 ¡in ¡MERRA-­‑2 ¡ Seasonal Forecasts Zonal ¡Mean ¡ MERRA-­‑2 ¡ 1 ¡Jul ¡Fcst ¡ Zonal ¡Wind ¡ a Forecast ¡calls ¡for ¡ -5 -5 10 o S-­‑10 o N ¡ descent ¡of ¡ -15 5 -25 5 2 Pressure Altitude (km) - 35 -15 -25 verIcal ¡shear ¡ Pressure (hPa) 10 - 5 -15 Disrupted ¡ 30 zones ¡ 5 5 25 -5 - 2 5 5 -15 -5 20 - 5 5 100 2015 2016 2017 2018 1 ¡Jan ¡Fcst ¡ MERRA-­‑2 ¡ 4 ¡ b Forecast ¡ -5 5 35 Pressure Altitude (km) 5 erroneously ¡ -25 -25 Pressure (hPa) 10 -5 Normal ¡ - 1 5 -15 called ¡for ¡ -15 30 -5 descent ¡of ¡early ¡ 5 25 -5 -25 Jan ¡verIcal ¡ -15 20 - 5 5 100 ¡ shear ¡zones ¡ (Low ¡Horizontal ¡ 100 2017 ¡ 2018 ¡ 2015 ¡ 2016 ¡ 2015 2016 2017 2018 ResoluIon) ¡ -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 � U (ms -1 ) gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration Adding the STRATCHEM chemistry model to GEOS-DAS; Research & Development stage • STRATCHEM replaces a simplified parameterized chemistry scheme used in GMAO’s operational data assimilation experiments to date • 34 transported and 17 derived species • 124 gas-phase and 39 photolysis reactions • Includes a PSC scheme and heterogeneous reactions • Reaction rates follow the recommendations in JPL 2010 We plan to assess its viability for use in future products gmao.gsfc.nasa.gov ¡

National Aeronautics and Space Administration STRATCHEM: Towards ozone forecasts With ¡STRATCHEM ¡ With ¡parameterized ¡chem. ¡ At ¡present, ¡the ¡model ¡is ¡ not ¡suited ¡for ¡running ¡ Analysis ozone ¡forecasts ¡beyond ¡a ¡ 5-day forecast few ¡hours ¡ 10-day forecast Ozone ¡hole ¡area ¡ Ozone ¡hole ¡area ¡ ¡ With ¡full ¡chemistry ¡we ¡ have ¡a ¡good ¡ozone ¡hole ¡ forecast ¡skill ¡out ¡to ¡at ¡ least ¡10 ¡days ¡ Ozone ¡mass ¡ Ozone ¡mass ¡ deficit ¡ deficit ¡ gmao.gsfc.nasa.gov ¡