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 ¡ oceanography ¡

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 ¡

Ocean ¡Modeling ¡Challenges ¡ Space ¡– ¡Time ¡Scales ¡and ¡Global ¡Ocean ¡Models ¡ FAST ¡ O(100-­‑1000 ¡years/ day) ¡ WORKHORSE ¡(CLIMATE) ¡ O(10-­‑100 ¡years/day) ¡ HI-­‑RES ¡ O(<<10 ¡years/day) ¡ Downscaling ¡

Ocean ¡Modeling ¡Challenges ¡ EquilibraIon ¡Timescale ¡ Scaling ¡argument ¡for ¡deep ¡adjustment ¡Ime: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡H 2 / κ ¡ ¡= ¡(2000 ¡m) 2 ¡ ¡/ ¡(2 ¡x ¡10 -­‑5 ¡m 2 /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 ¡

Sea ¡Surface ¡Temperature ¡(SST) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Surface ¡Chlorophyll ¡ Ma_ ¡Long ¡(NCAR) ¡

Ocean ¡Modeling ¡Challenges ¡

An ¡Example ¡of ¡Global ¡Model ¡Grid ¡ Displaced ¡Pole ¡ Grid ¡ Climate workhorse: nominal 1° VerIcal ¡Grid ¡ Equatorial ¡refinement ¡ (0.3°) ¡ Community ¡Earth ¡System ¡Model ¡(CESM) ¡Ocean ¡Component ¡ Parallel ¡Ocean ¡Program ¡(POP) ¡ ¡

Model ¡Grid ¡Example ¡ B-­‑grid ¡ T=tracer ¡grid, ¡U=velocity ¡grid ¡ N ¡ Top ¡ ¡View ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ U ¡ U ¡ U ¡ U ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ U ¡ Land ¡ T ¡ T ¡ Land ¡ U ¡ ¡i,j ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ E ¡

Model ¡Grid ¡Example ¡ B-­‑grid ¡ T=tracer ¡grid, ¡U=velocity ¡grid ¡ z ¡ Side ¡ ¡View ¡ T ¡ U ¡ T ¡ U ¡ T ¡ U ¡ T ¡ U ¡ T ¡ U ¡ T ¡ w ¡ w ¡ w ¡ w ¡ w ¡ T ¡ U ¡ T ¡ U ¡ T ¡ U ¡ T ¡ U ¡ T ¡ w ¡ w ¡ Ocean ¡bo_om ¡ T ¡ U ¡ T ¡ Ocean ¡bo_om ¡ w ¡ w ¡ T ¡ U ¡ T ¡

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 ¡ o 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 ¡ o C ¡ mg ¡m -­‑2 ¡s -­‑1 ¡ psu ¡ Large ¡& ¡Danabasoglu ¡(2006, ¡J. ¡Climate) ¡

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) ¡ Sea ¡surface ¡ height ¡(m) ¡ Todd ¡Ringler ¡et ¡al. ¡(LANL; ¡2013, ¡Ocean ¡Modelling) ¡