A Lagrangian vertical coordinate version of the ENDGame dynamical core. Part II: Evaluation of Lagrangian conservation properties
A Lagrangian vertical coordinate version of the ENDGame dynamical core. Part II: Evaluation of Lagrangian conservation properties
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ENDGame 动力核心的拉格朗日垂直坐标版本。
DOI：
10.1002/qj.3375
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发表时间：
2018
影响因子：
8.9
通讯作者：
Kavcic I
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Kavcic I
本文使用斜压不稳定性测试用例比较了三种半隐式半拉格朗日动力核的拉格朗日守恒性质：一种使用基于高度的垂坐标，另一种使用拉格朗日垂坐标。拉格朗日坐标版本在目标水平的选择上有所不同，在每一步之后，模型水平被重置为目标水平——第一步使用初始模型水平高度，而第二步使用准拉格朗日目标水平。计算了一系列与拉格朗日守恒相关的诊断，包括全局熵、不可用能量、跨等熵质量通量，以及被动示踪剂和包裹轨迹的势温和势涡的一致性。整体熵、不可用能量和跨等熵通量并没有表明拉格朗日垂直坐标的使用有任何明显的优势或劣势，尽管跨等熵通量揭示了拉格朗日坐标模型在顶边界重新映射位温的公式中的一个缺陷。拉格朗日垂直坐标与拟拉格朗日目标水平的结合提高了势温作为动力学变量、势温作为示踪剂和势温在拉格朗日粒子轨迹上的一致性。它还提高了位涡示踪剂与拉格朗日粒子轨迹上的位涡的一致性。然而，它降低了模型和示踪剂位涡之间以及模型位涡和拉格朗日轨迹上的位涡之间的一致性。这种退化似乎与模型水平的斜率有关，在具有准拉格朗日目标水平的版本中，斜率更大。
A baroclinic instability test case is used to compare the Lagrangian conservation properties of three versions of a semi‐implicit semi‐Lagrangian dynamical core: one using a height‐based vertical coordinate and two using a Lagrangian vertical coordinate. The Lagrangian coordinate versions differ in the choice of target levels to which model levels are reset after each step—the first uses the initial model level heights while the second uses quasi‐Lagrangian target levels. A range of diagnostics related to Lagrangian conservation are computed, including global entropy, unavailable energy, cross‐isentrope mass flux, and consistency of potential temperature and potential vorticity with passive tracers and parcel trajectories. The global entropy, unavailable energy, and cross‐isentrope fluxes do not suggest any clear advantage or disadvantage from the use of a Lagrangian vertical coordinate, though the cross‐isentrope flux reveals a flaw in the formulation of the remapping of potential temperature in the Lagrangian coordinate model at the top boundary. The use of a Lagrangian vertical coordinate with quasi‐Lagrangian target levels improves the consistency among potential temperature as a dynamical variable, potential temperature as a tracer and potential temperature on Lagrangian particle trajectories. It also improves consistency between a potential vorticity tracer and potential vorticity on Lagrangian particle trajectories. However, it degrades the consistency between model and tracer potential vorticity, as well as between model potential vorticity and potential vorticity on Lagrangian trajectories. This degradation appears to be related to the slopes of model levels, which are greater in the version with quasi‐Lagrangian target levels.
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