Instability of internal gravity waves and turbulent mixing in the atmosphere

Abstract

BACHELOR THESIS Title: Instability of Internal Gravity Waves and Turbulent Mixing in the Atmosphere Author: Šimon Bartoň Department: Department of Atmospheric Physics Supervisor: RNDr. Petr Šácha, Ph.D., Department of Atmospheric Physics Abstract: Internal gravity waves (IGWs) generated by the flow-orography interaction are ubiquitous in the atmosphere, however, much of their spectrum and associated effects remain unresolved in current global climate models. Among these parameterized subgrid-scale processes is the dissipation of IGWs, characterized by wave breaking and turbulent overturning, and intimately tied to IGW instabilities. These instabilities substantially impact atmospheric dynamics by redistributing momentum, generating clear-air turbulence, and altering atmospheric composition, thereby highlighting the need for improved prediction and representation in the models. To study these processes, we employ the idealized two-dimensional version of the Weather Research and Forecasting (WRF) model to conduct simulations of the flow over isolated hills. By varying orographic shapes and wind profiles, we examine the transition between the non-breaking and breaking regimes, diagnosed through the surface drag and momentum flux analysis, and based on stability indicators such as the inverse vertical Froude...

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Název: Nestabilita vnitřních gravitačních vln a turbulentní promíchávání vzduchu Autor: Šimon Bartoň Katedra: Katedra fyziky atmosféry Vedoucí: RNDr. Petr Šácha, Ph.D., Katedra fyziky atmosféry Abstrakt: Vnitřní gravitační vlny (IGW, z angl. Internal Gravity Waves), které vznikají interakcí proudění vzduchu s orografií, jsou v atmosféře všudypřítomné, přesto zůstává velká část jejich spektra a souvisejících jevů v současných globálních klimatických modelech nerozlišena. Mezi tyto parametrizované podměřítkové procesy, které jsou úzce spjaty s nestabilitami IGW, patří disipace IGW, charakterizovaná rozpadem vln a turbulentním přepadem. Tyto nestability významně ovlivňují atmosférickou dynamiku redistribucí hybnosti, tvorbou turbulence v bezoblačném prostoru a změnami v chemickém složení atmosféry, to vše zdůrazňuje potřebu je lépe predikovat a reprezentovat v modelech. Pro studium zmíněných procesů používáme idealizovanou dvourozměrnou verzi modelu Weather Research and Forecasting (WRF), pomocí níž simulujeme proudění přes izolované kopce. Změnou tvaru orografie a povětrnostních profilů zkoumáme přechod mezi režimy bez rozpadu a s rozpadem vln, a to analýzou povrchového tření a toku hybnosti a pomocí stabilitních indikátorů, jako je inverzní vertikální Froudovo číslo. Naše výsledky ukazují...