Simulation of the MJO in an Idealized GCM: Impact of surface boundary condition on the slow eastward propagation of equatorial wave

Abstract

There are some theories about slow eastward propagation of equatorial waves. Among them, most predominant theory is frictional wave-CISK. This study tries to examine frictional wave-CISK theory using an idealized general circulation model (GCM) and a simple theoretical model. The aqua-planet GCM with a zonally symmetric SST condition simulates fast eastward propagation waves with a dominant time scale of about 20 days, which is much faster than that of the observed MJO. But, the aqua-planet GCM with a broad SST meridional structure simulates slow eastward propagation waves with a dominant time scale of about 30 days. The spatial pattern of fast eastward propagation wave is similar to the Kelvin wave structure. But, the spatial pattern of slow eastward propagation wave is similar to coupled structure of Kelvin-Rossby waves, which is frictional wave-CISK theory. The simple one and half layer model with a first-baroclinic mode and a planetary boundary-layer, it is shown that the instability of the moist coupled Kelvin-Rossby waves depends on the SST structure. The SST with a narrow meridional structure prefers to enhance only the fast eastward Kelvin wave, while the broader SST provides enough off-equatorial moisture for the growth of the Rossby component, which couples strongly with the Kelvin component and slows down the eastward modes. The MJO mainly occurs from the Indian Ocean to the western Pacific region. This region has a broad SST meridional structure because of the warm pool.

열대지역에서 느리게 동진하는 파동에 대한 역학을 설명하는 몇몇 이론들이 있다. 그 이론들 중 가장 중요하게 생각되고 있는 것은 frictional wave-CISK 이론이다. 본 연구에서는, 이상화된 대기대순환 모형과 간단한 이론 모형을 이용하여 frictional wave-CISK 이론을 시험해보았다. 대기대순환 모형에서 대륙을 없애고 이상화시켜서 만든 Aqua planet 모형에 동서방향으로 대칭인 해수면온도를 경계조건으로 넣어준 결과 열대지역에서 약 20일정도의 주기를 가지고 빠르게 동진하는 파동이 생겼다. 이것은 관측에서 보이는 MJO의 주기보다 훨씬 빠른 파동이다. 그러나 해수면온도의 남북방향 온도 범위를 넓혀 Aqua planet 모형에 넣어준 결과 열대지역에서의 파동이 약 30일정도를 주기를 가지는 파동으로 느려졌다. 20일정도의 주기로 빠르게 동진하는 파동의 공간패턴을 분석해본 결과 켈빈파와 유사한 구조가 나타났다. 그러나 30일정도의 주기로 느려진 파동의 공간패턴을 분석해본 결과 켈빈파와 로스비파가 결합된 형태로 나타났다. 켈빈파와 로스비파가 결합되어 MJO가 나타나는 것은 frictional wave-CISK 이론이다. 켈빈-로스비파의 결합을 더 이론적으로 분석해보기 위하여, First-baroclinic mode와 행성경계층이 결합된 간단한 1과 1/2층 모형을 이용하였다. 이 모형을 이용하여 해수면온도 구조에 따른 켈빈-로스비파 결합의 불안정성을 분석 할 수 있다. 해수면온도가 남북방향으로 좁은 구조를 가지고 있으면, 수증기가 적도에만 많이 분포하게 되어 적도에서 빠르게 동진하는 켈빈파가 지배적으로 발생하게 된다. 그러나 해수면온도가 남북방향으로 넓은 구조를 가지고 있으면, 수증기가 적도를 벗어난 지역에서도 많이 분포할 수 있게 되어 로스비파가 많이 생길 수 있게 되고 결과적으로 적도의 켈빈파와 결합되어 동진속도가 느려지게 된다. MJO는 주로 인도양부터 서태평양까지의 지역에서 발생하는데, 이 지역은 warm pool의 영향으로 남북으로 넓은 해수면온도 구조를 가지고 있다.