Eine Theorie der Trio-Interaktion für die Madden-Julian-Oszillation

Die Madden-Julian-Oszillation (MJO) ist der dominante Modus der tropischen atmosphärischen intraseasonalen Variabilität und eine primäre Quelle der Vorhersagbarkeit für globale sub-saisonale Vorhersagen. Das Verständnis der Herkunft und Aufrechterhaltung der MJO entzieht sich seit Jahrzehnten den Wissenschaftlern. Das vorliegende Papier beginnt mit einem kurzen Überblick über Fortschritte in theoretischen Studien zur MJO und einer Diskussion der wesentlichen Merkmale der MJO, die eine Theorie erklären sollte. Ein allgemeines theoretisches Modellrahmen wird dann beschrieben, um zu versuchen, die wichtigsten bestehenden theoretischen Modelle zu integrieren: die reibungsgestützte Kelvin-Rossby-Welle, den Feuchtigkeitsmodus, den reibungsgestützten dynamischen Feuchtigkeitsmodus, das MJO-Skelett und die Schwerkraftwelleneinmischung, die als Sonderfälle des allgemeinen MJO-Modells betrachtet werden. Der letzte Teil des vorliegenden Papiers konzentriert sich auf eine spezielle Form der Trio-Interaktionstheorie in Bezug auf das allgemeine Modell mit einem vereinfachten Betts-Miller (B-M) Kumulus-Parameterisierungsverfahren. Diese Trio-Interaktionstheorie erweitert die Matsuno-Gill-Theorie, indem sie eine Trio-Interaktion zwischen Konvektion, Feuchtigkeit und Dynamik der wellenbasierten Grenzschicht (BL) einführt. Das Modell zeigt robuste großskalige Merkmale der beobachteten MJO, einschließlich der gekoppelten Kelvin-Rossby-Wellenstruktur, langsamer ausgedehnter Fortpflanzung (~5 m/s) über warmen Wasserflächen, der planetarischen (zonal) Skala Zirkulation, des BL-Niederdrucks und der Feuchtigkeitskonvergenz, die größeren Konvektionen vorausgeht, sowie Verstärkung/Abkling über warmen/kalten Oberflächentemperatur (SST) Regionen. Das Feedback der BL-Feuchtigkeitskonvergenz spielt eine zentrale Rolle bei der Kopplung von äquatorialen Kelvin- und Rossby-Wellen mit konvektiver Erwärmung, indem es eine bevorzugte östliche Ausbreitung auswählt und Instabilität erzeugt. Das Feuchtigkeitsfeedback kann den Rossby-Wellenanteil verstärken, wodurch die östliche Ausbreitung wesentlich verlangsamt wird. Mit der Trio-Interaktionstheorie werden eine Reihe grundlagenbezogener Probleme der MJO-Dynamik angesprochen: Warum besitzt die MJO eine gemischte Kelvin-Rossby-Wellenstruktur und wie könnten die Kelvin- und Rossby-Wellen, die sich in entgegengesetzte Richtungen fortpflanzen, mit Konvektion koppeln und eine östliche Ausbreitung auswählen? Was bewirkt, dass sich die MJO im östlichen Hemisphäre langsam nach Osten bewegt, was zu einer Periodizität von 30 bis 60 Tagen führt? Warum verstärkt sich die MJO über dem warmen Ozean und nimmt schnell über den Datumswechsel ab? Die Einschränkungen und Auswirkungen der Modellergebnisse auf die allgemeine Zirkulationsmodellierung der MJO werden diskutiert.