[論文レビュー] Bernhard Haurwitz Memorial Lecture (2017): Potential Vorticity Aspects of Tropical Dynamics

Wayne H. Schubert|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Tropical and Extratropical Cyclones Research参考文献 39被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、非線形ポテンシャル・バーティカル（PV）フレームワークを提示し、熱帯の力学的挙動を理解するためのものである。対流加熱がITCZおよび熱帯低気圧で発生する非線形的PV異常の進化を通じて、PVタワーが生成されることを示している。主な結果として、数日以内に逆転したPV勾配が形成され、それがバロトロピック・バロクライニック不安定性を併合的に引き起こし、偏東波の発達を促進するとともに、境界層ポンピングによって低気圧の強化をもたらす。

ABSTRACT

This paper is the textual material accompanying the 2017 Bernhard Haurwitz Memorial Lecture, delivered by the author on 28 June 2017, at a joint session of the American Meteorological Society's 21st Conference on Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics and 19th Conference on Middle Atmosphere (26-30 June 2017, Portland, OR).

研究の動機と目的

• 線形安定性理論を越えて、非線形ポテンシャル・バーティカル（PV）進化の観点から熱帯低気圧およびITCZの力学的挙動を再構築すること。
• 対流加熱によって生成されるPV異常を通じて、偏東波の急速な発達および熱帯低気圧の強化を説明すること。
• 局所的加熱に起因するゾナル非対称加熱の結果、数日以内に逆転したPV勾配が形成され、バロトロピック・バロクライニック不安定性を可能にすることを示すこと。
• ITCZおよびハドレー環流の定常状態の従来の見方を覆し、連続的に変化する不安定なPV場が存在することを示すこと。
• 非線形境界層ダイナミクスが、局所的で強いポンピングを生成し、眼壁構造および低気圧強度に与える影響を強調すること。

提案手法

• 極側に増加するポテンシャル・バーティカル（PV）を持つゾンアルに一様な背景状態を用いて、熱帯環境をモデル化する。
• ITCZ加熱を表すために、$ \dot{\Theta}(\Phi) = \dot{\Theta}_m \exp\left(-\frac{(\Phi - \Phi_m)^2}{\Phi_w^2}\right) $ という加熱プロファイルを適用し、$ \Phi_m $ を中心として幅 $ \Phi_w $ を持つ。
• 時間に依存する加熱プロファイルを用いて式（46）のPV進化方程式を解き、$ (\Phi, \theta) $-空間における時間変化するPV場を計算する。
• PV進化の特徴的 timescale $ \tau_c(\Phi) $ を導出する。$ \tau_c(\Phi_m) = \frac{\pi \dot{\Theta}_m \tau}{\theta_T - \theta_B} $ であり、加熱率と熱力学的対比がPV応答に与える影響を結びつける。
• 異なる時刻における$ (\Phi, \theta) $-空間におけるPV等高線を分析し、PVタワーおよび逆転勾配の形成を可視化する。
• 古典的線形理論（例：CharneyおよびEliassen, 1964）と非線形PVフレームワークを比較し、非線形ダイナミクスが低気圧強化に果たす役割を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ITCZにおける対流加熱は、どのようにポテンシャル・バーティカル（PV）異常を生成し、不安定性および波動発達を引き起こすか？
• RQ2 非線形PV進化は、境界層ポンピングと関連して、特に熱帯低気圧の急速な強化にどのように寄与するか？
• RQ3 局所的対流加熱に応じて、逆転したポテンシャル・バーティカル（PV）勾配はどの程度の速さで形成され、不安定性にどのような影響を及えるか？
• RQ4 非線形PVフレームワークは、古典的線形安定性理論と比較して、熱帯低気圧およびITCZの力学的挙動をどのように異なる方法で説明するか？
• RQ5 境界層ダイナミクスは、局所的PV異常を通じて、眼壁形成の位置および強度をどの程度制御するか？

主な発見

• ITCZにおける対流加熱は、$ (\Phi, \theta) $-空間に一時的で局所的なPVタワーを生成し、最大加熱の緯度で最大PV異常が形成される。
• 非線形的PV異常の進化に起因し、数日以内に逆転した極側勾配が出現し、バロトロピック・バロクライニック不安定性の発現を可能にする。
• 加熱最大点におけるPV進化のtimescaleは $ \tau_c(\Phi_m) = \frac{\pi \dot{\Theta}_m \tau}{\theta_T - \theta_B} $ であり、加熱率と熱力学的対比がPV応答に与える影響を結びつける。
• PVフレームワークは、偏東波の成長を単に線形不安定性によってではなく、PV異常の非線形的発達と背景気流との相互作用によって説明できる。
• 現代の非線形的視点は、固定された対流加熱のもとでも、PVダイナミクスによって主循環が指数関数的に成長しうることを示し、古典的線形モデルを凌駕する。
• 非線形的に生成される境界層ポンピングは、眼壁の位置決めおよび眼のサイズの決定において、極めて重要な役割を果たす。