[論文レビュー] Evidence against a general positive eddy feedback in atmospheric blocking

Lei Wang, Zhiming Kuang|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2019

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、2層準地転流モデルを用いて機構否定実験を実施し、長年にわたり広く受け入れられてきた「渦ひずみが大気ブロッキングを普遍的に維持する」という仮説に挑戦する。一般的な移動渦がひずみによってブロッキングを維持するのではなく、特定の渦配置——一般の正のフィードバックではなく——がブロッキングの維持に必要であることが判明した。

ABSTRACT

The eddy straining mechanism of Shutts (1983; S83) has long been considered a main process for explaining the maintenance of atmospheric blocking. As hypothesized in S83, incoming synoptic eddies experience a meridional straining effect when approaching a split jetstream, and as a result, enhanced PV fluxes reinforce the block. A two-layer QG model is adopted here as a minimal model to conduct mechanism-denial experiments. While transient eddies' forcing is clearly critical to the formation and maintenance of a block, using a large ensemble, the authors demonstrate that the straining of generic eddies does not maintain blocks, thus challenge the idea of eddy straining serving as a positive feedback for the blocks. These results indicate that specific configurations of the eddy field are required for the maintenance stage. The authors also remark on the main supporting evidence in S83: the second-order induced flow is sensitive to the location of the wavemaker.

研究の動機と目的

• シュッツ（1983）が提唱した渦ひずみが、大気ブロッキングの維持において一般の正のフィードバックメカニズムとして機能するかどうかを検証すること。
• 渦ひずみの効果とは独立して、一時的渦の力がブロッキングの形成と持続に不可欠であるかどうかを調査すること。
• ひずみメカニズムが異なる渦配置において普遍的に作用するのか、それとも特定の条件下でのみ作用するのかを評価すること。
• 制御されたモデル実験を用いて、ひずみフィードバックの経験的根拠を再評価すること。
• 特に、誘導流れの感度が発生源の位置にどのように依存するかを評価することで、渦場の構造がブロッキング高気圧の維持に果たす役割を明確にすること。

提案手法

• 渦ひずみメカニズムを隔離する最小限の力学的枠組みとして、2層準地転流（QG）モデルが用いられる。
• 一時的渦のひずみ効果を抑制しながらその力の源を維持することで、機構否定実験が実施される。
• 統計的妥当性を評価し、ひずみなしでもブロッキングが持続する条件を同定するために、多数のシミュレーションが実行される。
• モデルには合成渦を生成するための発生源が組み込まれており、誘導流れ応答を評価するための位置に関する感度テストが実施される。
• 渦フィードバックの強化を評価するために、ポテンシャル・バーテックス（PV）フラックスが分析される。
• ブロッキングの持続性と構造を、渦ひずみありとなしで比較することで、その役割を明確にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般的な一時的渦のひずみが、大気ブロッキングの維持に一般の正のフィードバックを提供するか？
• RQ2 他の渦力が存在する状況でも、渦ひずみメカニズムがブロッキングの維持に十分であるか？
• RQ3 発生源の位置に対する誘導流れの感度は、S83の核心的主張の検証としてどの程度有効か？
• RQ4 どのような特定の渦場配置において、ひずみがブロッキングの維持に寄与するか？
• RQ5 渦ひずみなしにブロッキングを維持できるか。これは、代替のフィードバックメカニズムの存在を示唆するか？

主な発見

• 一般的な一時的渦のひずみは、大気ブロッキングを維持しない。これは、一般の正のフィードバック仮説と矛盾する。
• 渦ひずみを抑制しても、一時的渦の力が持続する限り、ブロッキングの持続性は保たれない。これは、ひずみが普遍的な維持メカニズムではないことを示している。
• モデルにおける2次的誘導流れは、発生源の位置に対して非常に感受的であり、S83の主張を支持するが、その一般化はできない。
• 特に渦の空間的構造と位相が、維持段階における効果的なフィードバックに必要となる。
• 結果から、ブロッキングにおける渦フィードバックは条件的かつ配置依存的であることが示され、普遍的なプロセスではない。
• 本研究は、渦ひずみメカニズムが特定の状況では重要である可能性は否定しないが、大気ブロッキングの普遍的維持メカニズムとは見なせないと結論づける。