[論文レビュー] Reconciling cold pool dynamics with convective self-organization

Jan O. Haerter, Steven Boeing+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2018

Meteorological Phenomena and Simulations被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、円形の冷流プール干渉に基づく数学的モデルを提案し、冷流プールの力学が積乱対流の自己組織化をどのように駆動するかを説明する。大規模渦シミュレーションを用いて、前線における新生上昇気流を引き起こす干渉のタイプを同定し、冷流プールの強さと空間的干渉がスケール成長、クラスタリング、自己集合を支配することを示している。これにより、微小スケールの冷流プールから大規模スケールの組織化に至る統一的なメカニズムが提示される。

ABSTRACT

Two phenomena currently excite and puzzle the atmospheric convection community: convective self-aggregation and the dynamics of cold pools. While the former occurs at the synoptic scale, the latter are generated by evaporating rain from individual clouds and have typical diameters of tens of kilometers. Despite their vastly different scales, the two phenomena may be intimately related, as simulation studies found that cold pools can hamper the organization of clouds leading to self-aggregation. It has so far however remained unclear by which mechanisms cold pools act to organize the cloud field. Here we first analyze large eddy simulations (LES) to characterize the basic interaction types between cold pools. At cold pool gust fronts, some of these interaction types trigger new intense updrafts, which are required for new convection cells. Using the types identified, we then conceptualize the essential cold pool dynamics into a simple mathematical model. This model, based on the interference of circles spreading in space, can explain three fundamental features of cold pool dynamics: scales steadily increase in transient LES; clustering, similar to that observed in mesoscale organization, can emerge from cold pool processes; and self-aggregation depends on cold pool strength. Our theory hence provides a mechanism which can reconcile cold pool dynamics with convective self-organization.

研究の動機と目的

• 個々の雲から発生する蒸発雨に起因する冷流プールが、大規模な対流の自己組織化にどのように影響するかのメカニズムを理解すること。
• 大規模渦シミュレーションにおいて、前線における冷流プールと上昇気流の間の基本的相互作用タイプを特定・分類すること。
• 自己組織化の主要な特徴を再現できる、最小限の数学的モデルを構築すること。
• 微小スケールの冷流プールプロセスと大規模スケールの対流組織化との間の機構的リンクを確立すること。

提案手法

• 冷流プールの相互作用を分析し、前線における異なるタイプの相互作用を同定するために、大規模渦シミュレーション（LES）が用いられる。
• 空間的重複度と速度収束に基づいて相互作用タイプを分類し、特に新たな強力な上昇気流を引き起こすものに注目する。
• 冷流プールを拡散する円として表現する概念的数学的モデルを構築し、干渉パターンによって現実の力学を模擬する。
• 空間的干渉と伝播を組み込むことで、スケールの進化、クラスタリング、自己集合行動を模擬する。
• モデルの予測を、特にスケール成長と組織化の閾値に関して、LESの結果と照合して検証する。
• 理論的分析により、冷流プールの強さと自己集合の発生との関係を解明し、組織化の臨界閾値を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷流プールは前線における上昇気流とどのように相互作用し、新たな対流を誘発するのか？
• RQ2 冷流プールの力学に内在するどのような物理的メカニズムが、中規模スケールのクラスタリングの出現をもたらすのか？
• RQ3 冷流プールの強さは、大規模な対流の自己集合の発展にどのように影響するのか？
• RQ4 円形干渉に基づく単純な数学的モデルは、LESで観測された冷流プールの挙動を再現できるか？
• RQ5 冷流プールの空間的干渉は、対流系の自己組織化において果たす役割は何か？

主な発見

• 前線における冷流プールの相互作用は、新たな強力な上昇気流を引き起こすことができ、これは新たな対流セルの始動に不可欠である。
• 円形干渉モデルは、一時的な大規模渦シミュレーションで観測された対流スケールの継続的増大を効果的に再現している。
• クラスタリング（中規模組織化に類似）は、モデルにおける冷流プール干渉から自然に出現する。
• 自己集合は冷流プールの強さに強く依存しており、シミュレーションで臨界閾値の効果が観察された。
• モデルは、空間的干渉とフィードバックループを通じて、微小スケールの冷流プールプロセスが大規模スケールの自己組織化を駆動する仕組みを説明している。