[論文レビュー] Supercell low-level mesocyclones: Origins of inflow and vorticity

Brice E. Coffer, Matthew Parker+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2022

Meteorological Phenomena and Simulations参考文献 133被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、高解像度のスーパセルシミュレーションを用いて、低層のメソサイクロンの回転が、前方フレアントの嵐によって生成される渦度ではなく、地表面付近の環境のストリームワイズ渦度に起因していることを示した。メソサイクロンに供給される流入気流は、主に未乱れの地表面近傍環境（下部200–400メートル内）から来ているため、低層数百年メートルの環境ストレームワイズヘリシティが、トナド発生予測において非常に強い予測要因であることが説明できる。

ABSTRACT

The development of low-level mesocyclones in supercell thunderstorms has often been explained via the development of storm-generated streamwise vorticity along a baroclinic gradient in the forward flank of supercells. However, the ambient streamwise vorticity of the environment (often quantified via storm-relative helicity), especially near the ground, is particularly skillful at discriminating between nontornadic and tornadic supercells. This study investigates whether the origins of the inflow air into supercell low-level mesocyclones, both horizontally and vertically, can help explain the dynamical role of environmental versus storm-generated vorticity in the development of low-level mesocyclone rotation. Simulations of supercells, initialized with wind profiles common to supercell environments observed in nature, show that the air bound for the low-level mesocyclone primarily originates from the undisturbed, ambient environment, rather than from along the forward flank, and from very close to the ground, often in the lowest 200 - 400 m of the atmosphere. Given that the near-ground environmental air comprises the bulk of the inflow into low-level mesocyclones, this likely explains the forecast skill of environmental streamwise vorticity in the lowest few hundred meters of the atmosphere. The low-level mesocyclone does not appear to require much augmentation from the development of additional horizontal vorticity in the forward flank. Instead, the dominant contributor to vertical vorticity within the low-level mesocyclone is from the environmental horizontal vorticity. This study hopefully clarifies the development of low-level mesocyclones in supercells.

研究の動機と目的

• 低層メソサイクロンの回転が環境由来のものか嵐由来のものかという長年の曖昧さを解消すること。
• スーパセル低層メソサイクロンへの流入気流の起源を、特に水平的・垂直的源として特定すること。
• メソサイクロン発達における環境的および嵐由来ストリームワイズ渦度の力学的役割を明確にすること。
• 低層環境ヘリシティのトナド発生予測への予報精度が、流入および渦度への直接的寄与に起因するかどうかを検証すること。
• 嵐の前方フレアントで生成される渦度が、メソサイクロンの回転を顕著に強化するのか、それとも二次的役割にとどまるのかを評価すること。

提案手法

• 実際のスーパセル環境を代表する理想化された風プロファイルを用いた、CM1モデルを用いた高解像度・雲解像型のスーパセルシミュレーションを実施した。
• 低層メソサイクロンに流入する空気パラメータの逆軌道を追跡し、その空間的・高さ的起源を特定した。
• メソサイクロン内での垂直渦度に与える環境的および嵐由来ストリームワイズ渦度の寄与を定量した。
• 特に地表から0–1 km AGLの範囲における環境ストレームワイズヘリシティ（SRH）を指標として用い、環境渦度を評価した。
• 垂直的および水平的渦度予算を分析し、低層メソサイクロンにおける渦度の主な供給源を特定した。
• 温位および風シアーのプロファイルを変化させたシミュレーションを比較し、流入および渦度源への感度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低層メソサイクロンに流入する空気は、主に周囲環境由来か、それとも嵐の前方フレアント由来か？
• RQ2 低層メソサイクロン内の垂直渦度は、環境ストリームワイズ渦度由来か、それとも嵐内で生成された渦度由来か、どの程度の寄与か？
• RQ3 なぜ低層環境ストリームワイズ渦度がトナド発生予測において非常に強い予測要因となるのか？これは流入および渦度源とどのように関連しているか？
• RQ4 嵐の前方フレアントで生成される渦度は、メソサイクロンの強化に顕著に寄与するのか、それとも二次的役割にとどまるのか？
• RQ5 環境渦度が一定値を超えると、嵐由来の渦度がトナド発生にあまり必要なくなる閾値があるのか？

主な発見

• 低層メソサイクロンに流入する空気の大部分は、嵐の前方フレアントではなく、未乱れの周囲環境由来である。
• 流入気流は主に地表面から200–400メートルの高さから供給されており、地表面近傍の環境条件が極めて重要であることが示された。
• 低層数百年メートルの環境ストリームワイズ渦度が、低層メソサイクロン内での垂直渦度の主な供給源である。
• 嵐の前方フレアントで生成される渦度は、メソサイクロンの回転にほとんど寄与していない。これは、それまでのその重要性に関する仮定に反する。
• 低層環境ヘリシティのトナド発生予測への予報精度は、主に地表面付近から渦度を豊富に含む流入を供給するという役割に起因している。
• 本研究では、環境ストリームワイズ渦度が低層メソサイクロンの最小強度を規定する基盤を形成しており、嵐由来の渦度は低ヘリシティ環境において補助的役割を果たす可能性があると示唆している。