[論文レビュー] The Transient Responses of An Axisymmetric Tropical Cyclone to Instantaneous Surface Roughening and Drying. Part I: Numerical Experiments

Chen, Jie, Chavas, Daniel R.|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2020

Tropical and Extratropical Cyclones Research被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、CM1モデルを用いた理想化された軸対称数値実験を通じて、瞬時の表面粗度および乾燥が成熟した熱帯低気圧の風場および降水量場の過渡的変化に与える影響を調査した。表面の乾燥は眼壁を安定化させ、対流循環を弱め、内核部の風速および降水量を減少させる。一方、表面の粗さは初期には低層循環を強化し、降水量を増加させるが、その後徐々に衰え、暴風域の縮小が著しく進行する。本研究は、表面境界力の主要要因を分離することで、内陸部における熱帯低気圧の災害予測のための力学的基盤を提供する。

ABSTRACT

Inland tropical cyclone (TC) impacts due to high winds and rainfall-induced flooding depend strongly on the evolution of the wind field and precipitation distribution after landfall. However, research has yet to test the detailed response of a mature TC and its hazards to changes in surface forcing in idealized settings. This work tests the transient response of an idealized hurricane to instantaneous transitions in two key surface properties associated with landfall: surface roughening and drying. Simplified axisymmetric experiments are performed in CM1 where surface drag coefficient and evaporative fraction are each systematically modified beneath a mature hurricane. Surface drying stabilizes the eyewall and consequently weakens the overturning circulation, thereby reducing inward angular momentum transport that slowly decays the wind field only within the inner-core. In contrast, surface roughening initially ($\sim$12 hours) rapidly weakens the entire low-level wind field and enhances the overturning circulation dynamically despite the concurrent thermodynamic stabilization of the eyewall; thereafter the storm gradually decays similar to drying. As a result, total precipitation temporarily increases with roughening but uniformly decreases with drying. Storm size decreases monotonically and rapidly with surface roughening, while the radius of maximum wind can increase with moderate surface drying. Overall, this work provides a mechanistic foundation for understanding the inland evolution of real storms in nature.

研究の動機と目的

• 陸上への上陸後、成熟した熱帯低気圧が表面粗度および水分供給の即時の変化にどのように過渡的に反応するかを理解すること。
• 表面の粗さおよび乾燥が低層風場および降水量分布に及ぼす力学的および熱力学的効果を分離すること。
• 理想化された表面境界力の遷移を検証することで、内陸部における熱帯低気圧の強度および災害進化の力学的基盤を提供すること。
• 表面摩擦および蒸発熱フラックスの相対的役割を定量化すること、特に上陸後の衰えと構造的変化を引き起こす要因として。

提案手法

• 非圧縮性大気モデルであるCM1を用いた数値実験で、定常状態に保たれた軸対称な成熟熱帯低気圧を初期化した。
• 上陸遷移を模擬するため、表面摩擦係数（Cd）および蒸発分率（Ck）に体系的かつ即時の摂動を与えた。
• コントロール実験では海洋に類似した条件を維持した。摂動実験では、表面の粗さ（Cdの増加）および乾燥（Ckの減少）を独立してテストした。
• 内向きの角運動量フラックスおよび半径方向風構造などの診断手法を用いて、時間発展する風場、降水量、対流循環の分析を行った。
• 結果の解釈および最大潜在的強度の変化の定量化のため、ポテンシャルインテンシティ理論（Emanuel 1986）を理論的枠組みとして用いた。
• 式（1）を用いた表面フラックス寄与の感度分析により、乾燥条件下での顕熱フラックスと潜熱フラックスの相対的役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 即時の表面粗さの変化が、成熟した熱帯低気圧の低層風場および降水量の過渡的変化にどのように影響するか？
• RQ2 即時の表面乾燥が、対流循環、眼壁の安定性、および内核部風速の衰えにどのように影響するか？
• RQ3 上陸後の衰えにおいて、動的（摩擦）効果と熱力学的（水分）効果の相対的重みは何か？
• RQ4 表面粗さおよび乾燥の変化が、暴風域および最大風速半径（rmax）にどのように影響するか？
• RQ5 降水量および構造的変化の観点から、粗さと乾燥の応答にどのような相違が生じるか？

主な発見

• 表面乾燥は眼壁を安定化させ、対流循環を抑制し、内核部の風速および降水量がゆっくりと単調に減少する。
• 表面粗さは初期に対流循環を強化し、低層風速および降水量を約12時間にわたり増加させるが、その後徐々に衰える。
• 暴風域は表面粗さの影響で単調かつ著しく縮小するが、中程度の表面乾燥ではrmaxが増加する可能性がある。
• 粗さの影響では動的要因（摩擦収束の増加）が支配的であるため、一時的に降水量が増加するが、乾燥の影響では熱力学的安定化のため、降水量は一様に減少する。
• 粗さの応答は主に動的効果（摩擦収束の増加）に起因するが、乾燥は主に眼壁の熱力学的安定化によって作用する。
• 顕熱フラックスは、極端な乾燥（ϵ ≤ 0.1）条件下でのみ、潜在的強度に相対的に重要になることが示され、弱い内陸部の熱帯低気圧における陸上表面フィードバックの重要性が強調される。