[논문 리뷰] Supercell low-level mesocyclones: Origins of inflow and vorticity

Brice E. Coffer, Matthew Parker외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 07.

Meteorological Phenomena and Simulations참고 문헌 133인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 수퍼세포 시뮬레이션을 사용하여, 저층 메소사이클론의 회전이 주로 앞쪽 플랭크에서 생성된 시립바이오시스보다 표면 근처의 환경적 기류 방향 회전운동에서 기인함을 보여준다. 메소사이클론에 공급되는 유입 기는 대부분 표면에 가까운 불변한 환경 공기에서 유래한다(최저 200–400m 이내), 이는 저층 수백 미터 내 환경적 폭풍 상대 헬리시티가 토네이도 발생 예측에 매우 강력한 예측력이 있음을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저층 메소사이클론의 회전이 환경적 요인에 기인하는지 폭풍에 의해 생성된 요인에 기인하는지 오랫동안 애매시되어 온 문제를 해결하기 위해.
• 저층 수퍼세포 메소사이클론에 유입되는 공기의 기원을 특히 수평적 및 수직적 기원 측면에서 조사하기 위해.
• 메소사이클론 발달 과정에서 환경적 요인과 폭풍에 의해 생성된 방향성 회전운동의 역할을 명확히 하기 위해.
• 저층 환경적 헬리시티가 토네이도 발생을 예측하는 데 성능이 좋은 이유가 직접적으로 공기 유입과 회전운동 공급에 기여하기 때문인지 테스트하기 위해.
• 폭풍의 앞쪽 플랭크에서 생성된 회전운동이 메소사이클론의 회전을 크게 증가시키는지 여부 또는 보조적인 역할인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 실제 수퍼세포 환경를 반영하는 이상화된 바람 프로파일을 사용하여 CM1 모델을 이용해 고해상도, 구름 해상도 시뮬레이션을 수행하였다.
• 저층 메소사이클론에 유입되는 공기 입자들의 역행 경로를 추적하여 그 기원이 공간적 및 고도적 측면에서 특정 지점에 있는지 확인하였다.
• 메소사이클론 내 수직 회전운동에 기여하는 환경적 및 폭풍에 의해 생성된 방향성 회전운동의 기여도를 정량화하였다.
• 특히 해면 이하 0–1km AGL 범위에서 환경적 방향성 회전운동을 평가하기 위해 폭풍 상대 헬리시티(SRH)를 지표로 사용하였다.
• 메소사이클론의 저층에서 회전운동의 주요 기원을 규명하기 위해 수직 및 수평 회전운동 예산 분석을 수행하였다.
• 기상학적 조건과 바람의 기울기 프로파일을 다양하게 조정한 시뮬레이션을 비교하여 공기 및 회전운동 기원의 민감도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저층 메소사이클론에 유입되는 공기는 주로 환경적 요소에서 유래하는가, 아니면 폭풍의 앞쪽 플랭크에서 유래하는가?
• RQ2 저층 메소사이클론 내 수직 회전운동이 환경적 방향성 회전운동에서 기인하는 정도는 어느 정도이며, 폭풍 내부에서 생성된 회전운동에서 기인하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 왜 저층 환경적 방향성 회전운동이 토네이도 발생 예측에 매우 강력한 예측력이 있는가? 이는 공기 및 회전운동 기원과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 폭풍의 앞쪽 플랭크에서 생성된 회전운동이 메소사이클론 강화에 크게 기여하는가, 아니면 보조적인 역할인가?
• RQ5 환경적 회전운동이 일정 수준 이상으로 증가하면, 폭풍에 의해 생성된 회전운동이 토네이도 발생에 더 이상 필수적이지 않게 되는 임계값이 존재하는가?

주요 결과

• 저층 메소사이클론에 유입되는 공기의 대부분은 폭풍의 앞쪽 플랭크에서 유래하지 않고, 불변한 환경 공기에서 기인한다.
• 유입 공기는 주로 지표면에서 200–400미터 이내에서 유래하여, 표면 근처의 환경 조건이 매우 중요하다는 것을 시사한다.
• 저층 수백 미터 내 환경적 방향성 회전운동이 저층 메소사이클론 내 수직 회전운동의 주요 기원이다.
• 폭풍의 앞쪽 플랭크에서 생성된 회전운동은 메소사이클론의 회전에 미미한 기여도를 보이며, 이는 이전의 가정과 도전하는 결과이다.
• 저층 환경적 헬리시티가 토네이도 발생 예측에 뛰어난 성능을 보이는 것은 표면 근처에서 고회전운동을 지닌 공기 유입을 공급한다는 점에서 직접적인 이유가 있다.
• 연구는 환경적 방향성 회전운동이 저층 메소사이클론의 기초 강도를 결정하며, 폭풍에 의해 생성된 회전운동은 저헬리시티 환경에서 보조적인 역할을 한다고 제안한다.