[論文レビュー] Can Existing Theory Predict the Response of Tropical Cyclone Intensity to Idealized Landfall?

Jie Chen, Daniel R. Chavas|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2021

Tropical and Extratropical Cyclones Research参考文献 65被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、海洋環境を想定して開発された既存の熱帯低気圧（TC）強度理論が、理想化されたシミュレーションにおいて陸上上でのTC強度の減衰を予測できるかどうかを検証する。軸対称のf平面シミュレーションを用い、瞬時の地表面粗度上昇と乾燥化を施した結果、一時的な強度減衰はエマニュエル（2012）の強化理論を弱まりに一般化することで予測可能であり、初期の急激な減衰は摩擦的スピンダウンモデルによって捉えられることが示された。理論は経験的減衰モデルと良好に一致しており、内陸部におけるTC強度の変化を理論的に予測する強力な可能性を示している。

ABSTRACT

Tropical cyclones cause significant inland hazards, including wind damage and freshwater flooding, that depend strongly on how storm intensity evolves at and after landfall. Existing theoretical predictions for the time-dependent and equilibrium response of storm intensity have been tested over the open ocean but not yet to be applied to storms after landfall. Recent work examined the transient response of the tropical cyclone low-level wind field to instantaneous surface roughening or drying in idealized axisymmetric f-plane simulations. Here, experiments testing combined surface roughening and drying with varying magnitudes of each are used to test theoretical predictions for the intensity response. The transient response to combined surface forcings can be reproduced by the product of their individual responses, in line with traditional potential intensity theory. Existing intensification theory is generalized to weakening and found capable of reproducing the time-dependent inland intensity decay. The initial (0-10min) rapid decay of near-surface wind caused by surface roughening is not captured by existing theory but can be reproduced by a simple frictional spin-down model, where the decay rate is a function of surface roughness. Finally, the theory is shown to compare well with the prevailing empirical decay model for real-world storms. Overall, results indicate the potential for existing theory to predict how tropical cyclone intensity evolves after landfall.

研究の動機と目的

• 海洋上における既存の熱帯低気圧（TC）強度理論が、陸上上での強度応答を予測できるかどうかを評価すること。
• 地表面の粗度上昇と乾燥化の併存効果が、個々の応答の積によって予測できるかどうかを調査すること。
• 既存の時間依存型強度理論が、陸上上でのTC強度の過渡的減衰を再現できるかどうかを評価すること。
• 理論的予測が、近地面風速および境界層風速の両方に対して成立するかどうかを特定すること。
• 理論的予測を、現実のTCに対して広く用いられている経験的減衰モデルと比較すること。

提案手法

• 成熟した熱帯低気圧が、粗度上昇と乾燥化による瞬時の地表面力にさらされる、理想化された軸対称のf平面シミュレーションを実施する。
• E86の潜在的強度理論を用いて、地表面変化に対する平衡強度応答を予測する。
• E12時間依存型強化理論を弱まり状況に一般化し、過渡的減衰ダイナミクスを予測する。
• E12理論が捉えきれない初期の急激な減衰フェーズを説明するために、摩擦的スピンダウンモデルを用いる。
• 理論的予測を、近地面風速および境界層風速の両方について、シミュレーション結果と比較する。
• 広く用いられている経験的指数減衰モデルに対して、理論的モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の潜在的強度理論（E86）は、同時に発生する地表面の乾燥化と粗度上昇に対して、平衡応答を予測できるか？
• RQ2 表面の乾燥化と粗度上昇の併存に対する過渡的応答は、個々の応答の積によって予測できるか？
• RQ3 既存の強化理論（E12）は、表面の乾燥化および／または粗度上昇に対する過渡的減衰応答を予測できるか？
• RQ4 理論的予測は、近地面風速および境界層風速の両方の応答に対して成立するか？
• RQ5 理論的予測は、現実の嵐に対して一般的に用いられている経験的減衰モデルとどの程度一致するか？

主な発見

• 表面粗度上昇と乾燥化の併存に対する平衡強度応答は、E86の潜在的強度理論によって良好に予測可能であり、これが海洋外への適用可能性を裏付けている。
• 同時に発生する表面力への過渡的応答は、個々の応答の積によって正確に再現可能であり、理論的枠組みにおける線形性仮定を支持する。
• E12に基づく理論は弱まりに一般化され、特に中〜長期スケールにおいて、陸上上での近地面風速の時間依存的減衰をうまく予測している。
• 表面粗度上昇に起因する初期0〜10分間の近地面風速の急激な減衰は、E12理論では捉えきれないが、粗度に比例する減衰率を持つ単純な摩擦的スピンダウンモデルによって正確に再現可能である。
• E12理論から導かれた理論的減衰解は、初期強度のさまざまな範囲において、広く用いられている経験的指数減衰モデルと強い定量的整合性を示している。
• 純粋な摩擦的スピンダウンとE12減衰（最終強度がゼロ）の理論的解は、数学的に同一の形を示しており、交換係数（Ck と 2Cd）の違いを除いては同一である。これは、摩擦主導の減衰から熱力学的バランスのとれた減衰への物理的遷移を示唆している。