[論文レビュー] Hurricane's Maximum Potential Intensity and the Gravitational Power of Precipitation

Anastassia M. Makarieva, V. G. Gorshkov+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2018

Tropical and Extratropical Cyclones Research参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、凝縮および降水量に伴う重力仕事の役割を分析することで、熱帯低気圧の最大潜在的強度（MPI）理論を再評価している。元のMPI式は顕熱と空気塊の上昇を考慮しているが、パワーに基づく速度推定において重力的パワーを無視しているため、修正はわずか10%以下にとどまり、以前に主張された10–30%の過大評価とはならないことが示された。

ABSTRACT

The concept of Maximum Potential Intensity (MPI) is widely used in tropical cyclone research to estimate the minimum central pressure and the maximum velocity of tropical storms from environmental parameters. The MPI pressure derives from consideration of an idealized thermodynamic cycle, while the MPI velocity additionally requires information about real-time power and heat flows within the storm. Recently MPI velocity was proposed to be a substantial overestimate (by 10-30 percent) presumably neglecting the power needed to lift precipitating water (the gravitational power of precipitation). This conclusion did not involve a theoretical analysis of the MPI concept but was based on observed hurricane rainfall to estimate gravitational power of precipitation. However, since the MPI pressure estimate does explicitly account for lifting water, and the MPI velocity derives from this pressure, the question arises whether a correction to MPI velocity is required. Here we represent and examine the MPI derivations in their most general form and show that although a correction to MPI velocity is justified, it is an order of magnitude or so smaller than originally proposed. We show that the neglect of gravitational power of precipitation in the MPI velocity estimate was caused by the incomplete formulation of the general relationship between pressure work and dissipation of kinetic energy, taken per unit time and integrated over the storm. We highlight the importance of an internally consistent framework to estimate both storm energy and power and provide some perspectives for further investigating the role of moisture.

研究の動機と目的

• 熱帯低気圧における最大潜在的強度（MPI）理論の熱力学的仕事に基づく式とリアルタイムパワーに基づく式との間に生じる不整合を解消すること。
• MPI速度推定において降水量に伴う重力的パワーを無視することで、顕著な過大評価が生じるかどうかを調査すること。
• 相変化および垂直運動を伴う状況下で、圧力仕事と運動エネルギー散逸の関係を明確にすること。
• 湿気および凝縮を含む熱帯低気圧のエネルギー収支において、エネルギーとパワーを統合する一貫した枠組みを確立すること。
• 最近の主張、すなわち未考慮の降水量に伴う重力的仕事によってMPI風速が10–30%過大評価されているという主張の妥当性を評価すること。

提案手法

• エネルギー/単位質量（仕事）と仕事/単位時間（パワー）の両形式を用いて、MPI概念を最も一般的な形で導出する。
• バーナウリ方程式および連続の式を用い、定常状態の気象循環において圧力勾配、運動エネルギー、垂直運動を関連付ける。
• 物質微分および発散定理を用いた体積積分を用いて、閉じた大気制御体積におけるエネルギーと仕事のバランスを分析する。
• 重力的パワーの項をエネルギー予算に導入・評価し、顕熱放出とは区別する。
• 仕事に基づくMPI圧力推定（上昇仕事を含む）とパワーに基づくMPI速度推定（降水量に伴う重力的仕事は含まず）を比較する。
• 不一致は、相変化を伴う状況下で、パワーアプローチにおける圧力仕事と運動エネルギー散逸の関係が不完全に定式化されていることに起因することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜパワーに基づくMPI速度推定は、仕事に基づく式がそれを含んでいるのにもかかわらず、降水量に伴う重力的パワーを無視するのか？
• RQ2 降水量に伴う重力的パワーによってMPI風速に及ぼされる補正の大きさはどの程度か？
• RQ3 仕事とパワーの両形式におけるMPI概念は、垂直運動および相変化の扱いにおいてどのように異なるか？
• RQ4 熱力学的および力学的側面を統合する一貫したエネルギー・パワー枠組みを構築できるか？
• RQ5 以前に主張された10–30%のMPI風速の過大評価は、無視された降水量に伴う仕事によって生じるものであり、物理的に妥当か？

主な発見

• 降水量に伴う重力的パワーはエネルギー予算において無視できないが、パワーに基づくMPI速度推定において無視されているため、修正はわずか10%以下にとどまり、以前に主張された10–30%の過大評価とはならない。
• 仕事に基づくMPI圧力推定は、空気および凝縮物の上昇に要するエネルギーを正しく考慮しているが、パワーに基づく速度推定は、降水量に伴う重力的仕事の考慮を欠いている。
• 不一致は、相転移を伴う状況下で、パワーアプローチにおける圧力仕事と運動エネルギー散逸の関係が不完全に定式化されていることに起因する。
• 方程式A.6における重力的パワー項（C）は有意であり、パワーバランスに含めるべきだが、他の項に比べてその大きさは小さい。
• 方程式A.6における凝縮に起因する運動エネルギー生成（項D）は、gz ≫ K でさえも、強力な熱帯低気圧（v ~ 60 m/s）においても無視できる。
• 仕事とパワーの両形式を統合する一貫した枠組みを構築することで、元のMPI理論が適切に適用されれば、内部的に整合的であり、降水量に伴う仕事のわずかな補正のみが必要であることが明らかになった。