台風発生研究の今後の展開〜台風発生段階式メカニズム(仮説)〜〜なぜ台風は発生しない〜
筆保弘徳
横浜国立大学

名古屋大学 2011年10月21日

Background

台風発生メカニズムの解明は・・・
気象学研究においても、最も解明されていないメカニズムの一つとされている(Emanuel 2003; Gore2006；伊藤 2007)

解明を困難にする原因は？
1. 台風発生が起きる亜熱帯域海上での密な観測が困難
2. 高精度な気象モデルを用いた数値シミュレーションを行っても，長時間・多重スケール現象である台風を再現するのは困難

名古屋大学 2011年10月21日

Background2000年代にはいると・・
・コンピュータ技術と数値モデル開発が飛躍的に進む
・直接的観測(航空機の利用)やリモートセンシング観測技術の向上
これまで難しかった個々の対流雲の振る舞いなどが観測・再現される

台風発生過程研究のレビュー•••

1990年代後半〜2000年代の研究
メソスケール過程の研究を・・経緯を含めて何が分かっていないか、今後の研究課題をいっしょに探る
名古屋大学 2011年10月21日

Table of contents

1. 台風発生とは？
2. 台風発生メソスケール過程解明の問題点
3. NICAMによる台風発生の再現
4. まとめ5. Discussion

名古屋大学 2011年10月21日

1 台風発生過程とは名古屋大学 2011年10月21日

Introduction

台風発生過程の定義はない！
・物理的なメカニズムを考えた場合、閾値17ms‐1という数字に大きな意味はない(｢台風｣山岬1982)
・台風発生過程の定義の曖昧さが、発生問題をさらに複雑にしているという指摘もある(Harr 2006)
ここでの台風発生過程の定義
雲や渦が全くない場から、台風発生に適した環境場が整った亜熱帯海上で対流雲が発生し、それらが組織化して台風構造と自己発達メカニズムを持つまでの過程
名古屋大学 2011年10月21日

A synthesis of the cyclogenesis process
熱的因子を満たす
プレコンディショニング

水平スケール
ENSO等

海域
スケール

MJO・
モンスーントラフ等

Synoptic‐scale 大規模‐2000kmスケール

台風
クラスター・メソ対流・
MCS・MCV併合・SSI軸対称化Meso‐β‐scale メソ対流系
スケール
200km
‐ 20kmMeso‐γ‐scale
メソ対流・20km
対流スケール‐ 2km

対流雲組織化をもたらす
メソスケール過程

個々の台風発生をコント
ロール

ダウンス
ケーリング

相互作用

2000km‐ 200km

季節内変化

力学的因子を満たす
プレコンディショニング

熱帯波動擾乱・大規模擾乱等

台風システムMeso‐α‐scale スケール

長期変化

相互作用

台風組織化
アップス
ケーリング

対流バースト・
VHTs併合・強化

対流活発化

プレコンディショニングステージ

台風組織化ステージ
自己発達ステージ
第1次渦強化
第2次渦強化季節

数日−10日前

10‐60日前

発生時間名古屋大学 2011年10月21日

Introduction

台風発生メソスケール過程の要点(1) 対流雲の集団の持続的な発生：温暖核形成(2) 渦の強化：温暖核の維持と海上風の強まりの効果(3) 台風システムスケールへの発達：自己発達メカニズムＣＩＳＫの条件

名古屋大学 2011年10月21日

2 台風発生メソスケール過程解明の問題点と進展名古屋大学 2011年10月21日

Roadblocks(問題点1)
対流雲集団の持続的な発生・組織化がなぜ起きるか？

(1) 台風発生前(海上風速が強まる前)に対流活発化が観測
Zehr(1992)(2) MCSs内層状領域での対流バー
スト

MCSs層状領域は、対流活発化にとって、力学的・熱力学的に不都合な環境場？ 名古屋大学 2011年10月21日

Recent observational studies
Houze 2010
Houze et al. 20092005年9月6日2108‐2123UTCにおける
Harricane Opheliaの飛行機搭載型ドップラーレーダの観測結果。(a)は(c)y=19kmでの鉛直断面図。(c)は高度8kmの平面図。(a)反射強度(影 dBz)と東西風と鉛直流(ベクトル)、浮力場(仮温位偏差、2.5K間隔の白コンター)と気圧摂動(0.5hPa間隔の黒コンター、太線は0)。(c)鉛直相対渦度(影)と風の摂動(ベクトル)と浮力場(１K間隔の白コンター)と気圧の摂動(0.5hPaの黒コンター)。

名古屋大学 2011年10月21日

Recent observational studies

Houze et al. 2009 観測結果のまとめ
対流雲形成メカニズム=non‐gust‐front convective triggering
対流圏下層の深い吹き込み・降水による蒸発冷却・非断熱加熱による浮力効果
1. 層状性降水の蒸発冷却・混合の高密度・高湿の境界層
2. 強い海上風と摩擦による強い吹き込みの気塊
3. 自由対流高度まで容易に持ち上げる。
4. 対流圏上層の非断熱加熱による浮力も加わり強い対流性上昇流が発生周囲の大規模擾乱の影響も加わり対流圏下層の吹き込み層が深くなれば、その上昇流は深く発達する

1970‐80年代に理想場数値実験の研究(Yamasaki 1977ab, 1979, 1983, 1984, 1988；
Crook and Moncrieff 1988)で得られた対流雲活発化のメカニズムと整合的名古屋大学 2011年10月21日

(問題点2)
対流圏下層の渦？

名古屋大学 2011年10月21日

Roadblocks(要点2) 渦の強化：対流圏下層ピークの正渦
Q. 対流圏下層の正渦の発生はどうして起きる？
1990年代後半から2000年代前半2種類の仮説
トップダウン仮説
ボトムアップ仮説
E. Ritchie
M. Montgomery
名古屋大学 2011年10月21日

Top-down theory vs. Bottom up theory
登場する渦

Vortical hot tower；VHT,
対流領域で発生する渦
VHT対流性渦
対流スケール1〜10km
渦強度は強い長生き 数時間

Mesoscale convective vortex；MCV
MCS内の層状領域で発生する渦MCV 層状性渦
層状領域スケール数十〜数百km
渦強度は弱い長生き 数日名古屋大学 2011年10月21日

Top-down theory vs. Bottom up theory
外部強制力

トップダウン説

無渦度0
降水域(MCSs)

渦の併合過程・強化Stratiform
10km

MCV formation

cloud5km

10km

ボトムアップ説Convectivecloud/VHT
formation

MCV merging/development

5km
Convective cloud

Top of the BLR

MCVsが主役

Top of the BLR

System-scale
primary circulation

VHTsが主役

Secondary
MCV 層状性渦
VHT対流性渦circulation
メソ対流スケール100〜500km
対流スケール1〜10km
渦強度は弱い渦強度は強い下層への移動？発達？
SSI 台風システムスケール発達に貢献?
移動した渦の強化？
観測による仮説証明？
2部で解説
名古屋大学 2011年10月21日

3 NICAMによる台風発生の再現
Fudeyasu et al. 2008, 2010a,b

名古屋大学 2011年10月21日

Experimental setup

NICAMによるMJO実験で再現された台風発生過程
NICAM MJO experiment• Horizontal grid resolution:– glevel 10: 7 km

Miura et al. 2007
Nasuno et al. 2009•

Vertical domain:– 0 m ~ 38,000 m, 40-levels (stretching grid)•Initial conditions:– Interpolated from NCEP reanalysis (6 hourly, 1.0degree grids)– 2006-12-15 00:00:00•Boundary conditions:– Reynolds SST, Sea ICE (weekly data)– ETOPO-5 topography, Matthews vegetation– UGAMP ozone climatology (for AMPI2)•Integration:– 32 days from 15 December 2006 to 16 January

•

Note:
– Subgrid scale convective parameterization was not used
– Artificial techniques to nudge were not used名古屋大学 2011年10月21日

Observation vs. NICAMMTSAT-1R

NICAM

MJO‐organized clouds

MJO‐organized clouds

TS Isobel

TS Isobel
Dec. 29 2006
2weeks after initialization

Surface rain rate (mm hour‐1) by TRMM‐TMI
0920 UTC 2 Jan.

Latitude300km

Surface rain rate (mm hour‐1) by NICAM

2230 UTC 2 Jan.

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Observation vs. NICAM
BoM: Australian Government Bureau of Meteorology
BoM best track vs. NICAM‐TC track

29
13131
12Obs.
2334

Sea level pressure (hPa)

Latitude

NICAM 28

BoM‐TC SLP vs. NICAM‐TC SLP
NICAM
1010
1000

Obs.

990
980
97096012/28 29 30Longitude

31 1/1

2345Date

NICAM reasonably captured Isobel’s motions, timing, and intensity changes.

名古屋大学 2011年10月21日

Time series ofVHT
MCVgenesis
evolution in IE stage
Time series with 6 hourly interval in the IE stage
Precipitation & Surface wind 310‐330K isentropic cyclonic PV
MJO onset‐WWB

12UTC 27

18UTC 27
WWB

Rainband formation

00UTC 28200km

Trade easterlies

06UTC 28

MCVs genesis
with MCSs

18UTC 28

Concentric MCV
with PV monopole

MCVs merging
12UTC 28

Q: What cause the MCV structure/intensity changes?

名古屋大学 2011年10月21日

Time series of VHTs evolution in IE stage
310‐K isentropic surface cyclonic PV
12UTC 2718UTC 27100km

Vortical hot tower (VHT)
00UTC 2806UTC 28

12UTC 2818UTC 28

名古屋大学 2011年10月21日

Time series of VHTs evolution in IE stage
310‐K isentropic surface cyclonic PV
12UTC 2718UTC 2700UTC 28Level (km)Potential vorticity

Vortical hot tower (VHT)
06UTC 28

Level (km)Vertical velocity

12UTC 28

Warm anomaly

Sea level pressure

18UTC 28

Precipitation

名古屋大学 2011年10月21日

Time series of VHTs evolution in IE stage
310‐K isentropic surface cyclonic PV
12UTC 2718UTC 27Vortical hot tower (VHT)
00UTC 28

A

12UTC 2806UTC 28

BC

Enhanced VHTs genesis

18UTC 28

Isolated intense PV core
Merging of multiple VHTs

名古屋大学 2011年10月21日

Time series of VHTs evolution in IE stage
310‐K isentropic surface cyclonic PV
12UTC 27
Potential vorticity

Warm anomaly

Level (km)Vortical hot tower (VHT)
00UTC 28

A
Vertical velocity

Level (km)18UTC 2706UTC 28

BC

Sea level pressure

12UTC 28

Enhanced VHTs genesis

18UTC 28

Isolated intense PV core

Merging of multiple VHTs
Precipitation

名古屋大学 2011年10月21日

MCVs‐VHTs
Potential vorticity

Potential vorticity

低気圧性渦位の6時間毎変化
12UTC 27

18UTC 27渦のコア形成＝対流雲集団の集中化
MCVs
06UTC 28
Key：強い渦・軸対称化・温暖核形成
Warm anomaly
VHTs＝傾度風バランス化

00UTC 28
Warm anomaly

システムスケール強化過程
12UTC 28

18UTC 28

Sea level pressure

Sea level pressure

渦のコア名古屋大学 2011年10月21日

台風バランス力学
１．第一次近似で温度−気圧−1次循環はバランス構造を持つ
バランス：傾度風、静水圧平衡、温度風関係∂φθg ∂θ2v ∂vv 2 ∂φ
= g , ( f 0+ ) = ξS =fov + = ,,r ∂rθ0∂zr ∂z
θ0 ∂r

２．外力により、1次近似バランスが崩される
外力：非断熱効果、摩擦、渦効果
Q=gθ0( −u ′∂θ ′∂θ ′ &− w′+θ)∂r∂z

F = −u ′ζ ′ − w′∂v′+ F sg∂z

３．傾度風バランス維持(調節)に2次循環が役割を果たす
診断方程式：Sawyer-Eliassen equation (Eliassen 1951)∂ ⎛ A ∂ψ B ∂ψ ⎞ ∂ ⎛ C ∂ψ B ∂ψ ⎞ ∂Q ∂ξF v−++⎟=⎜⎟+ ⎜∂z∂r ⎝ r ∂r r ∂z ⎠ ∂z ⎝ r ∂z r ∂r ⎠ ∂r
2次循環流線関数

vtan = −1 ∂ψ
1 ∂ψ, w=,r ∂zr ∂r

外力名古屋大学 2011年10月21日

過去の研究Pendergreass and Willoughby (2009) ∂ ⎛ A ∂ψ B ∂ψ ⎞ ∂ ⎛ C ∂ψ B ∂ψ ⎞ ∂Q ∂ξF v外力：壁雲に見立てた非断熱加熱
5++−⎜⎟+ ⎜⎟=∂r ⎝ r ∂r r ∂z ⎠ ∂z ⎝ r ∂z r ∂r ⎠ ∂r∂z

Level (km)Vertical velocity

壁雲非断熱加熱による2次循環
Level (km)Radial winds
105205070

システムスケール発達過程＝
2次循環による絶対角運動量輸送により1次循環は発達する名古屋大学 2011年10月21日

台風理想実験TCM4と診断モデルEliassen
Model
Model domain

TCM4(Nonhydrostatic tropical cyclone model)

3-dimentional domain (Cartesian -σ coordinate)
Nested Mesh 4：2.5 km × 2.5 km

Government
equation

Primitive equation (non hydrostatic version)

Precipitation
schemeExplicit treatment of bulk cloud microphysics
packageConvective
parameterization

None

Model
Model domain
Government equation

Eliassen model (version 3)
2-dimentional domain
Radius 70× 2.5km (0-175km)
Sawyer-Eliassen equation (Eliassen 1951)∂ ⎛ A ∂ψ B ∂ψ ⎞ ∂ ⎛ C ∂ψ B ∂ψ ⎞ ∂Q ∂ξF v−++⎟=⎜⎟+ ⎜∂z∂r ⎝ r ∂r r ∂z ⎠ ∂z ⎝ r ∂z r ∂r ⎠ ∂r名古屋大学 2011年10月21日

TCM4 2次循環 vs Eliassen 診断2次循環

Radial winds
動径風：Outflow/
Inflow

EliassenLevel (km)TCM4

Vertical velocity
鉛直流：
Updraft/
Downdraft

Level (km)Radius (km)Radius (km)名古屋大学 2011年10月21日

収支解析結果
Budget for azimuthal-mean tangential moment
水平移流

鉛直移流

水平渦

鉛直渦

摩擦Friction (tangential)
Mean horizontal flux
Eddy vorticity flux
Eddy moment advection
Mean vertical advection

軸対称構造
鉛直断面図

水平移流

鉛直移流

水平渦

鉛直渦

摩擦

上層雲 Anvil 壁雲 眼 壁雲 上層雲 Anvil

10km
5 km
2 km

境界層
150km

60km 30km

0km

名古屋大学 2011年10月21日

NICAMｰ台風2次循環 vs Eliassenｰ台風2次循環

動径風：Outflow/
Inflow

Eliassen

高度(km)

NICAM

鉛直流：
Updraft/
Downdraft

高度(km)

半径(km)

台風バランス力学で説明されるシステムス
ケール発達プロセス(SSI)が起きている
半径(km)

名古屋大学 2011年10月21日

4 A synthesis of the cyclogenesis
process
Fudeyasu et al. 2010a,b

名古屋大学 2011年10月21日

Schematic diagram of Isobel’s cyclogenesis process
大規模スケール

Date

26

外力MJO

台風システムスケール

メソ対流系スケール
300km

1000km

プレコンデショニング

27

メソ対流スケール
50km

対流雲の活発化

降水帯形成

対流雲でVHTs 発生

層状雲でMCV発生
複数のMCVが結合

複数のVHT結合・渦強化・軸対称構造
・温暖核形成28

核 VHT形成

台風発生

プレコンディショニング
降水帯発生
10km

MCV

第一次渦強化
対流雲活発化

第一次渦強化
コア領域形成第二次渦強化
SSI発達

VHT

5km
VHT

名古屋大学 2011年10月21日

Summary• NICAM-MJO実験により、長時間で多重スケールの台風発生を再現していた。
• 外力：MJOによるプレコンデショニング• 内部プロセス：二段階の渦強化過程を提案(Fudeyasu et al. 2010ab)• 第一次渦強化
層状雲での渦発生
対流雲による渦強化
最終的にコアの形成• 第二次渦強化
システムスケール発達プロセス
台風スケールまでの発達

名古屋大学 2011年10月21日

A synthesis of the cyclogenesis process
熱的因子を満たす
プレコンディショニング

水平スケール
ENSO等

海域
スケール

MJO・
モンスーントラフ等

Synoptic‐scale 大規模‐2000kmスケール

台風
クラスター・メソ対流・
MCS・MCV併合・
SSI
軸対称化

Meso‐β‐scale メソ対流系
スケール
200km
‐ 20kmMeso‐γ‐scale 対流スケール
20km
‐ 2km

対流雲組織化をもたらす
メソスケール過程

個々の台風発生をコント
ロール

ダウンス
ケーリング

相互作用

2000km‐ 200km

季節内変化

力学的因子を満たす
プレコンディショニング

熱帯波動擾乱・大規模擾乱等台風システムMeso‐α‐scale スケール

長期変化

相互作用

台風組織化
アップス
ケーリング

対流バースト・
VHTs併合・強化

対流活発化

プレコンディショニングステージ

台風組織化ステージ
自己発達ステージ
第1次渦強化
第2次渦強化季節

数日−10日前

10‐60日前

発生時間名古屋大学 2011年10月21日

5 Discussion

名古屋大学 2011年10月21日

Discussion
今後の課題

台風発生マルチスケール相互作用

なぜ台風はそれほど頻繁に発生しないのか？

名古屋大学 2011年10月21日

Discussion
今後の課題

台風発生マルチスケール相互作用

なぜ台風はそれほど頻繁に発生しないのか？
• 現実大気＝水平シアや鉛直シア、乾燥気塊の慣入など、台風発生過程にとって負の影響が多く存在する。 ≠ 理想場実験での｢箱入り台風｣の発生• メソスケール過程による台風発生完了までの長い期間に、この負の影
響から台風の卵が守られるかどうかが、台風が誕生できるかの要と言える。(近年の研究marsupial paradigm)• ｢台風の発生を、なんらかの不安定による擾乱の成長としてとらえる通常の不安定論的な考え方は適当ではない｣(Ooyama 1982, P371；山岬1982)
名古屋大学 2011年10月21日Discussion
今後の研究手法観測！！

• 飛行機観測• ライダー搭載型衛星観測名古屋大学 2011年10月21日

epilogue

台風 ＝ 線香花火
１．激しい現象で比較的長生き２．ライフサイクル
発生の仕方
ロウソク・マッチなど(外的強制力は多種)
火薬 (内部プロセス1つ)
火を付けた瞬間 ＝ 第一次渦強化
しばらくして落ち着く ＝ 第二次渦強化
発達の仕方
球＝軸対称 球が崩れる＝非軸対称
環境風に弱い
３．
名古屋大学 2011年10月21日