This study is a clarification of the multiscale structures and the formation mechanisms of precipitation systems over the East China Sea during the Baiu season. To understand the multiscale structures and the formation mechanisms of the precipitation systems, a case involving two merged rainbands on 27 June 1999 was selected. This case was favorable for studying the multiscale structures and the formation mechanisms of the precipitation systems because it was present in an oceanic area of dual Doppler radar observation for a long time and was reproduced very well by a 5 km-resolution non-hydrostatic model (5 km-NHM). The meso-β-scale structure and development of the two rainbands were investigated by dual Doppler analyses. A southern rainband called LINE1 formed in a southwesterly wind field associated with a weak convergence line in a layer of 1-2 km. A northern rainband called LINE2 formed along the Baiu front. LINE2 moved southeastward and merged into the quasi-stationary LINE1. As the merging occurred, LINE1 developed rapidly resulting from an intensification of the low-level convergence. The intensification of the convergence in LINE1 was attributed to a combination with a strong convergence in the Baiu front. Numerical simulations with the 5km-NHM revealed the features of the weak convergence line along LINE1. The weak convergence line along LINE1 in the southwesterly wind field had a large water vapor gradient in a layer of 0.5-1.5 km. In this study, the line with a large water vapor gradient distinct from the Baiu front is called a ``water vapor front.'' The meso-β-scale analyses showed that two distinct fronts without any land effects existed in the Baiu frontal region: the ``water vapor front'' (LINE1) and the Baiu front (LINE2).
In the meso-α-scale field simulated with the 5km-NHM, the cause of the merging of the two fronts is investigated. In a synoptic-scale cold air mass to the north of the Baiu front, a meso-α-scale cold pool formed in a stratiform precipitation region. The cold pool expanded to the south and rapidly pushed the Baiu front about 50 km southward in 2 hours. A sensitivity experiment confirmed that the cold pool was created by an evaporation cooling of raindrops. The experiment revealed that the cold pool continuously accelerated the northerly winds and intensified the low-level convergence along the Baiu front. To the south of the Baiu front, the meso-α-scale analysis with the 5km-NHM revealed the following. Over the East China Sea, oceanic and continental moist air masses contributed to the moisture supply of the two fronts. The ``water vapor front'' is a convergence line along the boundary of the oceanic and continental moist air masses. Because an abundant moisture supply with the oceanic airflow was blocked by the continental airflow at the ``water vapor front,'' the rainfall intensity was quite weak along the western part of the Baiu front. On the contrary, because the low-level convergence of the eastern part of the ``water vapor front'' was quite weak, the oceanic air partially advected into the eastern part of the Baiu front, and LINE2 developed strongly.
The analysis of the synoptic-scale field simulated with a 20 km- resolution regional spectral model (RSM) revealed the behaviors of the Baiu front and the ``water vapor front'' in the whole region of the East China Sea. In the RSM-simulated synoptic-scale field, the ``water vapor front'' extended with a length of about 1000 km to the south of the Baiu front over the East China Sea. In the RSM-simulated fields, the ``water vapor front'' originated in the coastal zone of China continent. It was suggested that the formation of the convergence of the ``water vapor front'' was associated with the eastward motion of a meso-α-scale cyclone. The formation of the ``water vapor front'' could be associated with an eastward motion of a meso-α-scale cyclone from China continent to the East China Sea.
The results of this study indicated that a ``water vapor front'' forming a rainband to the south of the Baiu front over the East China Sea. The ``water vapor front'' is a convergence line along a boundary of oceanic and continental moist air masses. The two rainbands analyzed in this study were generated in a synoptic situation, which was frequently observed during the Baiu season. The multiscale structures and the formation mechanisms of the precipitation systems clarified in this study could be applied to other cases over the East China Sea. This study propose that a hierarchy of the Baiu frontal rainfall distributions over the East China Sea depends heavily on an inhomogeneousness of moisture supply from the south. Over the East China Sea, both the continental and oceanic moist air masses could be important for the formation of precipitation systems.
梅雨期の東シナ海上では、梅雨前線に供給される水蒸気量が豊富なために強い雨を陸域にもたらし得る降水系が数多く継続的に発達する。梅雨期の降水系は、メソβ、メソα及び総観規模(それぞれ水平的に数十、数百、数千kmの規模を指す)で異なる特徴を示す。しかしながら、東シナ海上では、特にメソα、メソβ規模での観測が困難であったため降水系の各水平規模における構造(階層構造)が調べられていなかった。また、梅雨期には、梅雨前線の南側でもしばしば強い降水がもたらされるが、地形効果のない東シナ海における梅雨前線の南側で形成する降水系の形成機構は説明されていなかった。このような背景から、梅雨期に陸域でもたらされる強い雨の理解において、特に東シナ海で発達して上陸する際に雨をもたらす降水系の階層構造と形成機構の解明が求められている。本研究では、1999年の梅雨期に東シナ海上で実施された総観、メソα、メソβ規模の観測のデータと数値モデルの結果を併用して、東シナ海上で発生する降水系の階層構造と形成機構を解明することを目的とした。
本研究では、1999年6月27日に梅雨前線上とその南側で形成した2本の降水帯を東シナ海で発達して九州に上陸する事例の一つとして選出し、その階層構造と形成機構を調べた。まず、メソβ規模(水平的に数十kmの規模を指す)の内部構造をドップラーレーダーと非静力学モデルを用いて調べた。ドップラーレーダーによる降水強度及び風の場の観測から、梅雨前線の南側で降水帯は、南西風領域内で弱い下層収束線上に形成していたことが分かった。梅雨前線上で形成した北側の降水帯が南下した際には、2本の降水帯の併合が起こり、南側の降水帯が急激に発達する過程が観測された。観測された2本の降水帯について、非静力学モデルで再現した降水強度、風、温度及び水蒸気量の場の解析から、梅雨前線の南側の弱い下層収束線が顕著な水蒸気傾度を伴うことが分かった。この梅雨前線の南側で降水帯を形成した弱い下層収束線を『水蒸気前線』と名付けた。温位傾度及び水蒸気傾度の両方が明瞭である梅雨前線と異なり、『水蒸気前線』は、顕著な水蒸気傾度のみを伴う弱い下層収束線である。観測結果における南側の降水帯の急激な発達は、『水蒸気前線』と南下した梅雨前線との結合に伴う『水蒸気前線』上の前線収束の強化によって起こった現象であると解釈できる。
メソα規模(水平的に数百kmの規模を指す)の場において、梅雨前線の南下の原因と併合する前の2本の降水帯に水蒸気を供給する湿潤気塊の構造を非静力学モデルによる数値実験結果を用いて調べた。梅雨前線の南下は、梅雨前線の北側に見られた層状性降水域において雨滴の蒸発冷却が起こり、その結果東西幅約400kmの冷気塊が形成されたことに起因していた。一方、2本の降水帯に水蒸気を供給する下層の湿潤気塊について次のことが明らかにされた。東シナ海上では、東西に伸びる梅雨前線の南側において、西南西から東北東に伸びる『水蒸気前線』を境に2種類の湿潤気塊が存在していた。南西側からは、水蒸気量がより豊富な海洋性湿潤気塊が『水蒸気前線』と梅雨前線の東側部分に流入していた。一方、西側からは、水蒸気量が比較的少ない大陸性湿潤気塊が梅雨前線の西側部分に流入していた。従来、東西で一様なものとして認識されていた梅雨前線への南からの水蒸気供給は、東シナ海上においては非一様性が高いことが示された。
総観規模(東シナ海と中国大陸を含むような数千kmの水平規模を指す)の場において、梅雨前線と『水蒸気前線』の位置関係及び『水蒸気前線』の起源を静力学モデルによる数値実験結果を用いて調べた。『水蒸気前線』は東シナ海上で約1000kmの長さを持ち、中国大陸の東海岸まで伸びていることが分かった。さらに『水蒸気前線』に対応する下層収束線について時刻を遡って追跡した結果、その起源は、中国大陸東岸であることが分かった。『水蒸気前線』が中国大陸東岸から東シナ海上へ伸びる過程は、中国大陸上で発生したメソα規模低気圧が東シナ海へ東進することに対応していた。大陸上で発生したメソα低気圧が、『水蒸気前線』の形成に寄与があると考えられる。
本研究により、梅雨期に東シナ海上で降水系を形成し得る機構の一つとして、『水蒸気前線』という前線構造の存在が発見された。『水蒸気前線』は、東シナ海上で梅雨前線の南側に存在する顕著な水蒸気量の傾度を伴う収束線である。『水蒸気前線』という前線構造の発見により、東シナ海における降水系の形成機構を水平規模の階層を通して統一的に説明することができた。特に総観規模で見た降水域のうち降水のより強い部分は、メソα規模場で見た海洋性湿潤気塊と中国大陸から流入する大陸性湿潤気塊の分布に依存して形成されるものとして理解された。
本研究で示した降水系の形成機構及び階層構造は、注目した降水系が梅雨期全 体を通して一般的に見られる大気条件下で発生した事例であったことから、梅雨 期の東シナ海において普遍的に起こり得ると考えられる。本研究は、中国大陸と 日本にもたらされる梅雨期の降水に関する理解をつなぐための示唆として、東シ ナ海では大陸性及び海洋性の2種類の湿潤気塊が梅雨期の降水系を形成するため に重要な役割を持つことを示したものである。