[Japanese]
修士論文要旨(寺田 登与徳)

小規模孤立地形の風下に形成される湿潤対流の特性

寺田 登与徳

地形は降水の形成に対して重要な要因の1つである。大気下層が非常に湿潤な 大気環境場では、標高が低い地形であっても局所的に多量の降水をもたらすこ とがある。梅雨期の九州地方西岸において、標高が数 100mの低い山から風下 に延びる線状降水帯が発生することが報告されている。過去の研究では、地形 効果による気流構造の変化によって風下の線状降水帯を形成していると示唆さ れた。しかし地形の影響による気流構造、それに伴う対流雲の形成についての 詳細な検証は行なわれていない。また大気環境場と地形性降水帯の発生の関係 についての検証も不十分である。本研究では、下層高湿潤場において小規模孤 立地形風下の対流雲の形成メカニズムを明らかにし、また下層の水蒸気量と大 気の安定度の違いによって変化する対流雲の特性について明らかにすることを 目的とする。そこで小規模孤立地形である九州西岸の甑島を対象地形とし、名 古屋大学の雲解像モデルCReSS(Cloud Resolving Storm Simulator)による数 値実験から調べた。その初期値には理想的な水平一様場を与えた。

甑島風下に形成される線状降水帯に対する甑島周辺の地形の影響を調べた。長 島、天草、川内の地形よりも甑島の地形が線状降水帯の形成要因として重要で あった。次に甑島のみを地形データとした数値実験を行ない、その風下に形成 される対流雲の形成メカニズムを調べた。下甑島の風上側の上昇流と風下側の 下降流によって、地形に沿った浅い対流雲が形成される。一方で甑島の迂回流 が風下側で収束し、下層の空気塊を持ち上げ、対流雲を形成する。これに伴う 水蒸気の凝結による潜熱の開放が正の浮力を生成し、上昇流は強化される。そ して対流雲は発達しながら上層の風に流され風下に移動する。最後に対流雲が 自由対流高度を十分に越えるほど発達し、深い対流雲となり降水をもたらすこ とで、線状の降水帯が形成される。

次に小規模地形風下側の収束域の特性を決定する要素について調べた。大気の 安定度と風速を変化させ、大気中に水蒸気を含まない実験を行なった。大気が 不安定なほど収束は強くなり、風速が大きいほど収束域はより風下に形成され た。地形が存在するとき、迂回流が卓越するか、山越え気流が卓越するかの指 標であるフルード数が等しくても、大気の安定度によって収束域の長さ、強さ に変化が見られた。

最後に下層の大気の安定度と水蒸気量を変化させた感度実験を行ない、地形性 対流雲の形成パターンについて調べた。大気が安定であっても水蒸気量がより 多くあれば、もしくは水蒸気量が少ない場合でも大気がより不安定であれば、 雲も雨も形成されないパターンから降水をもたらす活発な対流雲が形成される パターンへ移行する。また鹿児島における気象庁の高層気象観測データから、 大気環境場と線状降水帯の発生の関係を調べた。南西風が卓越した日において、 下層が湿潤で大気が不安定なとき地形性線状降水帯が高頻度で観測された。こ れは数値実験の結果と一致しており、下層の大気の安定度と水蒸気量が小規模 孤立地形の風下に形成される対流雲の発達に関して重要な要素であることが分 かった。

本研究では小規模孤立地形による気流構造と、それに伴う対流雲の形成メカニ ズムを明らかにした。また大気環境場の諸条件の変動に伴う地形性対流雲の応 答について明らかにした。
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[English]

Characteristics of Moist Convection
on the Lee Side of Small Isolated Orography

Toyonori TERADA

Line-shaped rainfall systems often appear in the western Kyushu to the south of the Baiu front. There are four remarkable line-shaped rainfall systems, which are called the Goto line, the Nagasaki line, the Amakusa line and the Koshikijima line. The line systems extend northeastward from the Goto Islands, the Nagasaki Peninsula, the Amakusa Islands and Koshikijima Islands, respectively. These topography has northeast orientation and is less than 500 m in height. Previous studies suggested the influence of orography on the formation of the line-shaped rainfall systems. However, the airflow structure induced by topography has not been studied in detail. The present study has two main purposes. The first is to clarify the formation mechanisms of convective clouds on the lee side of small orography in the highly moist environment and the role of orography. The second is to examine the chacteristics of moist convection that changes depending on the stability of the atmosphere and water vapour vertical profile. We conducted three dimensional numerical simulations of the line-shaped rainfall system formed on the Koshikijima Islands as an example.

First, the influence of topography around the Koshikijima Islands to Koshikijima line was examined. The existence of the Koshikijima Islands is more important factor for Koshikijima line than that of Sendai Region, Amakusa Islands and Nagashima Island. The formation mechanisms of convective clouds on the lee side of small orography was analyzed. The Koshikijima Islands consist of Shimo-koshikijima Island and Kami-koshikijima Island. The southwest wind hits against the Shimo-koshiki Island. The Shimo-koshikijima Island induce the ascent on the upwind side and the descent on the lee side. These airflow form shallow convective clouds following the shape of the Shimo-koshikijima Island. However, these clouds did not make the rainfall and did not form the line-shaped rainfall system on the leeside. On the one hand, the ambient air flow forms a convergence reigion on the lee side of the Shimo-koshikijima Island. In the previous observation pointed out the existence of this convergece region on the lee side of the Koshikijima Islands. The convergence region in the lower layer forms ascent motion. Then, this flow forms the shallow convective clouds. Additionally, a positive buoyancy which is generated by condensation heating strengthens the vertical updraft. The convective clouds move leeward with developing, and then precipitation occurs on the lee side of the Koshikijima Islands. The line had about 100~km in length and 10~km in width. From the result of this study, the line-shaped rainfall systems is not caused by orographic forcing but by the convergence on the lee side of the small orography.

Next, the environmental factors which govern the characteristics of convergence region on the lee side of the small orography was examined. We conducted a number of experiments which changed the wind velocity and the stability of atomosphere. The strength of convergence depends on the stability of atmosphere and the location of the convergence region depends on the wind velocity.

We examined that the stability of atmosphere and water vapour profile govern the characteristic of convective clouds on the lee side of the small orography. If the atmosphere is less unstable or the environment is more humid, the orographic convective clouds are more intese. From the result of observation data of Japan Meteorological Agency, the same tendency was seen. These two environmental foctors govern the strength of convergence on the lee side of the small isolated orography. Consequently the charcteristics of moist convection on the lee side of small isolated Orography depends on the stability of atmosphere and water vapour profile.

This paper clarified the formation process of convective clouds induced by small isolated orography in the highly moist enviroment, and the chacteristics of moist convection depending on the stability of atmosphere and water vapour profile.
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