This study clarified maintenance mechanisms of convective cells in meso-scale convective systems (MCS) observed in a humid subtropical region. The humid subtropical region is characterized by high humidity in the lower layer and a large amount of rainfall. Recent studies reported that MCSs in humid subtropical regions have some different characteristics from those in the dry region of the central U. S., which were well investigated in past decades. Among the distinct characteristics, this study focused on the lifetime of convective cells within MCSs and investigated the maintenance mechanism of the convective cells. This study proposed that a quasi-steady MCS which have long-lived convective cells is formed because of the weak downdraft in the convective cells in the moist midtroposphere environment in humid subtropical region.
An isolated MCS, which was observed over the Kanto Plain on 24 May 2000, and two line-shaped MCSs, which were observed during heavy rainfall experiments in the downstream region of the Yangtze River in Meiyu seasons in 2001, are selected as examples of MCSs developing in the humid subtropical region. Two MCSs were investigated with the dual Doppler radar analysis and a cloud resolving storm simulator (CReSS) for understanding their structures and formation or maintenance mechanisms.
The isolated MCS had similar structures to those of a typical supercell in a dry environment in the lower layer except for weak downdraft. The environment of the supercell-like storm possessed large convective available potential energy, strong vertical wind shear in deep layer, and a moist layer (the relative humidity was 60 to 90 % below a melting layer at 3 km in height). The dual-Doppler radar analysis revealed that the supercell-like storm had a hook-shaped echo, an overhanging echo structure, and a strong updraft with strong vertical vorticity. However, some of the characteristics of the supercell-like storm differed from those of a typical supercell. For example, a weak downdraft, a weak outflow, a weak inflow, and a short lifetime of about 30 minutes were noted. The convergence location between the weak outflow and the weak inflow kept its location just under the updraft for about 30 minutes. Using CReSS, the weak downdraft with small evaporative cooling rate was simulated in a moist layer below the melting layer at 3 km in height. The small evaporation cooling was a major cause of the weak downdraft and the weak outflow. Because the outflow was weak and did not cut off the initial updraft, the weak inflow could keep supplying warm air to the initial updraft for 30 minutes. Therefore, the present supercelllike storm could form as a result of the balance of the strengths of the weak inflow and the weak outflow in a moist environment.
The two line-shaped MCS had similar structure to those of a typical back-building rainbands in a dry environment. One of the two had convective cells whose lifetime exceeds 90 minutes and formed in a moist environment below the melting layer. Another had shortlived convective cells and formed in a drier environment. The dual-Doppler radar analysis revealed that the downdraft in a moist environment was significantly weaker than those in a drier environment. The simulation using CReSS revealed that potential temperature decrease due to evaporative cooling was larger in drier environment than that in moist environment. The moist environment below the melting layer causes small evaporative cooling of rain and produced a weak downdraft. The weak downdraft did not cut off supply of warm and moist air from environmental inflow. Therefore, convective cells within the MCS in moist environment could maintain for a long time. The long-lived convective cells formed the steady back-building rainband. On the contrary, the short-lived convective cells formed the back-building rainband which were maintained by the frequent replacement of convective cells.
This study proposed the understanding of the maintenance mechanism of convective cells within a MCS is very important, as well as organization mechanism of convective cells, in order to explain the maintenance mechanism of the isolated or line-shaped MCSs. This study revealed that the maintenance mechanism of convective cell is determined by the humidity in the midtroposphere. The MCSs in the dry region of the central U. S maintain when the short-lived convective cells within the MCS organize efficiently. On the contrary, the MCSs in humid subtropical region maintain when the convective cells organize efficiently or the convective cells within the MCS maintain for long time.
本論文は亜熱帯湿潤域におけるメソ対流系内の対流セルの維持機構に関する研究である。亜熱帯湿潤域は対流圏下層が湿潤である事と大きな年降水量で特徴づけられる。最近の研究では亜熱帯湿潤域におけるメソ対流系は、これまでの数十年で研究が盛んに行われた米国中央部の乾燥域におけるメソ対流系とは異なる性質を持つことが報告されている。本研究では、特にメソ対流系内の対流セルの寿命の違いに注目し、対流セルの維持機構を調べた。亜熱帯湿潤域では対流圏中層の湿度が高ければ、対流セル内で弱い下降流が形成されるため、対流セルの世代交代が遅い準定常的なメソ対流系が形成されることを提案した。
2000年5月24日に関東平野で観測された団塊状メソ対流系と、2001年と2002年の梅雨期に行われた長江下流域における豪雨集中観測で得られた２つの線状メソ対流系をサンプルとして、複数台のドップラーレーダによるデュアルドップラーレーダ解析と雲解像モデルCReSSを用いて、メソ対流系の構造、形成機構、および維持機構を調べた。
団塊状メソ対流系は、下降流が非常に弱いことを除いて、北米乾燥域で典型的に見られるスーパーセルとよく似た構造を持っていた。観測されたスーパーセルは、不安定で、 鉛直シアーが大きく、対流圏下層が湿潤な(高度3 km以下で相対湿度が60-90 %)環境場で発達した。デュアルドップラーレーダ解析によって、このスーパーセルは、典型的なスーパーセルに見られる"フック状エコー"、"オーバーハング構造"、"強い鉛直渦度を伴う上昇流"を持っていることがわかった。しかし、"弱い下降流"、"弱い冷気外出流"、 "30分程度の短い寿命"、および、積乱雲の発達に必要な暖かく湿った下層で流入する気流(流入気流)が弱かったという４つの顕著に異なる特徴も明らかにされた。この"弱い流入気流"と"弱い冷気外出流"の収束する位置が上昇流の真下に位置し続けたことでスーパーセルが形成された。雲解像モデルCReSSを用いた数値シミュレーションで高度3 km以下の湿潤層で、非常に小さい蒸発冷却率を持つ弱い下降流が再現された。その小さい蒸発冷却率が弱い下降流および弱い外出流をもたらした主な原因だった。外出流が弱く初期上昇流が流入気流と切り離されなかったので、弱い流入気流が暖湿空気を30分間上昇気流に供給し続けることができた。湿潤環境場では弱い外出流と弱い流入気流のバランスの結果、スーパーセルが形成されることがわかった。
２つの線状メソ対流系は融解層以下が乾燥した環境場のバック形成型レインバンドとよく似た構造を持っていた。２つのバック形成型レインバンドは対流圏の下層風と中層風の風向がほぼ同じで、風速が大きく異なる環境場で発達した。このような風系場では熱帯でしばしば観測されるスコールラインは発生せずに、バック形成型レインバンドが発生しやすいことが知られている。 １つのバック形成型レインバンドは90分を越える寿命を持つ対流セルを持っており、対流圏中層が湿潤な環境場で発達した。もう１つのバック形成型レインバンドは寿命の短い対流セルを持ち、対流圏中層が乾燥した環境場で発達した。デュアルドップラーレーダ解析によると、対流圏中層が湿潤な環境では乾燥した環境場よりも弱い下降流が見られた。CReSSによる再現実験によって、対流圏中層が乾燥した環境場では湿潤環境場に比べて蒸発冷却による温位降下が大きかったことが明らかにされた。湿潤環境場では雨滴の蒸発冷却が抑制され弱い下降流が形成された。この弱い下降流は暖湿空気の流入を阻害せず、このためメソ対流系内の対流セルの寿命が長くなることがわかった。長寿命の対流セルは定常的なバック形成型レインバンドを形成し、反対に短寿命の対流セルは世代交代が頻繁に起こるバック形成型レインバンドを形成した。
亜熱帯湿潤域における団塊状および線状メソ対流系の維持機構を説明する上で、メソ対流系内の対流セルの維持機構を調べることが重要である。北米乾燥域のメソ対流系の維持機構は、短寿命の対流セルが効率よく組織化できるかどうかで説明できる。一方、亜熱帯湿潤域のメソ対流系の維持機構は、対流圏中層の湿度によって対流セルの寿命が変わるため、対流セルの組織化と寿命の両方を考慮して説明されるべきである。本研究は、対流セルの寿命を考慮することで、効率よく組織化したが短寿命であったスーパーセルや効率よく組織化し、かつ長寿命であったバック形成型を統一的に説明した。