[Japanese]
修士論文要旨(辻野 智紀)

熱帯低気圧の最大強度に対する内部コアの非軸対称成分の寄与

辻野 智紀

最大風速によって評価した熱帯低気圧の強度に関する理論的研究は, 近年急速に進展した. 中でも, Emanuel (1986) によって提唱された熱帯低気圧の最大可能強度に関する理論 (MPI 理論) などに見られる 2 次元軸対称構造を仮定した熱帯低気圧の理論モデルは, 力学的, 熱力学的な考察に基づき, 現実の熱帯低気圧の構造を非常によく表現している. これによって熱帯低気圧が獲得しうる最大強度を, 熱帯低気圧の存在する海域での海面水温や対流圏界面の温度といった環境場の物理量から推定することが可能である. このような理論的研究を証明するために, 数値モデルを用いた数値実験による熱帯低気圧の最大強度に関する研究も数多く行われている. このような研究では, 2 次元軸対称数値モデルを用いることで, 理論的研究において無視される複雑な過程 (例えば乱流混合や水の相変化の過程) を考慮した熱帯低気圧の強度予測が可能となる.

しかし, これらの 2 次元軸対称モデルでは,熱帯低気圧の非軸対称性を表現することはできない. Wang (2002a,b) は, 3 次元静力学モデルを用いて, 理想的な熱帯低気圧の非軸対称性が熱帯低気圧の強度と構造の変化に影響を与えるということを示した. これは, より正確に熱帯低気圧の最大強度を予測するためには, 2 次元軸対称モデルではなく, 3 次元の数値モデルによる予測が必要であることを示唆している. また, 2 次元軸対称を仮定して構築されている理論モデルについても, この 3 次元の非軸対称性による効果を考慮しなければならないと考えられる.

そこで, 本研究では, 3 次元非静力学モデル (CReSS) を用いて理想化した熱帯低気圧の最大強度に対して, 内部コアでの非軸対称性がどのように影響しているのかということを角運動量収支解析から定量的に見積もった. さらに, 成熟期の最大強度が異なる複数の熱帯低気圧について解析を行い, 非軸対称性の寄与の度合いが最大強度とどのような関係をもつのかということを調べた. その結果, 熱帯低気圧の風速が最大となる内部コア領域においては, 非軸対称成分が最大風速に対して負(減速)の寄与を与えていることが明らかになった. また, この減速の効果は軸対称成分による最大風速の加速の効果に対しておよそ 10% 程度の大きさであることと, 熱帯低気圧の最大強度が強くなるとともに減速の大きさが大きくなっていることも示した. したがって, 最大強度の強い熱帯低気圧について, この非軸対称成分を無視することは適切ではない. この結果は, 理論モデルにおいて非軸対称成分の効果を考慮すべきであると示唆している. さらに, エネルギー収支によって内部コアにおける非軸対称性がどのようなメカニズムで維持されているのかを解析した. その結果, 非軸対称成分のポテンシャルエネルギーの運動エネルギーへの変換と順圧および傾圧過程による運動エネルギーへの変換によって, 内部コアでの非軸対称成分のエネルギーが供給されていることを明らかにした. 最後に, 内部コア領域において, 接線方向に高速な伝播速度をもつ非軸対称な波を検出した. これは軸対称風の中で伝播する渦ロスビー波として説明することができ, 熱帯低気圧の強度を理解するために重要である. そこで, この波の伝播特性を浅水モデルの渦ロスビー波の分散関係式から得られる理論値と比較した. その結果, この波の位相速度は理論値とほぼ同程度の値となることを示した. これは非静力学モデルでシミュレートされた熱帯低気圧の内部コアにおける, 非軸対称成分が渦ロスビー波の伝播として説明することが可能であることを示唆している.
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[English]

Contributions of non-axisymmetric components in the inner core to the maximum intensity of tropical cyclones.

Satoki TSUJINO



Recently, theoretical study of the maximum intensity, which is measured by the maximum wind velocity, of tropical cyclones (TCs) rapidly developed. In particular, the theoretical TC models having two-dimensional axisymmetric structure present the structure and intensity of real TCs very well (e.g. Emanuel's MPI theory; Emanuel, 1986). These models enable us to estimate the TC maximum potential intensity with a few environmental parameters, such as sea surface temperature and tropopause temperature in the ocean area. To support theory, a number of numerical studies of the TC maximum intensity have also been conducted. Using two-dimensional axisymmetric model, the TC maximum intensity has been predicted with complicated physical processes (e.g. turbulence and cloud physics) which are neglected in theoretical studies.

However, two-dimensional axisymmetric models do not include non-axisymmetric structure in TC. Wang (2002a,b) indicated that non-axisymmetry in an idealized TC influences the intensity and structure of TC, using a three-dimensional hydrostatic model. This suggests that a three-dimensional model is necessary to predict more accurate maximum intensity of TC. In addition, we believe that non-axisymmetric effects should be included in axisymmetric theoretical models.

The present study used a three-dimensional non-hydrostatic model named the Cloud Resolving Storm Simulator (CReSS) to estimate quantitatively how non-axisymmetry influences TC maximum intensity by analyzing the angular momentum budget in the inner core region. We analyzed the angular momentum budgets for TCs which have the different maximum intensity. The present study showed that non-axisymmetric components have negative contributions for the maximum intensity (i.e. deceleration for the maximum wind velocity) in the inner core. In addition, we showed that this deceleration due to non-axisymmetric components is about 10% of the acceleration due to axisymmetric components and the deceleration increases with the maximum wind velocity. Therefore, we infer that non-axisymmetric components should be considered for prediction by the MPI theory for intense TCs. This result suggests that the effect of non-axisymmetric components should be in cluded in theoretical models of the maximum potential intensity. Moreover, we analyzed the energetics of maintaining mechanism of non-axisymmetric components by energy budget. We showed that energy of non-axisymmetric components is supplied by conversion of potential energy of non-axisymmetric component to kinetic energy and conversion by barotropic and baroclinic processes. We can explain horizontal displacement of non-axisymmetric components as propagation of vortex Rossby wave in an axisymmetric vortex. It is important for understanding the TC maximum intensity to investigate the propagation characteristics of this wave. To show that non-axisymmetry in the inner core is propagation of vortex Rossby wave, we compared simulated waves with theoretical value of the dispersion relation of vortex Rossby wave in shallow model. We detect tangential low-frequency waves, which have a rapid propagation speed and a feature of the vortex Rossby wave in the inner core. The waves have phase speed which is comparable to the theoretical value. This result suggests that theoretical value of phase speed is identical to that of the simulated TCs in the non-hydrostatic model and in the inner core non-axisymmetric component can explain as propagation of vortex Rossby wave.
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