[Japanese]
修士論文要旨(松本 聖那)

台風の構造と強度に対する上部層状雲の放射効果

松本 聖那


近年、台風の強度や構造変化に対する雲と放射の相互作用の重要性が指摘されている。雲は、太陽からの短波放射を反射・吸収するとともに、地表面や下層大気からの長波(赤外)放射を吸収・再射出することで、周囲の温度構造を変化させる。特に、台風の上部を広範囲に覆う上部層状雲は、主に氷粒子(雲氷)で構成されており、大気の温度構造に大きな影響を与えると考えられている。しかし、上部層状雲を構成する「雲氷」の放射過程が、台風の発達過程にどのように影響するのかという物理的メカニズムについては、十分な理解には至っていない。

本研究では、台風の上部層状雲を構成する雲氷の放射過程が、台風の強度および構造変化に及ぼす影響を明らかにすることを目的とした。雲解像モデルCReSS を用いた理想化実験を行い、雲氷の長波放射過程を考慮する実験と、放射過程を考慮しない実験を比較した。その結果、雲氷の放射過程は台風の発達段階に応じて異なる役割を果たすことが明らかになった。

発達初期において、雲氷の長波放射過程は台風の強化を促進し、上部層状雲域を拡大する役割を果たした。上部層状雲の雲底部における放射加熱による層状雲内の不安定化が、雲底部において上昇流を形成し、質量保存則により上層アウトフローを強化した。上層アウトフローの補償流として形成された中層インフローが、台風外側の大きな絶対角運動量を内向きに輸送し、壁雲中層の接線風速が増大することで、台風の強化が促進された。また、上部層状雲の雲底部における上昇流および上層アウトフローの強化により、雲氷が効率的に生成され、動径方向外向きの移流が促進されたことで、雲氷分布がより外側へ拡大した。

一方、発達後期においては、雲氷の長波放射過程は最大強度を抑制し、台風サイズ(強風域)を拡大させる役割を果たした。上部層状雲の雲底部における雲氷の長波放射加熱による上昇流の形成および上層アウトフロー領域の水平拡大により、上部層状雲の下では、沈降流が抑制され、対流活動が活発化した。これにより壁雲外側には広くレインバンドが形成され、下層の水蒸気がレインバンドで消費されることで、壁雲への水蒸気供給が減少し、台風の強化が抑制された。また、中層インフローによる絶対角運動量の内向き輸送が、アウタースパイラルレインバンドでせき止められ、角運動量保存により外側領域の接線風速が強化されることで、台風サイズの増大(強風域の拡大)がもたらされた。

以上より、本研究は、雲氷の長波放射過程による上部層状雲の雲底加熱が、発達初期には中層インフローによる壁雲中層への絶対角運動量供給を通じて強化を促進し、発達後期には壁雲外側での沈降流の抑制を通じた壁雲への水蒸気供給の減少によって強化を抑制するという、発達段階に応じた異なる役割を有することを示し、その一連のメカニズムを明らかにした。本研究の結果は、台風の強度および構造変化の理解・予測において、雲氷の放射過程を正確に表現することの重要性を強調するものである。
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[English]

Radiative Effects of Upper Stratiform Clouds on the Structure and Intensity of Tropical Cyclones

Sena Matsumoto


In recent years, the importance of cloud–radiation interactions in controlling the intensity and structural evolution of tropical cyclones (TCs) have been increasingly recognized. Clouds influence the atmospheric thermal structure by reflecting and absorbing incoming shortwave solar radiation and by absorbing and re-emitting longwave (infrared) radiation from the surface and the lower atmosphere. In particular,upper stratiform clouds, that extensively cover the upper part of a TC and are primarily composed of ice particles (cloud ice), are considered to have a substantial impact on the atmospheric temperature structure. However, the physical mechanisms by which radiative processes associated with cloud ice in these upper stratiform clouds influence TC development remain poorly understood.

The purpose of this study is to clarify the impacts of radiative processes associated with cloud ice in upper stratiform clouds on TC intensity and structural evolution. Idealized experiments were conducted using the Cloud Resolving Storm Simulator (CReSS), comparing experiments that considered the longwave radiative processes of cloud ice with those that neglect radiative processes. The results indicate that radiative processes of cloud ice play distinct roles depending on the TC developmental stage.

During the early developmental stage, longwave radiative processes associated with ice clouds promoted TC intensification and expanded the upper stratiform clouds region. Radiative heating near the cloud base destabilizes the stratiform cloud layer, inducing upward motion near the cloud base and strengthening upper-level outflow through mass continuity. The compensating midlevel inflow associated with the enhanced outflow transports large absolute angular momentum from the outer region toward the storm center, leading to an increase in tangential wind speed in the midlevel of the eyewall and thereby accelerating TC intensification. In addition, the enhanced updrafts near the cloud base and strengthened upper-level outflow facilitate efficient cloud ice production and outward radial advection, resulting in a broader radial distribution of cloud ice.

In contrast, during the later developmental stage, longwave radiative processes associated with ice clouds suppressed the maximum TC intensity while increasing TC size, defined by the extent of the strong wind region. Radiative heating by cloud ice near the cloud base induces upward motion and promotes the horizontal expansion of the upper-level outflow region. Beneath the upper stratiform clouds, subsidence is suppressed and convective activity is enhanced. As a result, extensive rainbands develop outside the eyewall, consuming low-level water vapor and reducing the moisture supply to the eyewall, thereby inhibiting further intensification. Moreover, the inward transport of absolute angular momentum by the midlevel inflow is blocked by the outer spiral rainbands, and conservation of angular momentum leads to an enhancement of tangential wind speeds in the outer region, contributing to an increase in storm size.

In conclusion, this study reveals that cloud-base heating associated with the longwave radiative processes of cloud ice in upper stratiform clouds exhibits a dual role depending on the developmental stage: promoting intensification through the enhanced midlevel inflow and increased absolute angular momentum supply to the eyewall in the early stage, and suppressing intensification by reducing the moisture supply to the eyewall through the suppression of subsidence outside the eyewall in the later stage. These findings highlight the importance of accurately representing cloud ice radiative processes in understanding and predicting changes in TC intensity and structure.
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