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台風を発達・維持させる新たな巨視的メカニズム(

「台風の発達・維持」と「水蒸気コンベアベルトの形成・強化」に正のフィードバックが存在することを証明

著者

台風による豪雨や暴風は、人命を脅かすのみならず社会や経済にも甚大な被害をあたえます。このような脅威に備えるためには、台風の理論的な予測が重要となります。近年では気象観測が進歩しており、計算機による気象シミュレーションも高精度化したことから、台風の「進路」については高い精度で予測できるようになってきました。一方で、台風の「強度」予測については 1990 年代から誤差が改善していないという現状がありました。そこで気象学・気候力学研究室の藤原さんらは、これまでほとんど考慮されてこなかった「台風から遠く離れた海域にある水蒸気の輸送帯 (MCB)」に着目することで、台風を維持・発達させる新たな巨視的メカニズムを明らかにしました。洗練された気象モデルによるシミュレーションをおこない、海面水温の改変実験や台風の除去実験を加えることで、台風と MCB 間のフィードバックが台風事例や気象モデルによらない普遍的な現象であることを証明しました。研究成果は Journal of Geophysical Research: Atmospheres に掲載されました。

藤原 圭太(理学府地球惑星科学専攻)
取材:石井 優大 (理学研究院)

台風の理論的な研究

台風と私たちの生活

台風[1]は、夏や秋の風物詩である同時に、私たちの生活をおびやかす自然現象でもあります。たとえば平成 27 年 9 月に発生した台風 18 号は、関東・東北地方の広範囲に大雨を降らせ、土砂崩れや川の決壊といった甚大な被害をもたらしました (図1)。このような台風の脅威に備えるためには、台風の進路や強度などを理論的に予測することが大切です。

図1虫眼鏡をもったきゅうりくん@右下
図1台風 18 号による関東・東北豪雨の被害 左図: 台風 18 号 (Etau) の気象衛星画像。Wikimedia Commonsより引用。右図: 鬼怒川の氾濫による浸水状況。国土交通省による水害時の避難・応急対応検討ワーキンググループ (第 1 回)の資料 1 より引用。

台風の「強度」予測は難しい

台風の予測をおこなうためには、まず気象の観測データを得る必要があります。近年では観測技術[2]が著しく進歩しており、さらに世界各国の気象予報機関が連携するようになったことで、地球全域から膨大な気象データが得られています。こうして得られた観測データをインプットとして計算機による気象シミュレーションをおこなって、台風がどのように変遷するかを理論的に予測します。昨今の理論・観測の発展にともない、台風の「進路」についてはかなりの精度で予測できるようになってきました。一方で、台風の「強度」予測については 1990 年代から誤差がほとんど改善されていないという現状があります。気象モデルが改良されたり、数値シミュレーションがより精密になったりと理論が進歩しているにも関わらず、誤差の要因は依然としてよく分かっていません。なにか根本的なところに見落としがあるのでしょうか ?

水蒸気の輸送がカギ ー台風と水蒸気コンベアベルトー

台風のエネルギー源は、海面から発生した水蒸気[3]です。これまでの「台風の常識」では、台風の直下で蒸発する水蒸気が台風を維持し、発達させると考えられていました。ところが最近の研究において、台風の直下というよりはむしろ遠く離れた海域にある水蒸気が台風へと流れ込む事例が発見されました。その一例が平成 19 年 7 月に発生した台風 4 号 (Man-yi) です (図2)。Man-yi がフィリピン海に近づくと、インド洋から南シナ海にわたる水蒸気の流れが Man-yi へと伸長して水蒸気の輸送帯 (水蒸気コンベアベルトmoisture conveyor belt: MCB) を形成していました。MCB を介して多量の水蒸気が供給されることで Man-yi の勢力が強まり、強化された Man-yi によって MCB の水蒸気輸送も活発化されていました。このようなフィードバックが繰り返されることで、Man-yi は 7 月に日本に上陸した台風としては過去最強クラスにまで発達しました。以上のように、台風 (tropical cyclone: TC) とMCBがお互いに強化し合うという仮説を「TC-MCB フィードバック仮説」と呼びます。もし TC-MCB フィードバック仮説が正しければ、これまでの研究で前提としてきたミクロな視点だけでは不十分であり、台風の周りにある大規模な大気の流れというマクロな (巨視的な) 要素もまた重要となります。

図2虫眼鏡をもったきゅうりくん@右下
図2台風 Man-yi とその周辺の大気の流れ Man-yi の大きさ (半径 500 km 程度) に較べて、MCB (図の青矢印) は 5,000 km にわたる大規模な水蒸気の流れである。図中の Man-yi の画像は、気象庁レーダーにより観測されたものであり、2007 年 07 月 13 日 09 時 00 分 (日本時間) における 1 時間降水量 (単位:mm/hr) を色分けしたものであり、中心を取り囲む壁雲eyewallレインバンドrainbandといった構造が見える。図は藤原さんにより提供。

ただし、TC-MCB フィードバック仮説はあくまで仮説に過ぎません。先行研究では TC-MCB フィードバック仮説の一例が示されただけであり、この説が他の台風にも当てはまるかは不明です。そもそも TC-MCB フィードバックのメカニズムはよく分かっていません。水蒸気が台風の内部コア領域 (降水の活発な領域) に至るまでの輸送プロセスは解明されておらず、「台風直下から供給される水蒸気にくらべて、遠方からくる水蒸気がはたして台風の発達・維持に寄与するのか」といった定量的な問いにも答えられていません。このような現状を打破すべく、藤原さんらは大規模な気象シミュレーションをおこなうことでTC-MCB フィードバック仮説を検証しました。気象シミュレーション上でMCB を強化・弱化させたり、台風を除去したりすることで、TC と MCB 間にある本質的な関係を浮き彫りにしました。

数値シミュレーションによる台風 Man-yi の解析

まずは数値シミュレーションによって台風 Man-yi を解析し、MCB がどのような役割を果たしているか調べました。

雲解像領域気象モデル

雲解像領域気象モデルcloud resolving storm simulator (CReSS) という数理モデルを使ってシミュレーションをおこないました。雲解像モデルとは、その名の通り雲粒レベルで気象現象を記述するモデルです。たとえば水蒸気が凝結して雲粒となり、雲粒が集まって雨粒になるなどの現実で生じている雲降水プロセスを忠実に再現[4]できます。実際、この気象モデルを使ったシミュレーションによって、Man-yi の進路や強度については観測の結果をよく説明することができています (詳しくはこちら)。

MCB の役割

CReSS による数値シミュレーションの結果を 図3 に示します。図の上段は水蒸気の流れとその流れの強さの分布図であり、矢印は各地点にある水蒸気の進む向きを表しています。7 月 10 日時点を見ると、インド洋から南シナ海にわたって水蒸気の流れが現れています。これはモンスーン西風にともなう流れだと考えられます。台風が接近するとモンスーン西風が強められるため、水蒸気の流れは台風方向へと伸びていき、台風本体と接続することで MCB を形成します (7 月 11 日時点)。その後は台風に付き従って MCB が伸長し、水蒸気を台風へと送り込んでいます。このように、MCB は水蒸気を持続的に送りこむベルトコンベアとしての役割を担っています。

図3虫眼鏡をもったきゅうりくん@右下
図3数値シミュレーションでみる MCB の役割 (a) MCB の形成前後における水蒸気の流れ。水蒸気の流れが特に強い地点を水色で描いている。矢印は、各地点にある水蒸気の流れの向きを表している。もっとも左側の図が MCB 形成の前に対応する。(b) 海面蒸発の活発さ。赤い色が濃いほど蒸発が頻ぱんに起こっている。Fujiwara et al. (2017) の図を改変。

MCB による水蒸気の供給は、なぜこれほどに長続きするのでしょうか ? この疑問への答えは 図3 の下段にあります。図3 の下段は、海面における蒸発の活発さを示しています。赤色が濃い部分ほど頻ぱんに蒸発が起こっています。MCB が形成された 11 日時点に着目すると、MCB 真下の海面において蒸発が活発化しています。一方、水平方向に吹く風の向き (矢印の向き) を見てみると、東向きの風があることが分かります。この風によって蒸発した空気が東へと持ち去られると海面に接するスペースが開くため、蒸発が継続的におこり、次々と水蒸気が輸送されると理解できます[5]

後方流跡線解析

MCB から台風へと水蒸気が流れ込むことは分かりましたが、それが台風の維持・発達に影響するかどうかは別問題です。次のステップとしては、「MCB からやってきた水蒸気が、台風の内部コア領域に運ばれて実際に潜熱latent heatを解放しているか?」という問いに答えなければなりません。そこで後方流跡線解析backward trajectory analysisという時間を逆戻しにする解析によって、台風の内部コア領域にある水蒸気がどこからやってきたのかを特定しました。図4 に示すように、台風の内部コア領域 (E 地点) にあった空気塊は、「台風近傍からやってくるもの」と「インド洋や南シナ海といった遠方の海域から運ばれたもの」に分けられました。

図4
図4後方流跡線解析でみた空気塊の輸送経路 台風の内部コア領域 (E地点) にある空気塊へ着目し、それぞれの空気塊が時間をさかのぼったときに辿る経路を描いている。空気塊の高度を色で表現している。Fujiwara et al. (2017) の図を改変。

遠方からやってきた空気塊は、MCB に沿って輸送されたように思えます。このことを確かめるために A 地点から D 地点を通るような空気塊に着目します。この空気塊が各地点において示す「水蒸気量、温位 (温度の指標の一つ)、高度、空気塊直下の海面蒸発の活発さ」を 図5 に描いています。

図5
図5各地点 A から E における空気塊の特性 Fujiwara et al. (2017) の図を改変。

A 地点から D 地点までは、空気塊の高度 (図 5 の黒線) が約 1km と一定となっています。これは空気塊が、水平方向に吹くモンスーンの西風によって東に運ばれていることを示唆しています。空気塊の水蒸気量 (図 5 の青線) については D 地点へ至るまでに徐々に増えていますが、この増加は MCB 直下で起こる海面蒸発によって、空気塊が湿潤になっていく過程と整合しています。そして E 地点の少し手前では、空気塊の高度が急激に上がって水蒸気量が減少する、つまり水蒸気の凝結が起こっています。このとき、温位 (図 5 の赤線) が上昇しています。この一連のプロセスは、MCB によって輸送される湿潤な空気塊が台風の壁雲に到達し、上昇気流によって上空に持ち上げられることで、水蒸気の凝結に伴う潜熱解放を介して、台風の発達に影響を与えると解釈できます。したがって、MCB による水蒸気の輸送は台風の維持・発達に本質的であるといえます。

TC-MCB フィードバック仮説の検証

Man-yi を分析してみると、台風の維持・発達と MCB の形成に関係があると分かりました。これは他の台風にも見られる普遍的な現象でしょうか ? また台風と MCB にはどれほど強い相関があるのでしょうか ? これらの疑問について以降で検証していきます。

検証1: 海面水温改変実験

海面水温sea surface temperature (SST) の改変実験をおこないました。SST 改変実験とは、ある海域の SST を人為的に変えることで、それにともなった大気の変化などを調べる手法です。先行研究によると、インド洋と南シナ海の SST を改変すれば MCB を強化・弱化できると分かっているので、本研究でもそれにならって SST の改変[6]をおこなっています。ここで、SST を昇温させたときのシミュレーションを「warm run (WR)」と呼び、降温させたシミュレーションを「cool run (CR)」と呼びます。図6 の上段に SST の分布図を載せています。色が赤いほど高温となっています。図から分るように SST を変えているのはインド洋と南シナ海のみであり、台風の通り道であるフィリピン海などの SST は変えていません。したがって、SST 改変実験では台風本体には直接的な影響を与えずに MCB の強弱からくる影響のみを調べることができます。

図6虫眼鏡をもったきゅうりくん@右下
図6SST 改変実験による MCB の強化・弱化 (上図) インド洋からフィリピン海までの SST を色によって表したもの。WR と CR の一例として、SST に ± 3K の偏差を与えた WR3 と CR3 の結果を示している。図は藤原さんにより提供。(下図) WR3 や CR3 における後方流跡線解析の結果と水蒸気の流れ。線や矢印の意味は 図3図4 と同様である。Fujiwara et al. (2017) より引用。

図6 の下段は、後方流跡線解析の結果と水蒸気の流れ (矢印) を表しています。水蒸気の流れに注目すると、WR3 では MCB が弱化されており、CR3 では MCB が強化されていることが見て取れます。とくに WR3 ではインド洋上で水蒸気がトラップされることで、MCB が南シナ海で断裂し、インド洋・南シナ海から台風内部コア領域へ輸送される湿潤空気塊 (水蒸気) が減少しています。このように、MCB を強化 (弱化) すると、インド洋・南シナ海から台風内部コア領域への水蒸気輸送が促進 (抑制) され、それは湿潤空気塊の輸送量の多寡として可視化されることが分かりました。このとき、CR3 の台風は現実よりも強く、WR3 の台風は現実よりも弱まっています。

台風の内部コア構造への影響

次に MCB の強化・弱化が台風本体に与える影響を調べました。図7 は、台風を地面に対して垂直にスライスしたときの内部構造を表しています。WR3 と CR3 の結果を比べてみると、WR3 に比べてインド洋・南シナ海から水蒸気が多量に供給されている CR3 では、壁雲での潜熱加熱がより強化されています。凝結加熱が活発であると上昇気流が強まるため、台風中心へ吹き込む流れ (インフローinflow) も強まると予想されますが、たしかに CR3 では壁雲に向かってインフローが強く吹いているのに対して、WR3 では相対的に弱い風しか吹いていません。つまり、CR3 では、MCB を経由して台風近くに輸送された水蒸気をより多く台風内部コア領域まで運び込めることになります。したがって、MCB の強化と弱化は、大規模な水蒸気の輸送というマクロな現象のみならず、台風内部コア領域における凝結加熱やインフローの強化・弱化というミクロな現象にも影響すると結論付けられます。

図7
図7台風の内部構造の変化 (上図) 潜熱加熱の活発さを色で示したもの。赤色が濃いほど潜熱加熱が頻ぱんに起こっている。(下図) インフローの大きさを色で示したもの。赤色が濃いほど強いインフローが吹いていることを意味する。Fujiwara et al. (2017) の図を改変。

検証2: 台風の存在とMCBの形成 (台風除去実験)

最後に台風の存在が MCB に与える影響を調べました。数値シミュレーションにおいて初期条件の一部を台風が存在しない初期値に書き換えて、「もし台風がなかったら」という世界を作り、シミュレーションをおこないます。これを台風除去実験 (NTC run) と呼ぶことにします。NTC run の設定は、台風の初期条件を除き現実のシミュレーション (CNTL) とまったく同じです。モンスーンについての初期値は、現実的な場合と台風を除去した場合とで同じなので、2 つの数値シミュレーション で MCB に違いに見られれば、その原因は台風の有無にあると判断できます。実際に比較をおこなったところ、図8 のような結果が得られました。

図8虫眼鏡をもったきゅうりくん@右下
図8台風の除去と MCB の形成 (左図) 現実的なシミュレーションの結果。台風によってモンスーンの西風が加速されて MCB (下図の青矢印) が形成される。(右図) 台風除去実験の結果。モンスーン西風が強化されないため、MCB が形成されていない。図は藤原さんにより提供。

CNTL ではモンスーン西風が強化されて MCB が形成されているのに対して、NTC run では変化がみられず、MCB も形成されていませんでした。したがって、台風は MCB から影響を受けるだけでなく、台風の有無もまた MCB の形成に影響していました。

以上の記事で紹介してきた一連の解析を他の台風にも適用したところ、まったく同じ結論を得ることができました。したがって、本研究で示された台風と MCB の関係は、台風の事例や数値シミュレーションの詳細によらない普遍的なものであるといえます。このようにして TC-MCB フィードバックがもはや仮説ではなく確固たる現象であることが、本研究で初めて証明されました。

まとめと展望

本研究で明らかにした「TC-MCB フィードバック」の全容は次のとおりです (図9)。

図9虫眼鏡をもったきゅうりくん@右下
図9本研究で明らかとなった TC-MCB フィードバックのメカニズム 図は藤原さんにより提供。

  1. 台風によるモンスーン西風の強化と MCB の形成
     台風が存在することで、南シナ海上のモンスーン西風が強化されます (台風により励起される赤道波の位相が西向きに伝播することが原因です)。これによりインド洋から南シナ海にわたる広大な海面上でさかんに蒸発がおこり、大規模な水蒸気の輸送帯である MCB が形成されます。
  2. 遠隔海域からの水蒸気輸送
     MCB は台風に向かって伸長し、やがて台風の東端へと接続します。すると台風から遠く離れた海域にある水蒸気が MCB を介して台風へと流れ込みます。
  3. インフローによる水蒸気の取り込み
     流れ込んだ水蒸気はインフローによって台風の中心部へと運ばれて壁雲に到達します。
  4. 内部コア領域での潜熱解放
     水蒸気は上昇気流に乗って上空へと運ばれ、急激な温度低下にともなって凝結し、余ったエネルギーを潜熱として解放します。潜熱解放によってまわりの空気が暖められて上昇気流が強まり、台風の勢力が増します。強化された台風は、① の効果によってさらにモンスーン西風を強めます。

以上のような ① から ④ の一連のプロセスが何度も繰り返されることで、台風の勢力は維持され、ときには急速に発達すると結論付けられます。

今後の課題としては、モンスーンの強弱の変化を考慮することが挙げられます。南シナ海の西風は、南アジアの夏季モンスーンの影響を強く受けます。そのモンスーンは年によって強まったり弱まったりするため、モンスーンの変動もMCB の形成にとって無視できない要素であると考えられます。もう一つの課題は、「秋」の台風について TC-MCB フィードバック現象を調べることです。台風の発生場所や進路は夏の台風とほとんど同じですが、マクロな気象条件は夏の場合とまったく異なります。したがって、夏の台風と秋の台風を比較することで、遠隔地からの水蒸気輸送というマクロな影響を浮き彫りにすることができると期待されます。

研究こぼれ話


著者この研究の一連の成果を学会などで発表すると、「本当にそんなことが台風の発達に重要なのか?」という批判的な意見を受けることが多々ありました。その懐疑的なコメントに対して、どのような解析手法を用いて、どういう結果(図やグラフ)などを示せば良いのかを考えることは大変でしたが、九州大学教授の川村先生と助教の川野先生から様々なアドバイスを頂いたおかげで、国際学術誌に研究成果を掲載することが出来ました。また、学会で批判を受ける度に落ち込むこともありましたが、議論している時間は非常に楽しい時間でもありました。

著者今後も常識を翻すような研究成果を発信できるよう頑張ります。

Note:

  • [1] 気象庁の定義によると、台風とは「北西大西洋に存在する熱帯低気圧のうち、低気圧域内の最大風速がおよそ 17 m/s 以上のもの」を指します。
  • [2] 気象衛星ひまわり、地域気象観測システム (アメダス)、航空機による気象観測などがあります。
  • [3] 蒸発によって海面上には多量の水蒸気が存在しています。台風の目を中心として空気の渦ができると、これによって水蒸気が中心部へと運ばれます。台風中心部から 100 km ほどになると、強い上昇気流がはたらく領域があり、ここに運ばれた水蒸気は壁雲を作ります。上空ほど温度が低くなるため、水蒸気は凝結して余ったエネルギーを熱として放出します (潜熱加熱)。この熱がまわりの空気を暖めて上昇気流をさらに強めると、より多くの水蒸気を集めるようになります。以上のサイクルが繰り返されることで台風は維持され、発達していきます。
  • [4] 従来の気象モデルでは、雲降水プロセスを半理論半経験的な手法によって表現しており、数値計算の結果に不確実性を伴うことが問題視されていました。特に、台風は雲降水プロセスで放出される潜熱がエネルギー源となるため、雲解像モデルを使用することは台風の発達を議論する上で不可欠な要素の一つとなっています。
  • [5] このような現象は、お茶を冷ますときに横から息を吹きかけて湯気を出させる (蒸発しやすくする) ことに対応します。
  • [6] インド洋・南シナ海の SST を改変すると、それに応じてモンスーン循環 (または水蒸気の流れ) が変化し、MCB の形成などに影響を与えます。この数値実験を実施することで、MCB が台風に与える影響やその詳細な力学的・熱力学的プロセスを調査することが出来ます。具体的には、インド洋の SST の観測値に +2℃, +3℃, -2℃, -3℃ の SST の偏差を加えました。ただし、これだけではインド洋と太平洋における SST に不自然な不連続が生じる (境界でSSTが急激に変化する) ため、インド洋と太平洋の間の SST のギャップを滑らかに補正するように南シナ海の SST も併せて改変しました。その補正関数としては、ハイパボリックタンジェントを使用しました。

より詳しく知りたい方は・・・

タイトル
A Positive Feedback Process Between Tropical Cyclone Intensity and the Moisture Conveyor Belt Assessed With Lagrangian Diagnostics
著者
Keita Fujiwara, Ryuichi Kawamura, Hidetaka Hirata, Tetsuya Kawano, Masaya Kato, Taro Shinoda
掲載誌
Journal of Geophysical Research 122:502–521 (2017)
研究室HP
気象学・気候力学研究室
キーワード
水蒸気による潜熱加熱、水蒸気コンベアベルト、後方流跡線解析、海面水温改変実験、台風除去実験