台風の熱力学的可能最大強度 と実強度 に関する統計 的解析
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(2) 台風 の熱 力学 的可 能最 大 強度 と実 強度 に関す る統 計 的解 析. 図‑1. 1994年8月. の 月 平 均 可 能 最 低 気 圧Pmpi分 布 と 個 々 の 台. 図‑2. 風 進 路(星 印 は ピー ク 時 の 位 置,数 値 は ピ ー ク 時 の 強 度).. 図‑3. 1994年8月. の 月 平 均850hPa面. 高 度[m]分 布 と個 々 の 台 風. 進 路(星 印 は ピ ー ク時 の 位 置,数 値 は ピ ー ク 時 の 強 度).. 面 温 度T0)で (Camot. 冷 却 さ れ るカ ル ノ ー サ イ クル エ ン ジ ン. cycle engine)と 等 価 で あ る と見 な せ る.こ. ン ジ ンの熱 効 率 εは,(Ts‑T0)/Tsと. のエ. な り,海 水 面 温 度Tsと. 対 流 圏 海 面 温 度T0の 差 が 大 き け れ ば 大 き い ほ ど エ ン ジ ン (台 風)の 持 つ 仕 事 量 は 大 き く な る.こ ク ル と は,4つ. ぞ れ,等 温 過 程(過 (過 程3),断 程1で,暖 過 程2で,上. の カル ノーサ イ. の 過 程 か ら な り(Emanuel,1997),そ 程1),断. 熱 過 程(過. 熱 過 程(過. 程4)と. 程2),等. 下 降 気 流 に よ り断 熱 圧 縮 さ れ る.過 程4で. 1998年8月. の 月 平 均850hPa面. 高 度[m]分 布 と 個 々 の 台 風. 進 路(星 印 は ピ ー ク 時 の 位 置,数 値 は ピ ー ク 時 の 強 度).. 量 交 換 係 数,θe*は. 海 面 に お け る 飽 和 相 当 温 位,θeは. 層 内 の 相 当 温 位,を. そ れ ぞ れ 示 し て い る.添. 最 大 風 速 半 径 で の 値 を 意 味 す る.こ. こ で,Emanuel(1994). に よ る 潜 在 有 効 位 置 エ ネ ル ギ ー(convective tential energy)の. 境界. え 字 のmは. available. po‑. 概 念 を 導 入 す る こ と で,式(1)は,. (2). ず,過. 程3の 対 流. 終 的 に,過. 図‑4. 温過程. な って い る.ま. 圏界 面 で,気 温T0ま で 冷 却 さ れ,最. の 月 平 均 可 能 最 低 気 圧Pmpi分 布 と個 々 の 台. 風 進 路(星 印 は ピー ク時 の位 置,数 値 は ピー ク時 の 強 度).. れ. か い 海 水 面 上 か ら加 熱 を 受 け て気 温Tsと な り, 昇 気 流 に よ り断 熱 膨 張 す る.過. 1998年8月. 1327. 程4に て,. は必 ず し も断. の よ う に変 形 で き る.こ. こ で,CAPE*は. 海 面 に お け る飽. 和 空 気 θe*を持 ち上 げ た 時 の 潜 在 有 効 位 置 エ ネ ル ギ ーで あ り,CAPEは. 境 界 層 内 の 湿 潤 空 気 θeを持 ち 上 げ た 時 の. 潜 在 有 効 位 置 エ ネ ル ギ ー で あ り,共 に,環 境 場 の大 気 の. 熱 的 な変 化 を す るわ け で は な いが(放 射 冷 却 の た め),空. 鉛 直 プ ロ フ ァ イ ル(仮 温 度)に. 気 塊 が湿 潤 断 熱 的 に下 降 して い る こ とを 考 慮 す れ ば,打. を 解 くた め に は,ま ず,最 大 風 速 半 径 に お け る海 面 気 圧Pm. ち消 さ れ て この 効 果 は無 視 で き る.. を 得 る必 要 が あ る.こ こで,次 の 傾 度 風 平 衡 の 式 と 温 度. この よ うな 条 件 の下 で,サ. イクルの熱力学 第一法則 の. 基 づ き評 価 され る.式(2). 風 平 衡 の 式 を組 み 合 わ せ た式,. 式 は,. (3) (1) か ら海 面 気 圧Pmを 得 る こ と が で き る.こ の よ うに 整 理 され る.こ cpは定 圧 比 熱,Tsは. こで,Vmは. 海 水 面 温 度,T0は. Gは 海面 にお け る熱 交 換 係 数,CDは. 最 大 風 速(傾. 度 風),. 場 に お け る 海 面 気 圧,Rは. こ で,P0は. 環境. 乾 燥 空 気 の 気 体 定 数 を 示 す.. 対 流 圏 界 面 温 度,. 適 当 な 初 期 値Pmの 下 で 計 算 を 開 始 し,式(2)と 式(3)の 計 算. 海 面 に お け る運 動. を 反 復 法 に よ って 解 く こ とで,最. 終 的に台風 の可能 最大.
(3) 1328. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 強 度(可 能 最 低 気 圧Pmと 可 能 最 大 風 速Vm)の 収 束 解 を 得. ‑1)の 場 合 ,そ れ ほ ど 極 端 に小 さ な 可 能 最 低 気 圧Pmpiに は. る こ と が で き る.式(2)と. な って い な い こ とが 見 て 取 れ る.つ ま り,可 能 最 大 強 度. 海 水 面 温 度Ts,環. 式(3)の 中 の,交 換 係 数 比Ck/CD,. 境 場 の仮 温 度 プ ロ フ ァ イ ル を 入 力 値 と. の大 小 は,必 ず し も台 風 発 生 数 の 多 寡 と は 直接 関 係 して. して 与 え る こ とで 閉 じた方 程 式 系 と な る.. い な い と言 い 換 え られ る.ま た,1998年8月. 本 研 究 で は,海 水 面 温 度Tsに 対 して は,水 平 解 像 度10 ×1° で1週 間 毎 のNCEP/NOAA全 球海 水面温度 解析 デ. 台 風(図‑2)は,発. に発 生 した. 生 しさ え す れ ば 強 い 台 風 に ま で 発 達. で き る も の と推 測 さ れ る が,実 最 低 気 圧Pminを 見 る 限 り. ー タを 使 用 した .ま た,環 境 場 の 仮 温 度 プ ロ フ ァ イ ル に. は,可 能 最 低 気 圧Pmpiと は 大 き な 隔 た りが あ り,強 い 台 風. 対 して は,水. に ま で 発 達 で き て い な い.つ. 平 解 像 度2.50×2.50で6時. 全 球 大 気 再 解 析 デ ー タ(ERA40)を ら70hPaま で の計13層 評 価 した.ま. 間 毎 のECMWF. 使 用 し,1000hPaか. に何 らか の 環 境 場 因子 の 影 響 を受 け て 強 度 ピー ク に達 し. の デ ー タ に よ りCAPE*とCAPEを. た,交 換 係 数 比Ck/CDは,一. た.こ れ らの 入 力 値 を 基 に,1982〜2001年. 律 で0.9と. ま り,定 常 状 態 に達 す る前. て しま った と考 え られ る.逆 し. ま で の 計20. に,1994年8月(図‑1)の. 場. 合 は,発 生 した台 風 の多 くが 可 能 最 低 気 圧Pmpi近 く まで 発 達 で き て お り,定 常 状 態 に まで 達 しや す い条 件 が そ ろ っ. 年 間 の 台 風 可 能 最 大 強 度 の月 平 均 値(水 平 解 像 度2.50×. て い た と言 え る.こ れ ら の こ と は,表‑1に. 2.5°)を 評 価 した.こ の うち,台 風 発 生 数 の ピー ク と な. う に,実 最 低 気 圧Pminと可 能 最 低 気 圧Pmpiの 差(っ ま り,. る各 年 の8月 と9月 に着 目 し,日 本 近 海 に 接 近 した全117. 台 風 未 発 達 度)か ら も理 解 で き る.以 上 の結 果 か ら,1998. 個 の 台 風 を 解 析 対 象 と して,台 風 の可 能 最 大 強度 と実 際. 年8月 の よ う に,た. の 台 風 強 度(中 心 気 圧)と の統 計 的 関 係 に つ いて 調 べ た .. ま で 発 達 可 能 な 環 境 場 で あ っ た と して も,必 ず し も強 い. 尚,個. 台 風 に ま で発 達 で き る と は限 らず,台 風 が 定 常 状 態 に 達. 々 の 台 風 の進 路 及 び 強 度(中 心 気 圧)に つ い て は,. 気 象 庁 ベ ス ト トラ ック を 使 用 した. 3. 1994年. と1998年. す るか ど うか を 決 定 付 け る他 の 環 境 場 因 子 が 存 在 す る と こ こで1つ の 仮 説 を立 て る こ とが で き る.図‑1と. 間の中で台風 発生数が特 に多か. の 台 風 シー ズ ン(計17個)と,発. に 少 な か っ た1998年. と え熱 力 学 的 に は非 常 に 強 い台 風 に. 推 察 で き る.. の 台 風 シー ズ ンの比 較. こ こで は,ま ず,20年 った1994年. も示 さ れ る よ. 生 数 が特. の 台 風 シー ズ ン(計4個)の. 極端 な. 図‑2. を 比 較 す る と,こ れ ら の2つ の 年 の 台 風 の進 路 パ タ ー ン に は 大 き な違 い が あ る こ とか ら,台 風 発 生 か ら ピー ク に 達 す る まで の 台風 経 路 の相 違 が,ピ. ーク時の台風強度 に. 2つ の 年 に着 目 して,月 平 均 可 能 最 低 気 圧Pmpiの分 布 特 性. 対 して 何 か し らの 影 響 を及 ぼ して い る もの と推 測 で き る.. に つ いて 比 較 検 討 を 行 う.ま た,気 象 庁 ベ ス ト トラ ッ ク. 例 え ば,PminとPmpiの 差 が 小 さ い1994年8月(図‑1)の. に記 載 の 個 々 の 台風 の ピー ク 時 に お け る中 心 気 圧Pmin(実. 台 風 の 多 くは,暖 か い 海 水 面 上 を 長 く北 西 進 す るパ タ ー. 最 低 気 圧)と. ン と な り,PminとPmpiの. の 関 係 につ い て 考 察 した.. 差 が 大 き い1998年8月(図‑2). の. の台 風 は,事 例 数 は 少 な い もの の,発 生 して 短 時 間 で 上. 月 平 均 可 能 最 低 気 圧Pmpiの 分 布 を 示 す.こ れ らの結 果 か. 陸 す る パ タ ー ンや,海 水 面 温 度 の低 い中 緯 度 に 向 か っ て. ら,各 格 子 点 近 傍 で 台 風 が 定 常 状 態 に達 した 時 の最 大 強. 北 進 す るパ タ ー ン とな って い る.以 上 の進 路 パ タ ー ンの. 度 を 計 り知 る ことが で き る.例. 違 い は,月 平 均850hPa面 ジオ ポ テ ン シ ャ ル高 度 分 布(図 ‑3と 図‑4)の 相 違 か ら も理 解 で き る.一 般 的 に,台 風 は. 図‑1と 図‑2は,そ. れ ぞ れ,1994年8月. と1998年8月. え ば1998年8月(図‑2). の結 果 よ り,南 西 諸 島 付 近 で 台 風 が 定 常 状 態 に達 し た場 合,そ. の 中 心 気 圧 は880〜900hPaに. る.そ して,本. な る こ とが 読 み 取 れ. 州 に 接 近 す る に従 い可 能 最 低 気 圧Pmpiは弱. ま り,そ の 中 心 気 圧 は920〜960hPaと. な る.平 均 的 に は,. 太 平 洋 高 気 圧 の縁 辺 に沿 って 進 行 す るが,1994年8月(図 ‑3)の 場 合 ,太 平 洋 高 気 圧 は 日本 付 近 に そ の 中心 が あ る た め に,多 くの 台 風 は 暖 か い海 面 上 を長 く西 進 しや す く,. 暖 流(黒 潮)の 軸 に 沿 っ てPmpiが小 さ く,海 水 面 温 度 が 急. 逆 に1998年8月(図‑4)の. 激 に 下 が る中 緯 度 帯 付 近 で 急 激 にPmpiが大 き くな る と い. 南 方 に位 置 す るた め に,台 風 は暖 か い海 面 上 を進 行 す る. っ た分 布 を 呈 し,定 性 的 な 理 解 と矛 盾 しな い.. の に 適 して い な い気 圧 配 置 で あ った と考 え られ る.. 次 に,こ れ ら2つ の年 の 可 能 最 低 気 圧Pmpiの分 布 に つ い て 比 較 す る と,台 風 発 生 数 の 少 な か っ た1998年8月(図 ‑2)で は ,可 能 最 低 気 圧Pmpiの極 端 に小 さな 領 域 が広 く分 布 して お り,一 方 で,台 表‑1. 風 発 生 数 の多 い1994年8月(図 1994年8月. と1998年8月. 4.過. 場 合 は,太 平 洋 高 気 圧 は よ り. 去20年 間 の 統 計 解 析 結 果. 以 上 よ り,実 際 の 台 風 が 可 能 最 低 気 圧Pmpiまで 発 達 で き る か 否 か は,ピ ー ク に 達 す る まで の 台 風 経 路 に よ っ て お. の 全 台 風 の ピ ー ク 時 に お け る各 種 物 理 量 の 平 均 値..
(4) 1329. 台風 の熱 力学 的可 能最 大強 度 と実強度 に関す る統計 的解 析. 図‑5. 1982〜2001年. の 発 達 で き た 台 風(△P≦15hPa)の. (星 印 は ピ ー ク時 の 位 置)と. 図‑7. 1982〜2001年. 進路. 図‑6. の 発 達 で き た 台 風(△P≦15hPa)の. 1982〜2001年 の 進 路(星. 平 均 海 水 面 温 度.. 経過. 図‑8. の 発 達 で き な か っ た 台 風(△P≧60hPa) 印 は ピー ク 時 の 位 置)と. 1982〜2001年. 平 均 海 水 面 温 度.. の 発 達 で き な か っ た 台 風(△P≧60hPa). の 経 過 時 間 と 台 風 直 下 の 海 水 面 温 度 の 関 係.. 時 間 と 台 風 直 下 の 海 水 面 温 度 の 関 係.. お よ そ 決 ま り,よ り長 い時 間 を か けて 暖 か い 海 水 面 上 を. 両 者 で 殆 ど差 は見 られ ず,台 風 未 発 達 度 △Pの 大 小 に は直. 移 動 す る こ と で 定 常 状 態 に達 し,強 い台 風 へ と発 達 す る. 接 影 響 して い な い よ う に見 え る.し か し,進 路 パ タ ー ン. もの と推 察 さ れ た.こ. につ い て は両 者 間 で大 き な違 い が あ り,発 達 で きた 台 風. 去20年. 間 の 計117事. こ で は,よ. り多 くの 台 風 事 例(過. 例)を 対 象 に統 計 解 析 を行 う こ とで. の多 く は,よ. り低 緯 度 で 発 生 し,28℃ 以 上 の 暖 か い海 水. 前 節 の仮 説 を 実 証 し,台 風 の ピー ク 時 に お け る実 強 度 と. 面 上 を 北 西 方 向 に長 距 離 を移 動 し,日 本 列 島付 近 で 転 向. 可 能 最 大 強 度 との 関 係 に つ い て よ り詳 細 な 考 察 を行 う.. して い る(発 生 か ら ピー ク ま で の平 均 移 動 距 離2536km). 一方 で ,発 達 で きな か っ た台 風 は,比 較 的高 い 緯 度 で発. まず,発 達 で き た台 風 と発 達 で き な か った 台 風 に 区 別 す る た め に,次 の よ う に定 義 さ れ る 「台 風 未 発 達 度 △P」. 生 し,そ の幾 っ か は発 生 地 点 か ら それ ほ ど移 動 せ ず に上 陸 して い る こ とが 見 て 取 れ る(発 生 か ら ピー ク まで の平. (4). 均 移 動 距 離1758km).ま. た,図‑7と. 図‑8は,そ. れ ぞ れ,. 発 達 で き た台 風 と発 達 で き な か っ た台 風 の 経 過 時 間 と海 を導 入 した.こ こ で,△P≦15hPaの. 時,台 風 は可 能 最 低. 気 圧Pmpi近 くま で 「発 達 で き た台 風(計30個)」 方 で,△P≧60hPaの. 時,十. と し,一. 分 に 「発 達 で きな か った 台 風. (計15個)」 と定 義 した. ま ず,過. 去20年 間 の 台 風 シー ズ ンに お い て,「 発 達 で. 水 面 温 度 と の 関 係 性 を示 す(折 れ 線 の右 端 で 強 度 ピー ク に 達 す る).い ず れ も海 水 面 温 度28℃ 以 上 の 暖 か い領 域 を 移 動 して い る点 につ い て は 共 通 して い るが,発 生 か ら ピ ー ク ま で の 経 過 時 間 に は 大 き な 差 が 生 じて い る .発 達 で き た台 風 は,ピ ー ク に 達 す る まで に平 均 して152時 間(約. き た 台 風 」 と 「発 達 で き な か った 台 風 」 の進 路 パ タ ー ン. 6日 間)を 要 す るが,発 達 で き な か っ た 台 風 は平 均 して. の 相 違 につ い て 考 察 す る.図‑5と. 96時 間(約4日. 図‑6は,そ. れ ぞ れ,発. 間)で. ピー ク と な っ て い る.以 上 の 結 果. 達 で き た台 風 と発 達 で き な か った 台 風 の全 進 路 と平 均 海. よ り,台 風 が 可 能 最 低 気 圧Pmpi近 く ま で 発 達 す る た め に. 水 面 温 度 分 布 を 示 して い る.海 水 面 温 度 分 布 につ い て は,. は(す な わ ち,△P〜0hPaと. な る た め に は),28℃ 以 上 の 暖.
(5) 1330. 海. 図‑9. 1982〜2001年. 岸. 工. 学. 論. の 台 風 の ピ ー ク ま で の 経 過 時 間Tminと 台. 文. 集. 第55巻(2008). 図‑10. 風 未 発 達 度 △Pの 関 係.. か い 海 水 面 上 を,よ. 1982〜2001年. の 台 風 の ピ ー ク 時 の 実 強 度Pminと 式(5). に よ る推 定 強 度Pminと の 散 布 関 係(相. り長 い 時 間(約6日. 間 以 上)を か け. て長 距 離 移 動 す る必 要 が あ る と結 論 付 け る こ とが で き る. 以 上 の結 果 を ま と め る と,全117個. の 台 風 の発 生 か ら. ピ ー ク に達 す る ま で の 経 過 時 間Tminと台 風 未 発 達 度 △P の 関係 性 を 理 解 す る こ とが で き る(図‑9).ピ. 間 以 上)か. 関 係 数0.63).. け て長 距 離 移 動 す る こ とで 定 常 状 態 に達 し,. 強 い 台風 と な る こ とが 明 らか とな った.こ 風 強 度 を 評 価 す る上 で,個. の こ と は,台. 々 の台 風 の 持 っ 過 去 の 履 歴 情. 報(発 生 か ら ピー ク ま で の ラ イ フサ イ ク ル)が 重 要 で あ. ー ク まで の. る こ と を意 味 して お り,す な わ ち,台 風 モ デ ル に よ り高. 間)よ り も小 さ な 台 風 の. 精 度 な 強度 予 測 を行 うた め に は,台 風 の ラ イ フ サ イ ク ル. 多 く は,台 風 未 発 達 度 △Pが 大 き く(つ ま り,定 常 状 態. を も考 慮 した 台 風 初 期 値 化 技 術 の 開 発 に加 え,進 路 予 測. に達 して お らず),Tminに 比 例 して △Pは 減 少 して い る(定. の 精 度 向上 も ま た不 可 欠 とな る こ と を 示 唆 して い る.. 経 過 時 間Tminが140時 間(約6日. 常 状 態 に 近 づ く).一 方 で,Tminが140時 間 を 超 え る と △P. ま た,本 研 究 に よ って 回 帰 的 に構 築 され た簡 易 的 な 強. はOhPaに 近 く な って い る(っ ま り,完 全 に 定 常 状 態 に 達. 度 評 価 式 に よ り,ピ ー ク 時 の 台 風 強 度 を 評 価 した と こ ろ,. して い る).こ の関 係 を 回 帰 的 に表 現 す る と,次 の よ う に,. 相 関 係 数0.63の 精 度 で 日本 列 島 に接 近 す る 台 風 の ピー ク 強 度 を推 定 で き る こ と が 明 らか と な った.こ れ を活 用 す る こ とで,台. (5). 風接 近 前 に そ の 最 大 規 模 を あ る程 度 推 定 す. る こ とが 可 能 とな り,リ ア ル タ イ ムハ ザ ー ドマ ップ の構 築 の 際 に有 用 な情 報 に な る と期 待 さ れ る.. と表 せ る.つ ま り,台 風 発 生 時 点 で,可 能 最 低 気 圧Pmpiと ピー ク に達 す る まで の経 過 時 間Tminが分 か れ ば,個 々 の台. 謝 辞:本 研 究 は,科 学 研 究 費 補 助 金 若 手 研 究(B)20760325,. 風 の ピー ク 時 に お け る実 最 低 気 圧Pminを予 測 で き る こ と. 及 び,基. に な る.こ. と を こ こ に付 記 す る.. こで,図‑10は,式(5)に. よ り推 定 さ れ た 実 最. 盤 研 究(B)(2)18360236に. よ る成 果 で あ る こ. 低 気 圧Pminと,観 測 さ れ た 実 最 低 気 圧Pminと の 散 布 図 を示 す.こ. の簡 易 評 価 手 法 に よ り,相 関 係 数 に して0.63の 計. 算 精 度 で ピー ク 時 の 実 最 低 気 圧 を 推 定 で き る こ とが 明 ら か と な っ た.し (2007)が. か し,若 干 の 過 小 評 価 で あ り,吉 野 ら. 示 す よ う に台 風 直 下 の 海 水 面 温 度 低 下 の 効 果. も加 味 で きれ ば,更 に 計 算 精 度 は増 す も の と期 待 され る. 5. 結 語 本 研 究 で は,過 去20年 間 の台 風 シー ズ ンの熱 力学 的 可 能 最 大 強度 を 評 価 し,詳 細 な統 計 解 析 を 行 う こ とで,台 風 周 辺 の環 境 場 因 子 が 台 風 強 度 に如 何 に 影 響 して い るか につ い て考 察 した. そ の 結 果,ピ. ー ク時 に お け る台 風 強 度 は,可 能 最 大 強. 度 の み な らず,発 生 か ら ピー ク に達 す る まで の 経 過 時 間 に も強 く依 存 して お り,暖 か い 海 水 面 上 を 長 時 間(6日. 参. 考. 文. 献. 吉野純 ・村上 智一 ・林 雅典 ・吉 田尚弘 ・安 田孝 志 (2007): 大 気 ‑海 洋‑波 浪結合 モ デルによ る高 精度台 風予測 のた めの感 度実験, 海岸工学論 文集, 第54巻, pp.341‑345. Bister, B. and K. A. Emanuel (2002): Low frequency variability of tropical cyclone potential intensity. 1. Interannual to interdecadal variability, J. Geophys. Res., 107, D24, 4801. Emanuel, K.A. (1986): An air-sea interaction theory for tropical cyclones. 1. Steady-state maintenance, J. Atmos. Sci., 43, pp. 585-604. Emanuel, K.A. (1994): Atmospheric convection, Oxford Univ. Press, 580 p. Emanuel, K.A. (1997): Some aspects of hurricane inner-core dynamics and energetics, J. Atmos. Sci., 54, pp.1014-1026. Emanuel, K.A. (2005): Increasing destructiveness of tropical cyclones over the past 30 year, Nature, 436, pp.686-688..
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