[Japanese]
修士論文要旨(田村 望海)
台風発達過程に対するドロップゾンデの同化インパクト
田村 望海
台風は強風や大雨などの現象をもたらすため，強度や進路の予測を正確に行うことが防災上重要である．しかし，台風が発達する海域では陸域に比べて観測密度が小さいため，台風発達期における直接観測データの取得は困難であり，予測の不確実性の原因となる．海上における台風の直接観測データを得るために，ドロップゾンデを用いた航空機観測が行われている．しかし，これまで行われてきた航空機観測の多くは台風の周辺領域や低高度からの観測である．2016年から行われているT-PARCIIプロジェクトでは，北西太平洋域において，台風の内部を含む広い領域において対流圏上層を飛行する航空機からドロップゾンデを投下し直接観測データを得ている．台風中心付近には周囲よりも気温の高い暖気核が存在することが知られている．台風の強度は暖気核構造と関係するため，T-PARCIIで得られた台風中心付近のデータを数値モデルに同化することは，台風強度予測の改善に寄与することが期待される．そこで本研究では，T-PARCIIの台風の眼内部での1本のドロップゾンデ観測で得られたデータを同化することで，台風発達過程にどのようなインパクトを与えるかを明らかにすることを目的とする．
本研究では台風Nanmadol (2022) を対象に再現実験 (非同化実験) と3次元変分法を用いたドロップゾンデの同化実験を行い，それぞれの強度の再現性と，同化実験における熱力学変数，力学変数に対するインパクトを調べた．
台風強度は同化を行うことで再現性が向上した．同化実験において，温位のインクリメント (修正量) は対流圏上層 (9~14 km) と下層 (1~3 km) に与えられた．台風中心における周囲の温位からの偏差を比較すると，上層における温位のインパクトは約20時間持続した．また同化実験では再現実験と比べて，約12時間後から高度5 km以下で暖気核が強化された．これは同化によって暖気核構造が変わったことを意味する．同化高度を絞った感度実験を行うことで，この下層の強化は上層の同化に起因していることが明らかになった．また，同化時刻から約20時間後に行われたドロップゾンデ観測データにより，同化実験における暖気核構造は観測とよく一致した．さらに，同化実験では壁雲付近の接線風の強化や台風中心に向かう下層インフローの強まりが見られ，力学変数からも台風の強化が示された．
再現実験と同化実験で暖気核構造が変わった要因を明らかにするため，温位収支解析を行った．その結果，発達期における暖気核の加熱要因は，再現実験で非軸対称成分が支配したことに対し，同化実験で軸対称成分が支配したことが示された．また温位収支解析の軸対称移流項の各変数を解析することで，台風中心付近の中下層 (高度10 km以下) での下降流が暖気核を強めたことが示唆された．
本研究により，台風発達期において対流圏上層にある暖気核を正しく表現することが台風の熱力学的構造と力学的構造を変え，最盛期の強度の再現性を向上させることが分かった．また，眼における軸対称な下降流が維持されることで暖気核の加熱が促進され，より台風強度を高めることが明らかになった．
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[English]
Impact of Dropsonde Data Assimilation on Typhoon Intensification Process
Nozomi Tamura
Tropical cyclones (TCs) cause strong winds, heavy rainfall, and storm surges. Therefore, it is important for disaster prevention to forecast accurately their tracks and intensities. However, it is difficult to obtain direct observation data during the intensification phase of TCs because the observation point density over oceanic regions is lower than that over land. Aircraft observations using dropsondes have been conducted to obtain direct observation data of TCs over oceanic regions. Most previous aircraft observations, however, have been limited to environmental regions or low altitude. In the T-PARCII project, which has been conducted since 2016, dropsondes are released from aircraft flying over the upper troposphere to obtain direct observation data over a wide area, including the inner-core of TCs, in the Northwest Pacific region. It is known that there is the warm core near the center of the typhoon, where the temperature is higher than that of the environment region. Intensity of a TC is related to its warm core structure, assimilating data observed near the typhoon center by T-PARCII is expected to contribute to improved intensity forecasts. The purpose of this study is to clarify the impact of assimilating dropsonde data observed near the typhoon center by T-PARCII on TC intensification process.
In this study, TC Nanmadol (2022) was studied through both a control experiment (CTL, non-assimilation) and a dropsonde data assimilation experiment (DA) using the three-dimensional variational method (3DVAR). The reproducibility of TC intensity and the thermodynamic and dynamic impacts of assimilation were examined.
The results showed that TC intensity was better reproduced in the DA than the CTL. In the DA, increments were applied to the upper troposphere (9~14 km) and lower troposphere (1~3 km). A comparison of potential temperature anomalies around the typhoon center revealed that the increase in upper-level potential temperature persisted for approximately 20 hours. In the DA, the warm core was enhanced below 5 km altitude after about 12 hours compared to the CTL experiment. This indicates that the warm core structure was improved by data assimilation. Sensitivity experiments that limited assimilation heights confirmed that the warming of the lower warm core was induced by assimilation of the upper-level data. Furthermore, dropsonde data observed approximately 20 hours after the assimilation time indicated that the warm core structure in the DA closely agreed with the dropsonde data. In addition, the DA showed the tangential wind and lower-level inflow were more intense than those of CTL.
To clarify the factors that changed the warm core structure between the CTL and DA, potential temperature budget analysis was conducted. During the intensification phase, heating factors for the warm core were dominated by asymmetric components in the CTL, whereas axisymmetric components dominated in the DA. Analysis of the axisymmetric advection terms suggested that downdraft in the mid-to-lower troposphere near the TC center strengthening the warm core.
This study revealed that accurately representing warm core structure during the intensification phase of the TC improves the reproducibility of its intensity. Additionally, it was found that the maintenance of axisymmetric downdraft in the eye promotes warm core heating, further intensifying the TC.
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