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Basic study on hierarchical structure of tornado-spawning cyclones and predictability of tornadoes

Research Project

Project/Area Number 18H01277
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 17020:Atmospheric and hydrospheric sciences-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

新野 宏  東京大学, 大気海洋研究所, 名誉教授 (90272525)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 益子 渉  気象庁気象研究所, 台風・災害気象研究部, 主任研究官 (30354476)
栃本 英伍  国立研究開発法人防災科学技術研究所, 水・土砂防災研究部門, 特別研究員 (40749917)
末木 健太  国立研究開発法人理化学研究所, 計算科学研究センター, 特別研究員 (50802980)
横田 祥  気象庁気象研究所, 予報研究部, 研究官 (10723794)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2019: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2018: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
Keywords竜巻 / 温帯低気圧 / 熱帯低気圧 / 階層構造 / 予測可能性 / 台風 / メソスケール渦 / 対流有効位置エネルギー / 積乱雲 / エントレインメント / 多角形壁雲 / ヘリシティ / 突風
Outline of Annual Research Achievements

温帯低気圧の北東象限に位置する対馬海峡で、突風による多数の船舶の遭難事故を生じた竜巻状渦を内在したメソβスケールの渦(以下、メソβ渦)について、101メンバーのアンサンブル数値実験を行い、メソβ渦の発達に重要な大気条件を調べた。強いメソβ渦を生じた8メンバーと弱いメソβ渦を生じた10メンバーそれぞれのコンポジットを比較したところ、強いメンバーでは渦の北東側と南側の低気圧姓の水平シアが強く、渦の南東側の下層の水蒸気量と水蒸気フラックスが大きいことがわかった。このような水平シアの違いは、温帯低気圧の構造の違いを反映しており、強いメンバーに対応する温帯低気圧はその北東象限の温暖前線に伴う水平シアが大きいことがわかった。一方、水蒸気量と水蒸気フラックスの違いは、メソβ渦に伴う対流の強さに寄与していた。
エントレインメントを考慮した対流有効位置エネルギー(CAPE)(以下E-CAPE)に関しては、2006ー2018年に中国で竜巻を発生させた台風のE-CAPEの特徴を中国の研究者らと共に調べ、中国の竜巻を伴う台風の場合、エントレインメント率が1km当たり40-50%としたE-CAPEが竜巻の発生分布と最も整合的であることがわかった。
先島諸島に暴風・突風をもたらした急発達中の2015年台風第15号の特徴について調べたところ、地上観測から眼の内部に直径7-10kmの気圧低下を伴った低気圧性渦が存在することが明らかになった。また多角形の壁雲の頂点付近に存在するメソ渦では進行方向前方の流入領域で特に風速が強まっていたことが分かった。水平解像度1kmシミュレーション結果からも多角形の壁雲の頂点付近で地表付近の風が強化されていることが示された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2015年9月1日対馬海峡で竜巻状渦による突風で船舶の遭難事故を生じたメソβスケールの渦(メソβ渦)に関するアンサンブル実験を行い、メソβ渦の成因や環境場、メソβ渦を生じた温帯低気圧の構造の特徴に関する解析を終了して、国際誌に論文を投稿した。
E-CAPEに関しては、最近13年間に中国で台風に伴って発生した竜巻について、台風内のE-CAPEと竜巻発生位置の分布の関係を調べ、竜巻の発生分布を最もよく説明するエントレインメント率を調べて国際誌に論文発表したことに加え、スーパーコンピュータ「京」を用いて、スーパーセルの理想実験を複数の解像度で行い、またwarm bubble実験で気温・水蒸気・水平風の環境プロファイルを様々に変化させる感度実験を行い、その解析を進めている。
台風に伴う突風については、2015年台風第15号が先島諸島を通過した際の地上気象観測データから、眼の内部に直径7-10kmの低気圧性渦が存在すること、並びに多角形の壁雲の頂点付近に存在するメソ渦に伴って進行方向前方の流入領域で風速が強まっていたことが分かり、眼の内部や壁雲に存在するメソ渦と地表の暴風との対応が明らかになってきた。

Strategy for Future Research Activity

これまでエントレインメントの効果を考慮した対流有効位置エネルギー(E-CAPE)が温帯低気圧に伴う竜巻大発生時の環境場や台風に伴って発生する竜巻の発生ポテンシャルの分布の把握に有効であることを示してきたが、今後はE-CAPEと竜巻の強さとの関係や、個々の竜巻に対するE-CAPEの有効性を調べる研究を行う必要がある。
一方、E-CAPEの有効性を高めるには、信頼できるエントレインメント率を検討する必要があるので、これまで行ってきたLarge Eddy Simulation (LES) の結果にもとづき、スーパーセルのエントレインメント率の環境場への依存性を明らかにする。
さらに、台風に伴う小スケールの突風の構造に関しては、先島諸島に暴風をもたらした2015年台風第15号の通過時に、眼の壁雲内側付近で発生した顕著な突風について、台風の眼の内部や壁雲付近に存在するメソスケール渦の解析結果と合わせて、ドップラーレーダー等の観測データを用いた解析を行い、その構造を明らかにする

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(27 results)

All 2021 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 14 results,  Invited: 5 results)

  • [Int'l Joint Research] Sun Yat-sen University/Peking University/Southern Lab. of Ocean Sci. and Eng.(中国)

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  • [Journal Article] Characteristics of Extratropical Cyclones That Cause Tornadoes in Italy: A Preliminary Study2021

    • Author(s)
      Tochimoto Eigo、Miglietta Mario Marcello、Bagaglini Leonardo、Ingrosso Roberto、Niino Hiroshi
    • Journal Title

      Atmosphere

      Volume: 12 Pages: 180-180

    • DOI

      10.3390/atmos12020180

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  • [Journal Article] Observational analysis of two waterspouts in northwestern Italy using an OPERA Doppler radar2020

    • Author(s)
      Miglietta Mario Marcello、Arai Ken'ichiro、Kusunoki Kenichi、Inoue Hanako、Adachi Toru、Niino Hiroshi
    • Journal Title

      Atmospheric Research

      Volume: 234 Pages: 104692-104692

    • DOI

      10.1016/j.atmosres.2019.104692

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  • [Journal Article] Climatology of tropical cyclone tornadoes in China from 2006 to 20182020

    • Author(s)
      Bai, L., Z. Meng, K. Sueki, G. Chen, and R. Zho
    • Journal Title

      Science China Earth Sciences

      Volume: 63

    • DOI

      10.1007/s11430-019-9391-1

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  • [Journal Article] Entraining CAPE for better assessment of tornado outbreak potential in the warm sector of extratropical cyclones2019

    • Author(s)
      Eigo Tochimoto, Kenta Sueki, and Hiroshi Niino
    • Journal Title

      Monthly Weather Review

      Volume: 147 Pages: 913-930

    • DOI

      10.1175/mwr-d-18-0137.1

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mesoscale Convective Vortex that Causes Tornado-Like Vortices over the Sea: A Potential Risk to Maritime Traffic2019

    • Author(s)
      Tochimoto, E., S. Yokota, H. Niino, and W. Yanase
    • Journal Title

      Monthly Weather Review

      Volume: 147 Pages: 1989-2007

    • DOI

      10.1175/mwr-d-18-0302.1

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  • [Journal Article] データ同化とアンサンブル予報による竜巻発生過程の解析2018

    • Author(s)
      横田祥, 新野宏, 瀬古弘, 國井勝, 山内洋
    • Journal Title

      ながれ

      Volume: 38 Pages: 8-13

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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Ensemble Experiments on a Maritime Meso-β-scale Vortex that Spawned Tornado-like Vortices causing shipwrecks2019

    • Author(s)
      Tochimoto, E., S. Yokota, H. Niino, and W. Yanase
    • Organizer
      10th European Conference on Severe Storms
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  • [Presentation] Investigating Important Factors for Development of Meso-β-Scale Vortex that Caused Tornado-like Vortices over the Sea: Ensemble Experiments and an Ensemble-based sensitivity analysis2019

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      Tochimoto, E., S. Yokota, H. Niino, and W. Yanase
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      18th Conference on Mesoscale Processes
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      Mashiko, W.
    • Organizer
      10th European Conference on Severe Storms
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  • [Presentation] A Numerical Case Study on a Tornado that Formed in a Quasi Linear Convective System2019

    • Author(s)
      Tochimoto, E. and H. Niino
    • Organizer
      Japan Geoscience Union
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  • [Presentation] 2015 年台風第 15 号の内部コア域の微細構造2019

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      益子渉,嶋田宇大
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      日本気象学会2019年秋季大会
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  • [Presentation] Ensemble Experiments of Meso-beta-Scale Vortex that Caused a Sudden Gusty Wind over the Sea2019

    • Author(s)
      Tochimoto, E., S. Yokota, H. Niino, and W. Yanase
    • Organizer
      99th American Meteorological Society Annual Meeting
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  • [Presentation] Important Factors for Tornadogenesis as Revealed by High-Resolution Ensemble Forecasts of the Tsukuba F3 Tornado on 6 May 20122018

    • Author(s)
      Yokota, S., H. Niino, H. Seko, M. Kunii, and H. Yamauchi
    • Organizer
      29th Conference on Severe Local Storms, American Meteorological Society
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  • [Presentation] Entraining CAPE for Better Assessment of Tornado Outbreak Potential in the Warm Sector of Extratropical Cyclones2018

    • Author(s)
      Tochimoto, E., K. Sueki, and H. Niino
    • Organizer
      29th Conference on Severe Local Storms, American Meteorological Society
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      2018 Annual Research Report
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  • [Presentation] Structures and Evolutions of Meso-β-scale Vortices that Spawned Tornado-like Vortices2018

    • Author(s)
      Tochimoto, E., S. Yokota, H. Niino, and W. Yanase
    • Organizer
      29th Conference on Severe Local Storms, American Meteorological Society
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      2018 Annual Research Report
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  • [Presentation] Wind Gusts Associated with Small-Scale Vortices in the Core of Typhoon GONI (2015)2018

    • Author(s)
      Mashiko, W.
    • Organizer
      29th Conference on Severe Local Storms, American Meteorological Society
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      2018 Annual Research Report
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  • [Presentation] Numerical Investigation on the Environment of Tornado Occurrences Associated with Typhoon 201318 (MAN-YI)2018

    • Author(s)
      Sueki. K
    • Organizer
      29th Conference on Severe Local Storms, American Meteorological Society
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  • [Presentation] Fine-scale Structures of Meso-β-scale Vortices that Cause Tornado-like Vortices2018

    • Author(s)
      Tochimoto, E., S. Yokota, H. Niino, and W. Yanase
    • Organizer
      Japan Geophysical Union
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  • [Presentation] Numerical Simulations of Meso-Beta-Scale Vortices that Spawned Tornado-like Vortices2018

    • Author(s)
      Tochimoto, E., S. Yokota, H. Niino, and W. Yanase
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      Asia Oceania Geosciences Society
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 観測ビッグデータの同化による竜巻予測の高度化2018

    • Author(s)
      横田祥, 瀬古弘, 新野宏, 國井勝, 山内洋, 佐藤英一
    • Organizer
      ポスト「京」重点課題4 第3回成果報告会
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 2015年9月1日に対馬海峡で突風を生じたメソβスケール渦のアンサンブル実験2018

    • Author(s)
      栃本英伍、横田祥、新野宏、柳瀬亘
    • Organizer
      2018年日本気象学会春季大会
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    • Author(s)
      益子渉
    • Organizer
      日本気象学会2018年春季大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 2018年台風第6号の接近に伴い沖縄県伊江島で発生した竜巻の発生過程2018

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      益子渉
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  • [Presentation] 台風201318号に伴う竜巻の発生環境場に関する数値的研究2018

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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Tornadoes: Our current understanding and future subjects2018

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      Niino, H.
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      Distinguished Ogura Lectures Accompanying Session, Fall Meeting of the Meteorological Society of Japan
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      2018 Annual Research Report
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  • [Presentation] Tornadoes: Their strutcture, genesis mechanism and environment2018

    • Author(s)
      Niino, H.
    • Organizer
      2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited

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Published: 2018-04-23   Modified: 2021-12-27  

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