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台風観測研究の今後の展望 ～台風力学から応用へ～

台風観測研究の今後の展望 ～台風力学から応用へ～. 筆保弘徳 横浜国立大学. 資料提供者：山口宗彦 ( 気象研究所 ) ・城岡竜一 (JAMSTEC) 　　　　　　　　佐藤正樹 ( 東京大学 /JAMSTEC) ・伊藤耕介 ( 国立台湾大学 ) 　　　　　　　　真鍋和大 ( 京都大学 ). 第 1 回ドップラーライダーによる宇宙からの風観測に関する講演会 2011 年 9 月 30 日　東京大学理学部 1 号館小柴ホール. 日本における台風災害の甚大さ. 日本における自然災害の要因割合 (1980-2005). 人的被害. 経済損失.

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台風観測研究の今後の展望 ～台風力学から応用へ～

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  1. 台風観測研究の今後の展望～台風力学から応用へ～ 筆保弘徳 横浜国立大学 資料提供者：山口宗彦(気象研究所)・城岡竜一(JAMSTEC) 　　　　　　　　佐藤正樹(東京大学/JAMSTEC)・伊藤耕介(国立台湾大学) 　　　　　　　　真鍋和大(京都大学) 第1回ドップラーライダーによる宇宙からの風観測に関する講演会 2011年9月30日　東京大学理学部1号館小柴ホール

  2. 日本における台風災害の甚大さ 日本における自然災害の要因割合(1980-2005) 人的被害 経済損失 2005年の価値基準による見積もり　 Munchener Ruck Munich Re Groupより 台風災害は、地震災害とならび、日本の自然災害の大きな割合を占める 人的被害は小さくなっているが、経済損失などの被害は減少してきているとはいえない

  3. 特異な挙動をする台風の増加 2010年　日本海で勢力を衰えずに上陸 1004号 秋田上陸 2010年8月 1009号福井上陸 2010年9月

  4. 台風研究の必要性 台風被害が依然として大きい現状の背景には • 台風経路予報の精度は平均的には向上したが、個々の事例では約1000kmの誤差も・・ • 数値シミュレーション・観測研究により台風力学の理解が進展しつつあるが、応用・技術開発が進んでいない 大型台風観測計画 数値シミュレーション 台風力学 応用 求められるもの 　　亜熱帯海上のモニタリング

  5. 衛星搭載ドップラーライダーによる台風観測 衛星搭載ドップラーライダーにより、対流圏の風を高精度に観測できれば・・・ 環境場と台風の関係 • 台風の進路予報 • 台風強度・サイズの予報 • 台風発生過程の理解

  6. 　　１．台風進路　　

  7. 東・東南アジアへの台風の進路 30年間の台風経路 50年間の台風発生位置 1997～2007年の台風進路予報誤差 1951～2004年統計 台風発生：27.0 日本・韓国上陸:3.4 中国上陸:3.7 インドネシア半島上陸:5.1 Yamaguchi et al. (2009)

  8. 東・東南アジアへの台風の進路 アンサンブル予報が示すとおり、予報の難しい(スプレッドが大きい)台風が存在 ・高層観測点が少ない領域 ・偏西風帯と太平洋高気圧の合流域 ・転向時が難しい 偏西風 太平洋高気圧

  9. 台風トラック研究の国際観測プロジェクト 予報誤差が生じる原因は二つ(Yoden, 2006) (1) 大気の持つカオス的性質により初期値に　　含まれる誤差が増大すること (2) 予報モデルが不完全で現実大気の変化を　　正しく表現できていないこと DOTSTAR: Dropsonde Observation for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region. 国立台湾大学と台湾気象局が主体となって2003年にDOTSTARと呼ばれるプロジェクトが開始された。DOTSTARでは台湾に影響のありそうな台風を対象に、年に10回程度航空機によるドロップウィンドゾンデ観測を行っている。 台風周辺の気温、湿度、気圧、風速　の詳細な観測 T-PARC： THORPEX Pacific Asian Regional Campaign 日本が主導した国際研究計画のもと(研究代表者: 中澤哲夫)、2008年に台風進路予報の改善を目的として航空機による台風の直接観測が行われた。

  10. Conson(T0404)を対象としたドロップゾンデ観測 台湾国立大学が、2002年より、台湾に影響を及ぼすことが予想される台風に対して有人飛行機によるドロップゾンデ観測を行っている (DOTSTAR: Dropsonde Observation for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region)。2004年6月8日12UTCに台風Consonを対象とした観測が行われた。 観測時の赤外画像 Produced by National Institute of Informatics Consonの中心位置 中心気圧：960 hPa 最大風速 : 65 kt 全部で16点のドロップゾンデ観測 Yamaguchi et al. (2009)

  11. 航空機観測で劇的に進路予報が改善する例 観測 もし航空機観測データがなかったら、台風の北東進は予想できていなかった（2004年台風第4号の事例)。 黒線：実際の台風進路 赤線：航空機観測データがあった場合の台風予報 青線：航空機観測データがなかった場合の台風予報 Yamaguchi et al. (2009)

  12. 台風移動に対する理論研究 一般化逆行列を用いて定義されるアンサンブルベースの感度を台風の進路に関する感度解析に導入 従来手法と は異なり、台風の位置そのものを評価関数とすることができ、進路に影響する要素を直接、定量的に検出できる。 東西風(500hPa)に対する感度評価関数:24時間後の台風中心経度 A 東西風(A-A’断面図)に対する感度 T1013 (Megi) ★ A’ A A’ (Ito and Wu, 2011, in preparation)

  13. 衛星観測による進路予報の改善 AMV(Atmospheric motion vector) (大気追跡風) 衛星観測による進路予測の改善に関して (Velden et al. 1992, Goerss et al. 1998, 山下2007, Wang et al. 2006, Langland 2009, Goerss 2009) Hurricane Katrina (2005) (山下他 2007) 赤Rapid-scan AMV 青Regular AMV (Langland 2009)

  14. 衛星観測による進路予報の改善 青　Regular 赤　Rapid-scan RS-AMVの使用 Midium-range(72-120h)で改善 衛星観測RSvs．ドロップゾンデ 12%改善 　観測点数の増加 　広い空間・時間をカバー 緑　ベストトラック 青　Regular 赤　Rapid-scan 00UTC27 ±3h 15 drop sonde

  15. 衛星搭載ドップラーライダーによる台風観測 環境場の風の観測ができれば・・・ 　　　・数値予報へのデータ同化 　　　　　　　＝台風進路予報の精度向上 　　　・理論研究の検証 台風外側対流圏中層風(inflow/outflow)と湿度の観測ができれば 　　　・台風水平スケールへの影響 　　　・理論研究の検証 環境場の鉛直シア・水平シアの観測ができれば・・・ 　　　・台風の軸対称化＝台風強度への影響 　　　・理論研究の検証 環境場の水平シア・鉛直シア・乾燥気塊慣入の観測ができれば・・ 　　　・台風発生予報の可能性 　　　・台風発生メカニズム理論の検証

  16. 　２．台風強度・サイズ　

  17. 台風の強さと大きさ T0422 Oct 08 06UTC T0423 Oct 19 06UTC 台風強度(台風中心気圧) 台風サイズ(影響半径) ｢大型で並の強さ｣｢小型で強い｣台風 　　　　　両者は独立した発達メカニズム Weatherford and Gray (1988a, b)

  18. 台風の強さと大きさ 台風のサイズが遠隔地への影響 T0418 風水害による損害保険金支払額 　＜台風の概要＞ 発生年月　2004年9月 特徴 ・大型で進行速度が遅かった ・台風遠方時でも秋雨前線活発化に影響 （日本損害保険協会調べ；平成21年）

  19. 現実実験 台風なし実験 Wang et al. (2010) ３日間降水量 リアル実験 台風なし実験 南海上に台風がないと、関東の降水は約60％減

  20. 台風サイズの要因 台風サイズの発達メカニズム 仮説 ・発生時の環境場：大規模擾乱のサイズ ・環境場の相対湿度 環境場感度実験による台風サイズの変化 地上風17m/sの半径　Hill and Lackmann (2009) Xu, and Wang(2010)

  21. 外部コア発達プロセス 軸対称構造 鉛直断面図 壁雲　眼 壁雲 上層雲 Anvil 上層雲 Anvil 10km 5km 2km 摩擦層 150km 60km 30km 0km 外部コア発達プロセス　：　外部アンビルの非断熱加熱により、台風バランス力学で説明される、２次循環が発生。その中層収束による絶対角運動量の輸送で発達。 Fudeyasu and Wang (2011)

  22. 外部コア発達プロセス 軸対称構造 鉛直断面図 壁雲　眼 壁雲 上層雲 Anvil 上層雲 Anvil 10km 5km 2km 摩擦層 150km 60km 30km 0km 外部コア発達プロセス　：　外部アンビルの非断熱加熱により、台風バランス力学で説明される、２次循環が発生。その中層収束による絶対角運動量の輸送で発達。 Fudeyasu and Wang (2011)

  23. 外部コア発達プロセス 軸対称構造 鉛直断面図 壁雲　眼 壁雲 上層雲 Anvil 上層雲 Anvil 10km 5km 2km 摩擦層 150km 60km 30km 0km 外部コア発達プロセス　：　外部アンビルの非断熱加熱により、台風バランス力学で説明される、２次循環が発生。その中層収束による絶対角運動量の輸送で発達。 Fudeyasu and Wang (2011)

  24. 外部コア発達プロセス 軸対称構造 鉛直断面図 壁雲　眼 壁雲 上層雲 Anvil 上層雲 Anvil 10km 5km 2km 摩擦層 150km 60km 30km 0km 外部コア発達プロセス　：　外部アンビルの非断熱加熱により、台風バランス力学で説明される、２次循環が発生。その中層収束による絶対角運動量の輸送で発達。 Fudeyasu and Wang (2011)

  25. 衛星搭載ドップラーライダーによる台風観測 台風外側対流圏中層風(inflow/outflow)と湿度の観測ができれば 　　　・台風水平スケールへの影響 　　　・理論研究の検証 壁雲　眼 壁雲 上層雲 Anvil 上層雲 Anvil 10km 台風スケールの決定 5km 台風強度の決定 2km 摩擦層 150km 60km 30km 0km

  26. 大規模な風の負の効果 (鉛直シア・水平シア) 台風の軸対称構造を壊す 2次循環が弱まる (SSI過程の衰退) 台風強度は弱まる 大規模な風の正の効果 (負の効果が弱い) 台風の軸対称化 2次循環が強まる (SSI過程) 台風強度は強まる 大規模場の風＞台風構造(対流雲の組織化・軸対称/非軸対称)をコントロール メソスケール過程＞軸対称非断熱加熱（壁雲形成）によるSSIを通して、台風強度(発達/衰弱)を決定する Fudeyasu et al. (2010)

  27. 衛星搭載ドップラーライダーによる台風観測 環境場の風の観測ができれば・・・ 　　　・数値予報へのデータ同化 　　　　　　　＝台風進路予報の精度向上 　　　・理論研究の検証 台風外側対流圏中層風(inflow/outflow)と湿度の観測ができれば 　　　・台風水平スケールへの影響 　　　・理論研究の検証 環境場の鉛直シア・水平シアの観測ができれば・・・ 　　　・台風の軸対称化＝台風強度への影響 　　　・理論研究の検証 環境場の水平シア・鉛直シア・乾燥気塊慣入の観測ができれば・・ 　　　・台風発生予報の可能性 　　　・台風発生メカニズム理論の検証

  28. 3．台風発生　　　

  29. Background 台風発生メカニズムの解明は・・・ 気象学研究においても、最も解明されていないメカニズムの一つとされている(Emanuel 2003; Gore2006；伊藤 2007) 解明を困難にする原因は？ • 台風発生が起きる亜熱帯域海上での密な観測が困難 • 高精度な気象モデルを用いた数値シミュレーションを行っても，長時間・多重スケール現象である台風を再現するのは困難 現在の研究状況 • 亜熱帯域海上での総合的な観測 • NICAMによる長期間シミュレーション

  30. Observation vs. NICAM 300km MTSAT-1R NICAM MJO-organized clouds MJO-organized clouds TS Isobel TS Isobel Dec. 29 2006 2weeks after initialization Surface rain rate (mm hour-1) by NICAM Surface rain rate (mm hour-1) by TRMM-TMI 0920 UTC 2 Jan. Latitude 2230 UTC 2 Jan.

  31. 熱帯低気圧発生集中観測　(PALAU2008/2010) メカニズム解明を目的とした観測計画の立案と実施 観測に用いた航空機　ガルフストリームII 航空機から投下して温湿度・風を　　　　　測定するドロップゾンデ JAMSTEC熱帯気候変動研究プログラムの集中観測概念図

  32. 台風Fengshenの全球雲解像シミュレーション JTWC による 　予報進路 Fengshen 初期渦段階の レーダーエコー（カラ―） PALAU2008 集中観測 観測船みらい 2008/6/17 21UTC 領域集中格子版 フィリピンに上陸、甚大な被害 目的： ・　集中観測との連携による台風発生メカニズムの解明と予報精度向上 ・　国際観測プロジェクトYear of Tropical Convection(YOTC) への貢献 ・　3.5km格子計算を利用した積雲スキーム改善への貢献 　（非断熱加熱率、マスフラックス、エントレインメント率評価） 実験設定： ・　水平格子間隔: 3.5 km, 14km（感度計算）　 ・　鉛直：40層　(0 m ~ 38,000 m) ・　積分期間: 2008年6月15-25日（台風発生：6月19日） ・　初期値データ: ECMWF YOTC Operational data (0.5x0.5度) ・　海洋混合層モデル（Reynolds SSTにナッジング） 2008/6/11-20 平均　 850hPa東西風速場 MJOの通過に伴う赤道域西風 大規模な低気圧循環　　　　 　　（台風の発生に好都合）

  33. A synthesis of the cyclogenesis process 熱的因子を満たす プレコンディショニング 水平スケール ENSO等 長期変化 海域 スケール MJO・ モンスーントラフ等 季節内変化　 力学的因子を満たす プレコンディショニング 理想場実験での｢箱入り台風｣の発生は容易 現実大気＝水平シア・鉛直シア・乾燥気塊慣入 台風発生過程にとって負の影響が多く存在する。 メソスケール過程による台風発生完了までの長い期間に、この負の影響から台風の卵が守られるかどうかが、台風が誕生できるかの要と言える。(近年の研究marsupial paradigm) Synoptic-scale 大規模 スケール -2000km 熱帯波動擾乱・ 大規模擾乱等 個々の台風発生をコントロール ダウンスケーリング 台風システム スケール 相互作用 Meso-α-scale 台風 2000km - 200km クラスター・メソ対流・MCS・MCV併合・ 軸対称化 台風組織化 SSI メソ対流系 スケール Meso-β-scale アップスケーリング 200km - 20km 対流雲組織化をもたらす メソスケール過程 相互作用 対流バースト・VHTs併合・強化 Meso-γ-scale メソ対流・ 20km - 2km 対流活発化 対流スケール プレコンディショニングステージ 台風組織化ステージ 自己発達ステージ 第1次渦強化 第2次渦強化 時間 季節 10-60日前 数日－10日前 　発生

  34. 衛星搭載ドップラーライダーによる台風観測 環境場の風の観測ができれば・・・ 　　　・数値予報へのデータ同化 　　　　　　　＝台風進路予報の精度向上 　　　・理論研究の検証 台風外側対流圏中層風(inflow/outflow)と湿度の観測ができれば 　　　・台風水平スケールへの影響 　　　・理論研究の検証 環境場の鉛直シア・水平シアの観測ができれば・・・ 　　　・台風の軸対称化＝台風強度への影響 　　　・理論研究の検証 環境場の水平シア・鉛直シア・乾燥気塊慣入の観測ができれば・・ 　　　・台風発生予報の可能性 　　　・台風発生メカニズム理論の検証

  35. 東アジア台風観測計画とアジア台風センターの設立東アジア台風観測計画とアジア台風センターの設立 計画実施概要 • アジア台風センターを東京と沖縄に開設する。 • 東京本部は計画運営と研究の場として、研究者と大型コンピュータを配置し、観測と数値シミュレーションを融合した研究を遂行する。 • 沖縄観測推進本部では、大規模な台風観測(飛行機・衛星観測を含む)を継続的に実施する体制を整備する。 • 日本が指導的な立場をとり、東アジア諸国の台風センターと連携をとりながら、観測計画を提案・実施する。 • アジア台風センターを拠点として、各国の研究機関との共同研究や若手研究者育成を図る連携を持つ。

  36. 気象庁台風センターとの違い Shanghai Typhoon Institute  　　　　　　　気象庁台風センター 職員7名 気象庁本庁予報課内 WNO所属の西太平洋地区の台風監視組織 台風モニタリングとベストトラック作成(Dvorak Techniqueによる台風中心とサイズの見積もり) 台風発生位置と進路 東京本部 沖縄観測推進本部 Typhoon Dynamics Research Center  APEC Research Center for Typhoon and Society 

  37. 飛行機・地上レーダー観測の概要 飛行機観測：台風強度の正確なデータベースのために必要 台風の中心気圧、風速の正確な観測は飛行機による。 西太平洋では、1987年8月以来、米軍による飛行機観測が途絶えている。 台風

  38. 予算規模 • アジア台風センターの運営・研究施設の整備(大型コンピュータを含む)10億 • 沖縄観測推進本部の研究施設の整備5億 • 人件費　10億：（研究員10名ｘ10年） • 航空機搭載レーダーの開発5億 • 10年間航空機運用30億 • 台風集中観測経費20億

  39. 計画の現状 ユニークなポイント　 • 東アジア及び東南アジア諸国との連携。 • 1つの台風を各拠点から観測を実施。 • モデリング予報により、集中的に台風観測すべきツボをおさえた観測の実施。 • 東・東南アジア諸国で連携した大規模な台風研究は過去にない。 現段階での準備状況と実現の期待　 • 研究計画の大枠がまとまりつつある。 • 東・東南アジア諸国との調整を進んでおり、台風研究をリードしている米国、台湾、中国の研究者との連携もすでにある。 • 計画に必要な資金やアジア台風センターの設立場所などは定まっていない。 • アジア台風センターの設立は緊急を要しており、3年以内には計画を開始・実施したい。

  40. 台風Fengshenの全球雲解像シミュレーション MTSAT-IR NICAM 3.5 km 3.5 km格子 　標準 14km格子 標準乱流混合 　（青・黄・緑） 観測 台風発生２日前 （2008/06/17 00UTC)　雲分布 14km格子 　強乱流混合 台風直後 （2008/06/19) １日積算降水量 観測 • 乱流混合強化による進路の改善（14km格子） • 　高解像度化による進路の改善 • 進路予報向上に対する雲分布の再現性の重要性を示唆 14km格子 強乱流混合 14km格子 標準乱流混合 3.5 km格子 　　標準 mm/hr mm/hr

  41. 気象衛星観測 気象衛星観測： 衛星観測による台風の統計データベース 将来の気象衛星計画の提案 台風の発生・強度・構造変化 赤道周回衛星の提案 熱帯降雨観測衛星TRMMによる台風観測 Megha-Tropiques EquiTrap/EquiWinds Observed range 15N 15S JAXA Homepageより

  42. 熱帯降雨観測衛星降雨レーダー(TRMM/PR)京都大学大学院 　　真鍋　和大 • マイクロ波を発射し返ってくるエコーを観測　→３次元構造がわかる • 観測範囲：36°S～ 36°N地上から20km • 衛星高度：402.5km • 観測幅：245km • 鉛直分解能：250m • 水平分解能：5km Katrinaの降水鉛直分布 高さ(km) A B A B

  43. Pre-T0422 Oct 04 00UTC Pre-T0423 Oct 12 18UTC T0422 Oct 08 06UTC T0423 Oct 19 06UTC 台風の大きさ １００８ １００８ １００4 １００4

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