アイウォール交換サイクル

気象学では、アイウォールの交換サイクル（同心円状のアイウォールサイクルとも呼ばれる）は、最大持続風速が33m/s（64ノット、119km/h、74mph）を超える、またはハリケーン強度の強い熱帯低気圧、特にサファー・シンプソン分類3～5の大型ハリケーンで自然に発生する。 ^{[1] [2]}このような嵐では、外側の降雨帯の一部が強まり、リング状の雷雨（新しい外側のアイウォール）を形成し、ゆっくりと内側に移動し、元の内側のアイウォールから必要な水分と角運動量を奪う。最も強い風が熱帯低気圧のアイウォールにあるため、この段階では内壁が外壁に「詰まる」ため、嵐は通常弱まる。最終的に、外側のアイウォールが内側のアイウォールを完全に置き換え、嵐が再び強まる可能性がある。^[3]

このプロセスの発見は、米国政府のハリケーン修正実験プロジェクト「ストームフューリー」の終焉の一因となった。このプロジェクトは、ハリケーンの眼壁の外側に雲を撒き散らすことで、新たな眼壁を形成し、嵐を弱めることを目的とした。これがハリケーンの力学による自然なプロセスであることが判明すると、プロジェクトはすぐに中止された。^[4]

ほぼすべての激しいハリケーンは、その存続期間中にこれらのサイクルを少なくとも 1 回は経験します。最近の研究では、熱帯低気圧のほぼ半数、および持続風速が時速 204 キロメートル (127 mph、110 kn) を超えるほぼすべての低気圧が、眼壁の交換サイクルを経験していることが示されています。^{[5 ] 1980 年の} ハリケーン アレンは、サファー シンプソン ハリケーン スケールのカテゴリ 5 とカテゴリ 4 の状態の間を何度も変動しながら、眼壁の交換サイクルを繰り返しました。台風ジューン(1975 年) は、トリプル アイウォールの最初の報告例であり、^[6]ハリケーンジュリエットとアイリス(2001 年) は、そのような例が記録されています。^{[7] [8]}

同心円状の眼壁が観測された最初の熱帯システムは、1956年にフォートナーが「目の中の目」と表現した台風サラでした。 ^[9]この嵐は偵察機によって、内側の眼壁が6キロメートル（3.7マイル）、外側の眼壁が28キロメートル（17マイル）にあることが観測されました。8時間後の次の飛行中に、内側の眼壁は消え、外側の眼壁は16キロメートル（9.9マイル）に減少し、最大持続風速とハリケーンの強度は低下しました。^[9]同心円状の眼壁が観測された次のハリケーンは、1960年のハリケーン・ドナでした。 ^[10]偵察機のレーダーは、内側の眼が低高度で10マイル（16km）から対流圏界面付近で13マイル（21km）まで変化していることを示しました。 2つの眼壁の間には、垂直に3,000フィート（910メートル）から25,000フィート（7,600メートル）まで広がる晴天の領域がありました。3,000フィート（910メートル）付近の低層の雲は、同心円状の水平ロールを持つ層積雲として説明されました。外側の眼壁は45,000フィート（14,000メートル）近くの高さに達したと報告されましたが、内側の眼壁は30,000フィート（9,100メートル）までしか広がりませんでした。同心円状の眼壁が確認されてから12時間後、内側の眼壁は消滅しました。^[10]

1967 年のハリケーン ベウラは、最初から最後まで眼壁の入れ替えサイクルが観測された最初の熱帯低気圧でした。^{[11]同心円状の眼壁の以前の観測は、航空機ベースのプラットフォームからでした。ベウラは}プエルトリコの陸上レーダーから 34 時間にわたって観測され、その間に二重の眼壁が形成されて消滅しました。ベウラは眼壁の入れ替えサイクルに入る直前に最大強度に達し、それは「おそらく単なる偶然ではない」と指摘されました。^[11]以前の眼壁の入れ替えサイクルは嵐の強度を低下させることが観測されていましたが、^[9]この時点では、なぜそれが起こったのかの力学はわかっていませんでした。^[要出典]

1946年にはすでに、過冷却水を含む雲に二酸化炭素の氷やヨウ化銀を投入すると、一部の水滴が氷に変わり、続いてベルジェロン・フィンダイゼン過程により水滴が犠牲になって氷粒子が成長し、その水がすべて大きな氷粒子になることが知られていた。降水量が増加すると、嵐は消滅する。^[12] 1960年初頭までに、ハリケーンの眼壁は慣性的に不安定で、雲には大量の過冷却水があるというのが仮説だった。そのため、眼壁の外側に嵐を撒き散らすと、潜熱がさらに放出され、眼壁が膨張する。眼壁の膨張は、角運動量保存則により最大風速の低下を伴う。^[12]

ストームフューリー計画は、熱帯低気圧に航空機を飛ばし、ヨウ化銀を散布することで熱帯低気圧を弱めようとする試みであった。この計画は1962年から1983年まで米国政府によって実施された。^[13]

仮説は、ヨウ化銀が嵐の中の過冷却 水を凍結させ、ハリケーンの内部構造を破壊するというものだった。これが大西洋のハリケーンにいくつかの雲の種まきをもたらした。しかし、後にこの仮説は誤りであることが判明した。^[12]実際には、ほとんどのハリケーンには雲の種まきが効果を発揮するのに十分な過冷却水が含まれていないことが判明した。さらに、研究者らは、雲の種まきをしていないハリケーンは、雲の種まきをしたハリケーンに予想される眼壁の交換サイクルを頻繁に経験することを発見した。この発見により、ストームフューリーの成功に疑問が投げかけられた。報告された変化には今や自然な説明がついたからである。^[13]

最後の実験飛行は、候補となる嵐の不足とNOAAの艦隊の切り替えのため、1971年に行われました。最後の改良実験から10年以上経って、ストームフューリー計画は正式に中止されました。ハリケーンの破壊力を軽減するという目標は達成できませんでしたが、ストームフューリー計画にはメリットがなかったわけではありません。ストームフューリーによって生成された観測データと嵐のライフサイクル研究は、将来のハリケーンの動きと強度を予測する気象学者の能力を向上させるのに役立ちました。^[12]

ハリケーン分析者にとって、二次的な眼壁を定性的に特定することは簡単です。衛星画像やレーダー画像を見て、対流が活発な 2 つの同心円状のリングがあるかどうかを確認します。外側の眼壁は一般にほぼ円形で、内側の眼壁と同心円状です。定量的な分析は、二次的な眼壁が何であるかの客観的な定義がないため、より困難です。Kossinらは、外側のリングは内側の眼から視覚的に分離され、少なくとも 75% が閉じられ、雲のない堀領域が必要であると規定しました。^[2]

二次的な眼壁は熱帯低気圧が陸地に近づくと見られるが、眼が海上にないときには観測されていない。カトリーナ、オフィーリア、リタなどの強いハリケーンの強度の変化は眼壁の入れ替え周期と同時に発生し、眼壁、降雨帯、外部環境の相互作用によって生じた。^{[2] [14]リタが}米国のメキシコ湾岸に接近したときに発生したような眼壁の入れ替え周期は、熱帯低気圧のサイズを大きくすると同時に、その強さを弱める可能性がある。^[15]

1997年から2006年の間に、熱帯北大西洋で45回の眼壁交換サイクルが観測され、北東太平洋で12回、北西太平洋で2回観測されました。この期間中、大西洋のすべての嵐の12％と太平洋の嵐の5％で眼壁の交換が起こりました。北大西洋では、主要なハリケーンの70％で少なくとも1回の眼壁交換がありましたが、すべての嵐では33％でした。太平洋では、主要なハリケーンの33％とすべてのハリケーンの16％で眼壁交換サイクルがありました。より強い嵐では二次的な眼壁が形成される可能性が高く、カテゴリー5のハリケーンの60％で12時間以内に眼壁交換サイクルが起こります。^[2]

1969年から1971年にかけて、太平洋で熱帯暴風雨以上の強さに達した嵐は93回ありました。スーパー台風の強さ（65 m/s）に達した15回のうち8回、台風の強さ（33 m/s）に達した49回のうち11回、そして熱帯暴風雨（33 m/s未満）の29回のうち1回も同心円状のアイウォールを発達させませんでした。著者らは、偵察機が二重アイウォールの特徴を特に探していなかったため、これらの数字はおそらく過小評価されていると指摘しています。^[5]

1949年から1983年にかけて、西太平洋では1,268の台風が観測された。このうち76の台風には同心円状のアイウォールがあった。アイウォールの入れ替わりを経験した台風のうち、約60%は1回のみ、40%は1回以上のアイウォールの入れ替わりサイクルを経験し、そのうち2つの台風はそれぞれ5回のアイウォールの入れ替わりを経験した。アイウォールの入れ替わりサイクルを伴う嵐の数は、嵐の強さと強く相関していた。より強い台風は同心円状のアイウォールを持つ可能性がはるかに高かった。最大持続風速が45 m/s未満または最低気圧が970 hPaを超える場合に、二重アイウォールの事例はなかった。気圧が970 hPa未満の台風の4分の3以上で、二重アイウォールの特徴が発達した。二重アイウォールを経験する西部および中部太平洋の台風の大部分は、グアム近海で発生する。^[6]

同時に2つ以上の二次眼壁が形成されることはまれであり、2つの二次眼壁と1つの一次眼壁は三重眼壁と呼ばれます。三重眼壁の最初の報告された事例は台風6月（1975年）であり、^[6]ハリケーン・ジュリエットとアイリス（2001年）も同様の事例として記録されています。^{[7] [16]}

二次アイウォールはかつてはまれな現象だと考えられていた。偵察機やマイクロ波衛星データの出現以来、主要な熱帯低気圧の半数以上が少なくとも1つの二次アイウォールを発達させることが観察されている。^{[5] [17]}二次アイウォールの形成を説明しようとする仮説は数多くある。ハリケーンが二次アイウォールを発達させる理由はよくわかっていない。^[18]

アイウォールの入れ替わりサイクルが自然なものであることが発見されて以来、その原因を突き止めようとする関心が高まっています。現在では放棄されている仮説が数多く提唱されています。1980年、ハリケーン・アレンがハイチの山岳地帯を横切り、同時に二次アイウォールを形成しました。ホーキンスはこれに注目し、二次アイウォールは地形的強制力によって引き起こされた可能性があるという仮説を立てました。^[19]ウィロビーは、慣性周期と非対称摩擦の共鳴が二次アイウォールの原因である可能性があると示唆しました。^[20]その後のモデリング研究と観察により、外側のアイウォールは陸地プロセスの影響を受けない領域で発達する可能性があることが示されています。

総観規模の特徴と二次眼壁の置換との間に関連があることを示唆する仮説は数多くある。放射状に内側に移動する波のような擾乱が熱帯擾乱から熱帯低気圧への急速な発達に先行していることが観察されている。この総観規模の内部強制が二次眼壁につながる可能性があるという仮説が立てられている。^[21]総観規模の強制と関連した熱帯低気圧の急速な深化は複数の嵐で観察されているが^[22] 、二次眼壁の形成に必要な条件ではないことがわかっている。^[18]風誘起表面熱交換(WISHE) は海洋と大気の間の正のフィードバック機構であり、海洋から大気への熱流束が強くなると大気循環が強くなり、その結果、強い熱流束が生じる。^[23] WISHE は二次眼壁を生成する方法として提案されている。^[24]その後の研究では、WISHE は擾乱を増幅するために必要な条件であるが、擾乱を生成するために必要ではないことがわかっている。^[18]

渦ロスビー波仮説では、波は内側の渦から放射状に外側へ伝わる。波は、外側の流れの速度と一致する半径速度に依存する半径で角運動量を増幅する。この時点で、2つは位相ロックされ、波の合体により二次的な眼壁が形成される。^{[14] [25]}

流体システムでは、β（ベータ）は、環境の垂直渦度の空間的、通常は水平方向の変化です。βは熱帯低気圧の眼壁で最大になります。βスカート軸対称化（BSA）では、二次眼を発達させようとしている熱帯低気圧は、眼壁から約50キロメートル（30マイル）から100キロメートル（60マイル）まで、減少するが負ではないβを持つと想定しています。この領域には、小さいながらも重要なβがあります。この領域はβスカートと呼ばれます。スカートの外側では、βは事実上ゼロです。^[18]

対流有効位置エネルギー(CAPE) は、大気中を垂直に一定距離上昇した場合に空気塊が持つエネルギー量です。CAPE が高いほど、対流が発生する可能性が高くなります。β スカート内に CAPE の高い領域が存在する場合、形成される深層対流は渦度と乱流運動エネルギーの源として機能します。この小規模なエネルギーは、嵐の周りのジェットに拡大します。低レベルのジェットは、確率的エネルギーを目の周りのほぼ軸対称のリングに集中させます。この低レベルのジェットが形成されると、 WISHEなどの正のフィードバック サイクルによって、初期の摂動が二次的な眼壁へと増幅される可能性があります。^{[18] [26]}

二次眼壁が内側眼壁を完全に取り囲むと、熱帯低気圧のダイナミクスに影響を及ぼし始めます。ハリケーンは高い海水温によって発生します。熱帯低気圧の真下の海面温度は、嵐の周囲の温度よりも数度低くなることがあります。サイクロンは、内向きの渦巻く風によって運ばれる海からのエネルギーを受け取ることに依存しています。外側眼壁が形成されると、内側眼壁の維持に必要な水分と角運動量が外側眼壁の維持に使用され、内側眼が弱まって消散し、熱帯低気圧の 1 つの眼の直径が以前の眼よりも大きくなります。

内側の眼壁と外側の眼壁の間の堀の領域では、ドロップゾンデによる観測で高温と露点低下が見られた。眼壁は慣性不安定性のために収縮する。^[27]眼壁の収縮は、対流領域が最大風の半径の外側に発生すると発生する。外側の眼壁が形成されると、堀の領域での沈下が急速に増加する。^[28]

内側の眼壁が消滅すると、嵐は弱まり、中心気圧が上昇し、最大持続風速が低下します。熱帯低気圧の強度の急激な変化は、眼壁の交換サイクルの典型的な特徴です。^[28]二次眼壁の形成に関与するプロセスと比較して、内側の眼壁の消滅はかなりよく理解されています。

非常に大きな外眼壁を持つ熱帯低気圧の中には、外眼の収縮とそれに続く内眼の消滅を経験しないものもあります。台風ウィニー（1997年）は、直径200海里（370km）の外眼壁を形成しましたが、海岸線に到達するまで消滅しませんでした。^[29]眼壁が崩壊するのに必要な時間は、眼壁の直径に反比例しますが、これは主に、内向きの風が最大風の半径から離れるにつれて漸近的にゼロに減少するためですが、眼壁が崩壊するのに必要な距離にも起因します。^[27]

堀の垂直層全体に乾燥した下降気流が流れている。堀領域のダイナミクスは眼に似ているが、外側の眼壁は主眼壁のダイナミクスを引き継ぐ。眼の垂直構造は 2 層である。最大の層は、対流圏界面の上部から 700 hPa 付近のキャッピング層までで、下降する暖かい空気によって表される。キャッピング層の下では、空気は湿っていて、層積雲の存在により対流が起きている。堀は徐々に眼の特性を引き継ぎ、その時点では、流入量の大部分が外側の眼壁の維持に使われるようになるため、内側の眼壁は強力に消散するしかない。内側の眼は、堀と眼の周囲の乾燥した空気によって温められるため、最終的に蒸発する。モデルと観測によると、外側の眼壁が内側の眼を完全に取り囲むと、内側の眼壁が完全に消散するのに 12 時間もかからない。眼球の内側の壁は、蒸発する前に眼球の下部にある湿った空気を主に栄養源としています。^[14]

環状ハリケーンには、より大きく円対称な単一の眼壁がある。観測によると、眼壁の交換サイクルが環状ハリケーンの発達につながる可能性があることが示されている。一部のハリケーンは眼壁の交換なしに環状ハリケーンに発達するが、二次眼壁の形成につながるダイナミクスは、環状の眼の発達に必要なダイナミクスに似ている可能性があるという仮説が立てられている。^[2] 台風ウーティップ（2019年）と台風ウィニー（1997年）は、嵐が眼壁の交換サイクルを経て環状の熱帯低気圧に変わった例である。^[30]眼壁の交換のライフサイクルを経た環状ハリケーンのシミュレーションが行われた。シミュレーションでは、主要な降雨帯が成長して腕が重なり合い、その後螺旋状に内側に曲がり同心円状の眼壁を形成することが示されている。内側の眼壁は消滅し、雨帯のない単一の大きな目を持つハリケーンが残る。^[31]

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