ホットタワー

ホットタワーとは、大気の最下層である対流圏から成層圏まで伸びる熱帯の積乱雲のことです。[1] これらの雲は、雲の中で^{水蒸気が凝結}して液体になり、氷に凍る際に大量の潜熱が放出されるため、「ホット」と呼ばれます。渦度が十分な領域にあるホットタワーは、回転する上昇気流を獲得することがあり、これらは渦状ホットタワーとして知られています。場合によっては、ホットタワーはスーパーセルの特徴を発達させ、上昇気流に深く持続的な回転が存在するように見えます。^{[ 2 ]}熱帯気象におけるホットタワーの役割は、1958年にジョアン・シンプソンによって初めて定式化されました。ホットタワーは1960年代の熱帯気象学の議論の中心となり、現在では熱帯低気圧内の上昇気流の主な原動力であり、ハドレー循環の主要な構成要素であると考えられています。 1970年代には科学文献におけるホットタワーの出現頻度は減少したが、ホットタワーは依然として活発な研究分野である。熱帯低気圧におけるホットタワーの存在は、熱帯低気圧の強度の増加と相関している。^{[ 3 ]}

ホットタワーは1950年代にレーダーで初めて検出されました。 ^{[ 1 ]}航空偵察はホットタワーの調査に使用されましたが、安全上の懸念から飛行機はホットタワーの最も危険な中心部を避けていました。^{[ 4 ]} 1997年に熱帯降雨観測ミッション（TRMM）が打ち上げられたことで、ホットタワーを体系的にカタログ化し、その構造を世界的に正確に評価するために必要な解像度とカバレッジが実現しました。^{[ 1 ]} 1997年以前は、ホットタワーのサイズが小さく、持続期間が短いため、ホットタワーの研究は航空観測に限られていました。マイクロ波および赤外線波長の衛星センサーの解像度が粗すぎて、ホットタワー内部の詳細を適切に解像できなかったためです。^{[ 5 ]}

ホットタワーという用語は、急速に上昇する空気の塊と、それに伴う背の高い積乱雲の両方に適用されています。 ^{[ 1 ] [ 6 ]}上昇する空気の領域は水平方向に小さく、約2〜4 km (1.2〜2.5 mi)の範囲に広がっています。^{[ 6 ] [ 4 ]}最大の範囲は垂直方向で、 18 km (11 mi)の高度に達し、高い反射率を示します。^{[ 7 ]}ホットタワーは実質的に希釈されていません。上昇するにつれて、周囲の空気は上昇する空気の塊と混ざりません。^{[ 8 ] [ 9 ]}その結果、ホットタワー内の等価ポテンシャル温度は、垂直方向全体にわたってほぼ一定に保たれます。これにより、下部対流圏から成層圏への効率的な熱輸送が可能になります。回転領域内で形成されるホットタワーは、回転する上昇気流を特徴とする場合があります。これらは渦状ホットタワーとして知られており、異常な垂直渦度の局所的な領域に関連している。^{[ 9 ]}    

1950年代以前は、熱帯の熱と水分を極方向へ運ぶ大気循環であるハドレー循環を駆動するメカニズムはよく理解されていませんでした。 ^{[ 10 ]}当初、ハドレー循環は赤道付近の暖かく湿った空気の広範囲にわたる拡散的かつ緩やかな上昇によって支えられていると考えられていました。しかし、第二次世界大戦のデータを用いた地球のエネルギー収支の計算では、対流圏中層はエネルギー不足の領域であることが示され、ハドレー循環の維持は広範囲にわたる空気の上昇では説明できないことが示されました。^{[ 4 ]}地球規模の気候システムにおける熱帯地域の役割や熱帯擾乱の発生についても、よく理解されていませんでした。 1950年代は、1956年に米国国立ハリケーン研究プロジェクトが設立されるなど、熱帯気象学が進歩した重要な10年間でした。 ^{[ 11 ]} 1958年、ハーバート・リーエルとジョアン・シンプソンは、ホットタワー内の凝結によって放出される潜熱がハドレー循環と貿易風を維持するために必要なエネルギーを供給すると提唱しました。彼らの仮説は、当初、シンプソンがウッズホール海洋研究所に在籍していたときに行った航空観測に基づいていました。^{[ 10 ]}このメカニズムでは、周囲の空気を巻き込まない希釈されていない積乱雲の存在が必要であり、これにより海洋表面から上部対流圏への効率的な熱伝達が可能になります。^{[ 12 ]}ハドレー循環を維持するためには、このような雲が1,500～2,500個存在することが必要でした。^{[ 4 ]}研究者らはまた、ホットタワーが熱帯低気圧の中心に存在する暖かさを維持するのに役立ち、熱帯低気圧内の湿った空気の上昇はホットタワーの周囲に集中していると主張した。^{[ 13 ]}ホットタワーの役割を概説した1958年の彼らの最初の論文で、リーエルとシンプソンはこれらの雲を「狭い暖かい塔」と表現したが、1960年までにこの考えを「ホットタワー仮説」と呼び始めた。 ^{[ 12 ] [ 10 ]}その後20年間、ホットタワーは積雲とより大規模な熱帯環境との相互作用に関する科学的議論を支配した。^{[ 11 ]} 

1958年のハリケーン・デイジーの航空観測では、熱帯低気圧内の対流は積乱雲のごく一部に限られていることが示唆され、上昇気流が低気圧のエンベロープ全体に分布しているという考えが否定され、ホットタワー仮説が支持されました。 ^{[ 12 ]}ハリケーン・デイジーの場合、対流する積乱雲は、ハリケーンに関連する降水域全体の約4パーセントを占めるに過ぎませんでした。1961年にRiehlとSimpsonがハリケーン・デイジーのNHRPデータを用いて行った分析では、ホットタワーが熱帯低気圧が暖かい空気を対流圏上層に移動させる主要なメカニズムであると結論付けられました。熱帯低気圧におけるホットタワーの新たな重要性が、初期の気象モデルにおけるパラメーター化（個々の積雲など、小規模な現象や相互作用の表現）の開発を促しました。^{[ 14 ]}ホットタワー仮説は、第2種対流不安定性（CISK）の開発にも影響を与えた。これは、個々の積雲から放出される潜熱と熱帯低気圧に伴う収束との間のフィードバックを強調した概念モデルである。 ^{[ 15 ]} 1970年代までに、ホットタワー仮説によって提唱された多くのアイデアと予測は、経験的観測によって検証された。^{[ 9 ]}ホットタワー仮説の批判者は、積乱雲が巻き込みを受けないというのはあり得ないと主張した。^{[ 10 ]}この仮説の側面は、1998年の対流と水分実験の一環としてホットタワーにドロップゾンデが放出され、ホットタワーの熱力学的構造の最初の直接測定が行われるまで検証されなかった。データは、ホットタワー内の等価ポテンシャル温度が垂直方向全体にわたってほぼ一定であることを示し、巻き込みがないことを確認した。^{[ 9 ]}他の野外観測では、一部の熱帯上昇気流は高度5km （3.1マイル）未満では周囲の環境によって希釈されることが示唆されているが、雲内の氷によって生成される強い潜熱はハドレー循環に必要な入力エネルギーを供給するのに十分であった。^{[ 16 ]}ホットタワーの科学的研究は2000年代に復活し、熱帯低気圧発生におけるその役割に改めて注目が集まった。  熱帯低気圧の発達。^{[ 6 ]}

渦状ホットタワーは、多数の小規模な正のポテンシャル渦度異常を生成することで熱帯低気圧の形成を助け、それらが最終的に合体してより広範囲の嵐を強化します。^{[ 17 ]}ホットタワーに存在する高い渦度は、それらの雲から放出された潜熱を閉じ込め、ホットタワーの合体によってこの強化された熱が集約されます。^{[ 18 ]}これらのプロセスは、熱帯低気圧の暖気核（そのようなシステムの中心にある異常な熱）の初期形成と、発達中の低気圧を取り囲む風の角運動量の増加の主要な部分です。 ^{[ 17 ]}

2007年、アメリカ航空宇宙局（NASA）は、サイクロンの中心と眼壁の間の風のシアが、サイクロンの中心を通る上昇気流を強め、対流を発生させる可能性があると仮説を立てた。 ^{[ 19 ]}サイクロンが急速に勢力を増そうとしているときに、ホットタワーが現れることがある。1998年8月、ハリケーン・ボニーがノースカロライナ州に上陸する前に勢力を増した際、特に高いホットタワーがハリケーンの上空に現れた。^{[ 20 ]}

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