ハリケーンの降雨帯と強度変化の実験

ハリケーン降雨帯および強度変化実験( RAINEX ) は、降雨帯と熱帯低気圧の眼壁との相互作用を測定することにより、ハリケーンの強度予測を向上させるプロジェクトです。この実験は、2005 年大西洋ハリケーン シーズンに計画されました。RAINEX が 2005 年大西洋ハリケーン シーズンと一致したことで、悪名高いハリケーンカトリーナ、オフィーリア、リタの研究と調査が行われました。ハリケーン カトリーナとハリケーン リタ^{[1]は米国の}メキシコ湾岸に大きな被害をもたらしましたが、ハリケーン オフィーリアはカテゴリ 1 を超えることはなく、これらの強力なサイクロンとは対照的な興味深い例となりました。

RAINEX プロジェクトは、マイアミ大学ローゼンスティール海洋・大気・地球科学学部(RSMAS)、ワシントン大学大気科学部、米国海洋大気庁(NOAA)、および米国海軍海軍研究局の共同プロジェクトでした。研究の目的は、ハリケーンの眼壁の入れ替わりサイクルが発生するメカニズムを研究することでした。研究にとって幸運なことに、そのような眼壁の入れ替わりの事例の 1 つが、ハリケーンリタの研究中に発生しました。熱帯低気圧では、眼壁で発生する嵐の最大風速が、その全体的な強さを示す主要な指標であり、全体的な強度を予測する上で重要です。この眼壁のすぐ外側には、内側の降雨帯 (最終的には外側の眼壁) と (内側の) 眼壁を分ける堀があります。眼壁の入れ替わり前と入れ替わり中のこの地域のダイナミクスをよりよく理解することで、強度の予測精度が向上する可能性があります。

RAINEX の主な目的は、熱帯低気圧の目、目壁、降雨帯の相互作用によって影響を受ける嵐の強さの変動を研究することでこのタスクを達成することでした。これまで、熱帯低気圧の強さの予測は、主に海面温度と上層大気の力学に基づいていました。これらの要素は、熱帯低気圧の最大の可能性を予測するのに役立ちます。ただし、嵐の強さは毎日大きく変動するため、通常、サイクロンの最大可能強度には達しません。

ほとんどのハリケーンは、明確な眼壁と眼の外側に螺旋状の雨帯を形成します。これらの螺旋状の雨帯は、低高度の降水雲に絡み合った深い対流核を持つ複雑な構造であることが知られています。^[2]

熱帯低気圧の目または中心は、低気圧によって特徴付けられ、暖かい空気が上向きに渦を巻き、大気中に上昇します。熱帯低気圧は通常、嵐の最大持続風速が 74 mph に達し、それを超えると、はっきりとした目を形成します。よく形成された目は、移動する粒子と渦の中心の距離が縮まると回転速度が増加するため、全体的な強度の優れた指標となります。熱帯低気圧に関連する 角運動量により、この現象を説明できます。

質量mの粒子の原点rに対する角運動量は次のように表される。

${\displaystyle L=mvr\sin \theta }$

r (移動する粒子と渦の中心の間の距離) が減少すると、この粒子の質量m は同じままで、角運動量Lは保存されます。したがって、粒子の回転速度は増加する必要があります。熱帯低気圧では、目が収縮すると風速が増加します。この激化の別の例は、フィギュアスケートで見ることができます。回転するフィギュアスケーターが回転しながら腕を胸に引き寄せると、スケーターの手の間の距離と角運動量は保存されますが、回転速度vが増加します。

3機のP-3オリオン機が、ハリケーン・カトリーナ、ハリケーン・リタ、ハリケーン・オフィーリアへの13回の飛行に投入されました。WP -3D機のうち2機はNOAAが所有・運用し、N42とN43と名付けられました。P-3 N42には、デュアルビーム・ドップラー気象レーダーとして機能する前後固定平板アンテナが装備されていました。P-3 N43には、走査方向を交互に変えることで（これも前後）、デュアル・ドップラー・レーダーとして動作できる1つのシングルパラボラアンテナが装備されていました。これらのNOAA機は、1.5kmの水平解像度を達成できました。3機目のP-3 NRLにはELDORA（エレクトラ・ドップラー・レーダー）が装備されており、熱帯低気圧の画像化に使用された最初のELDORAでした。レーダーに加えて、各航空機には 5 ～ 10 分ごとに (飛行経路で約 30 ～ 65 km) 展開される大量のドロップゾンデが装備されていました。ハリケーン カトリーナの際には 302 台のドロップゾンデが、オフィーリアの際には 462 台、リタの際には 503 台が展開されました。ドロップゾンデの仕様の詳細については、Hock と Franklin 1999 を参照してください。航空機は、飛行中にこれらの機器で収集されたすべての情報を RSMAS の RAINEX 運用センター (ROC) に送信し、地上チームが飛行乗務員が飛行中および飛行後に熱帯低気圧の発達を予測できるようにしました。

この実験では、渦の内部構造の高解像度の数値モデルを作成し、デュアルビームのエレクトラ・ドップラー気象レーダーと集中的なドロップゾンデを備えた3機のP3オリオン航空機でデータを収集しました。これらの航空機は、フロリダ州タンパのマクディール空軍基地にある米国海洋大気庁（NOAA）航空機運用センター（AOC）に拠点を置いていました。 ^{[3]すべての飛行は、}マイアミ大学ローゼンスティール海洋大気地球科学学校（RSMAS）のRAINEX運用センター（ROC）から制御されました。事後解析には、飛行中にRSMAS大気波浪海洋モデリングシステムで収集されたデータの高解像度モデルシミュレーションが含まれます。

現場でデータが収集されると、衛星通信によって航空機からの情報が RSMAS の RAINEX オペレーション センターに中継されました。飛行に適した日を決定するために、主任研究者、予報官、パイロット、施設エンジニアリング スタッフがフロリダ州マイアミの RSMAS センターを起点として毎日電話会議を開催しました。提案された飛行時間全体にわたる熱帯低気圧の進化の予測に基づいて、主任研究者はその日の飛行計画を立てます。飛行パターンは通常、特別なケースも考慮して 2 つのプランのいずれかに従います。プラン A は通常、アイウォールの交換がない時間帯に航空機が到着する予定である場合に選択されます。プラン B は、飛行中にアイウォールの交換が発生すると予想される場合に採用されました。たとえば、ハリケーン リタへの飛行中に 2 つ目のアイウォールが形成されていたため、プラン B が実行されました。

RAINEX は 2005 年大西洋ハリケーン シーズンに先立って計画されていたため、ハリケーン カトリーナやその他の嵐の現場に飛び込みました。ハリケーン カトリーナは、このシーズンの後の嵐 (ハリケーン リタ) と非常によく似た進路をたどりましたが、カトリーナはメキシコ湾にいる間に眼壁の置換は起こりませんでした。ハリケーン カトリーナへの RAINEX 飛行は、2005 年 8 月 25、26、27、28、29 日に行われました。これらの飛行は、熱帯低気圧からカテゴリー 5 のハリケーンに発達する嵐を追跡しました。

ハリケーン・オフィーリアは、その存続期間の長さと、その存在期間中の強さの大きな変動のため、記録する上で興味深い嵐でした。^[4] RAINEXは2005年9月6日、9日、11日にハリケーン・オフィーリアへの飛行を行いました。

メキシコ湾のハリケーン・リタは、壊滅的なハリケーン・カトリーナに続いて発生しました。ハリケーン・リタはメキシコ湾で眼壁の入れ替わりを経験し、サファ・シンプソン・ハリケーン風力スケールのカテゴリー5から上陸時にはカテゴリー3にまで上昇しました。^[5] RAINEXは2005年9月20日、21日、22日、23日にハリケーン・リタに向けて飛行しました。これらの飛行では、ハリケーン・リタがカテゴリー1のハリケーンからカテゴリー5へと急速に発達し、最終的に眼壁の入れ替わりサイクルを経て弱まる様子を観察しました。

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