対流システムにおける雨滴の蒸発冷却の効果について

Abstract

メソスケールの対流システムにおける雨滴の蒸発冷却効果を、事例解析及ぴ簡略化した数値モデルにより調べた。1993年5月5日に中国北西部の乾燥地で発達したスコールラインでは、降水がほぼゼロであった反面、その通過に伴い地上での水蒸気量が急に上昇し、気温は急に下降した。この事例より、地上観測で見られた急激な気温の下降に果たす蒸発冷却の効果を、熱力学の式から見積もった。その計算より、実際の温度下降に対する蒸発による寄与は約70%と見積もられた。次に、雨水が蒸発しながら落下するプロセスを、非常に簡略化した鉛直1次元の数値モデルにより計算した。計算は中国乾燥地を想定して行い、深くて乾燥した対流混合層内を雨滴が落下していくことになる。その結果、強い雨の場合でも大気が極端に乾燥しているために、計算時間の初期においては地上に雨が到達せず、大気中で活発に雨が蒸発する。それにより空気は冷やされ重くなり、地上気圧は徐々に増加する。また、弱い雨の場合には、地上まで雨が到達するには数時間を要し、計算の初期だけを見れば蒸発冷却の効果は小さい。以上のことから、1993年5月5日のスコールラインにおいては、雲底下では激しい雨が短時間生じていたと考えられるが、大気が極端に乾燥していたためにそのほとんどが蒸発して消失し、それによって地上に冷気塊が形成された、といえる。

The effect of the evaporation of raindrops in the lowest atmosphere of the mesoscale convective system was investigated through a case study and using a simplified numerical model. The squall line that developed over the arid area of the northwestern China on 5 May 1993 gave almost no rainfal over the ground surface, while the amount of water vapor increased and temperature decreased rapidly. The effect of the evaporative cooling on the rapid temperature drop was estimated by using thermodynamic energy equation, which showed that about 70 % of the actual temperature drop was accounted by the evaporation of rain. The evaporation of rainfall was also investigated by using a simplified vertically-one dimensional numerical model. The calculation was conducted under the condition of the arid area of China that raindrops fall through the deep and dry mixed layer. Even in the case of heavy rain, the rainwater were evaporated and depleted before reaching the ground surface at the early times of integration due to the extremely dry condition of the atmosphere. The air was cooled by the evaporation, leading to the surface pressure rise. In the case of light rain, it took several hours for the raindrops to reach the ground level.It is concluded that in the case of the 5 May 1993 squall line heavy rain is expected to occur in a short period under the cloud base, however, almost all the rain were evaporated and depleted due to the dry environment and the cold pool was produced over the surface.