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The Effect of Vertical Wind Shear
on Radiative-Convective Equilibrium States
Francoise R.Robe and Kerry A.Emanuel
Journal of the Atmospheric Sciences
内藤大輔
Daisuke Naito
提供:しゅ
Radiative-Convective Equilibrium State
Introduction 1
Simulation of radiative-convective equilibrium states
Islam 1993
Robe and Emanuel 1996
Vallis et al 1997
No background flow
Background flow
…But they did not explore sensitivity to background shear.
The effect of imposed shear
Introduction 2
Study of squall line ( earlier work )
Cold pool
Low level
shear
Two-dimensional : ex. Fovell and Ogura 1988 ,1989
Three-dimensional : ex. Rotunno 1988
Not integrate long enough to become independent
of their initial condition
Object of this paper is
To examine the effect of vertical shear
on radiative-convective equilibrium states
The effect of imposed shear
on the structure and intensity of the convection,
on the thermodynamic characteristics of the enviroment
Model
ARPS ver.3.1
2km
Domain：Horizontal 180 × 180 km
Vertical
19km
Resolution：Horizontal 2km
Vertical
500m
180km
Microphysics：Warm rain
Surface : Sea( temperature : 300K )
Surface flux : Bulk aerodynamics formulas
180km
Boundary condition : Doubly periodic domain
Subgrid-scale : First-order Smagorinsky scheme
We modified the model to conserve water precisely
by “borrowing” water substance from adjacent grid points
in rectifying negative specific humidities
Experimental design
Initial condition : the vertical profiles of temperature and
specific humidity from the sounding of Jordan(1958)
Radiative cooling : 5.4K/day from the surface up to 13km
Spatially random temperature perturbations : -0.2K～+0.2K
To save time, the model is first run on a 60 × 60km domain for 138h.
And then the domain is unfolded to 180 × 180km.
At 138h
180km
60km
60km
unfold
180km
Shear
Restore the horizontally averaged flow at each level every time step
 No interaction between convection and large-scale flow
The shear is characterized by
S：intensity of the shear (s-1)
H：thickness of the shear (m)
To the product
△U(m/s) = S×H
Control
ーーー＞ I0
Give the shear
ーーー＞ I3,I4,I5･･･
（The number indicates intensity of the shear.
Unit : 10-3 s-1）
The depth of the shear layer is held fixed at 2km.
Definition of the orientation angle ： at the place and time where
the updrafts at 250m reach their maximum magnitude.
Definition of the propagation speed ： in the direction orthogonal to
the band when and where it is most intense.
Low shear :
Intensity of the shear and orientation : no rule
Orientation and strength of the cold pool : cold pool is strong
 the band develops at the greatest angle from the shear
Large shear :
Rotate further away from orthogonal to the shear
5T1 -- intensity 5×10-3 s-1
thickness 1km
5T3 -- intensity 5×10-3 s-1
thickness 2.5km
Table1
ΔU is held fixed
10DU1ΔU is 10
Intensity(S) is 5×10-3 s-1
thickness(H) is 2.5km
10DU2ΔU is 10
Intensity(S) is 5×10-3 s-1
thickness(H) is 2km
Barnes and Sieckman ( 1984 )
Squall line
Wind profile
“Fast” squall line hodograph
Barnes and Sieckman(1984)
15.75km
9.75km
5.75km
1.75km 0.25km
Shear :
Strong
nearly unidirecitonal, low-level jets
Extend a deep layer
Shear parallel
Shear
perpendicular
3.75km
9.75km
5.75km
1.75km
3.75km
Extend previous study
Thickness of Layer 1 and Layer 2
is 2km.(flexed)
55A90 
the shear of Layer １ : 5×10-3 s-1
the shear of Layer ２ : 5×10-3 s-1
the angle between two shear vector : 90°
The shear increases  the boundary layer depth increases
humidity at the surface decreases
Equilibrium thermodynamic state
Small
Large
Large
Small
Small
Large
CAPE = ε（hb - hm）
Emanuel 1996
ε：thermodynamic efficiency
hb：moist static energies of the boundary layer
hm：moist static energies of the source region for downdraft air
Summary ( shear part.1 )
・下層のシアーはシアーに垂直なラインに組織化するために
重要である。
・シアーに垂直なラインに組織化するために適した
シアー層の厚さは、cold poolの厚さと同じである。
・シアーに直交するラインの形成に最適なシアーの強さは
cold poolの発達度合いと依存関係がある。
・シアーに直交するラインの形成に最適なシアーを超えると、
その超えた値の分に相当する角度を持つ。
Summary ( shear part.2 )
・２つのシアーの角度が90度以上の場合はよく組織化する。
・中層のシアーに沿うように組織化される傾向がある。
Summary( equilibrium thermodynamic state )
・下層のシアーが大きくなるにつれて下層の相対湿度が減少し、
下層のシアーが大きくなりすぎると下層の相対湿度は増加する。
Future work
Problems
この実験では、スコールラインが
領域内に与えられた時間内で
ひとつしか形成されなかった。
もっと領域を大きくして
計算させなければならない。
氷の過程を含んでいない。
アンビルの影響が考えられるので
加える必要がある。
おまけ
＜－Hodograph of
Hurricane Josephin
(Powell 1990)
Hodograph of Ishigaki Island
(2003.6.6.12UTC) －＞
6.75h
7.75h
8.75h
9.75h
10.75h
11.75h
Simulated outer band
Observed outer band
Hurricane outer rainbands
ハリケーンのouter bandはeye wallほど強くないが、
はっきりとセル状に見える場合がある。
またouter bandは下層のシアーに垂直になる傾向がある。
ーー＞スコールラインと似てるんじゃないか？
Suggestion(impressive!)
Outer bandはハリケーンという特別な動的な環境にある
ただのsquall lineじゃないか？？
つまりシアーによってlineが形成されるのは同じじゃないか？
Momentum flux
F ＝ M ( Uc – U )
M : Updraft mass flux
Uc: Horizontal velocity
within updraft
U : The domain-averaged
horizontal velocity
M dUc/dz = -λρ( Uc – U )| Uc – U |

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