平成 22 年度地球環境科学専攻大気水圏科学系修士論文発表会

はじめに

雲内の 0℃ 高度上方

様々な大きさと形状をした氷晶（単結晶、多結晶）が存在。

形状・大きさ・数濃度・粒径分布

雲内での降水の形成・発達過程を知る上で重要である。

鉛直方向の形状・大きさ・数濃度・粒径分布を得るためには雲内の鉛直方向の直接観測が必要である。

Lawson et al.(2006)より

はじめに雲内の氷晶の直接観測方法

飛行機観測 … 100μm 以下の氷晶の大きさや形状を捉えきれない。ビデオゾンデ観測 …氷晶を搭載した小型カメラで撮影。雲内の様子を観測中常に映像で確認できる。

Murakami and Matsuo (1990) より

山口大学 HP(http://web.cc.yamaguchi-u.ac.jp/~kenjis/res.html) より

● Takahashi(1990) のビデオゾンデ霰、雹、雪片の観測に適している。 500μm 以下の氷晶は観測不可能。

● 雲粒子ゾンデ (HYVIS ； Murakami and Matsuo,1990) 7μm ～ 2cm までの氷晶とその形状とあわせて観測可能。氷晶(500μm 未満 ) 観測が可能。

Takahashi(1990) のビデオゾンデ

雲粒子ゾンデ(HYVIS)

氷晶の大きさ

はじめに過去の HYVIS観測

500μm 未満の小さな氷晶の形成過程は降水形成に必要不可欠。

Murakami and Matsuo(1990) ：梅雨前線に伴う層状性降水雲の観測

Murakami et al.(1992) ：温暖前線に伴った昇滑雲の観測

大きさ

Orikasa and Murakami(1997) ：巻層雲の観測

● 500μm より小さな氷晶に着目した観測はあまりない。

● 梅雨期のメソ対流系に対する観測事例は今までにない。

本研究の目的

HYVIS を用いて観測したメソ対流系層状性降水域の、 500μm 未満の氷晶における、

● 形状● 混合比● 数濃度● 粒径分布

の鉛直分布を明らかにする。

雲粒子ゾンデ(HYVIS)

顕微鏡カメラ画面1.4mm

0.9

mm

5.5mm

3.7

mm

接写カメラ画面

● 顕微鏡カメラと接写カメラを搭載。7μm から 3.7mm の氷晶をフィルム上に受けて両カメラで撮影。

● 映像はマイクロ波で送信し地上で受信。

● 映像は 1 秒間に最大 30 フレームの画像データに分割可能。

顕微鏡カメ

ラ接写カメ

ラ

氷晶

氷晶の形状と数

HYVIS の飛揚形態

● HYVIS 本体約 50cm 上方に高層気象観測用測器（ GPS ゾンデ）を取り付けて放球。

● GPS ゾンデ・・・位置、高度、気圧、気温、相対湿度を測定。

氷晶の画像データの解析方法

解析中の様子

● 1 秒間に 10 フレームごと（鉛直方向約 0.5m ）の画像データを出力。

● 形状によってタイプごとに分ける。タイプごとの数をカウント。

● 10μm 区切りで最大径を求める。 200μm 以上はノギスで測定。

● 合計 8388 個の氷晶をカウント。

200μm まで、 10μm ごとに最大径が測定可能なメジャー

氷晶のタイプ分け

● 針状の氷晶。

● 長軸 対 短軸の比が 7 ： 1 以上。

画像データの目視により、その形状から 6 つのタイプに分類。

1. Needle

● 角柱状の氷晶。

● 長軸 対 短軸の比が 7 ： 1 未満。

2. Column

1.Needle 2.Column 3.Plate 4.Column and Plate 5.Aggregate 6.Undefined

氷晶のタイプ分け

● 板状である氷晶。

● 板状で六角形のような形状をもつ。

3. Plate

1.Needle 2.Column 3.Plate 4.Column and Plate 5.Aggregate 6.Undefined

画像データの目視により、その形状から 6 つのタイプに分類。

氷晶のタイプ分け

● Column と Plate の両タイプの氷晶が確認できるもの。

4. Column and Plate

1.Needle 2.Column 3.Plate 4.Column and Plate 5.Aggregate 6.Undefined

画像データの目視により、その形状から 6 つのタイプに分類。

氷晶のタイプ分け

● 最大径が 100μm 以上である。

● Needle 、 Column 、 Plate 、 Column and Plate のどれかの氷晶が複数確認できるもの。

5. Aggregate

1.Needle 2.Column 3.Plate 4.Column and Plate 5.Aggregate 6.Undefined

画像データの目視により、その形状から 6 つのタイプに分類。

氷晶のタイプ分け

● 形状がNeedle 、 Column 、 Plate 、Column and Plate 、 Aggregate に当てはまらない。

● 形状が目視で判断できない。

6. Undefined

1.Needle 2.Column 3.Plate 4.Column and Plate 5.Aggregate 6.Undefined

画像データの目視により、その形状から 6 つのタイプに分類。

HYVIS 観測

× ：情報通信研究機構 (NICT) 沖縄亜熱帯計測センター

○ ： COBRA （観測範囲 120km ）

● 期間： 2008 年 5 月 29 日～6 月 21 日

● 2008 年 6 月 12 日に放球したHYVIS の観測データを使用。

● 放球地点：情報通信研究機構（ NICT ）沖縄亜熱帯計測技術センター ( 沖縄県恩納村）。

● NICT 所有の C バンド偏波レーダー（ COBRA ）と同時観測。

2008 年 6 月 12 日15JST

気象庁地上天気図

赤外雲画像と気象庁レーダーで観測されたメソ対流系

× ：放球地点

● 梅雨前線に沿ってメソ対流系が発生。

赤外雲画像と気象庁レーダー

2008 年 6 月 12 日15JST

気象庁レーダーと COBRA で観測されたメソ対流系

1459JST

AZ = 117°

気象庁レーダー 2008 年 6 月 12 日15JST

COBRA RHI 観測 Zhh[dBZ]1459JST

HYVIS

× ：放球地点

★

● HYVIS はメソ対流系の層状性降水域を飛揚していた。

氷晶の形状の鉛直分布

過冷却水滴、ライミングした氷晶は観測されなかった。

氷晶のタイプ別数濃度の鉛直分布

～～～～

～～ ～～～～ ～～

● ほとんどが Plate

● 氷過飽和度は最大でも 0.1 g m-3 と低い。

⇒ Baily and Hallett(2009) より、本研究の氷過飽和度では Plate が出来やすい。

氷晶のタイプ別混合比の鉛直分布

平均値

・ Needle ： 0.001 g kg-1

・ Column ： 0.003 g kg-1

・ Plate ： 0.05 g kg-1

・ Column and Plate ： 0.03 g kg-1

Column and Plate は質量が大きいため混合比は大きくなっていた。

形状…各々の氷晶の質量が分かり ( 例えば、 Rasmussen et al., 1999) 、その数から混合比が求まる。

氷晶の粒径分布における鉛直分布Marshall-Palmar 分布（ Marshall and Palmar, 1948 ）によるフィッティング

)exp()( 0 DNDN Λ

N(D) ：粒径分布

D ：粒径

N0 ： y 軸切片

Λ ：分布曲線の傾き氷晶数 372個

氷晶の粒径分布における鉛直分布Marshall-Palmar 分布（ Marshall and Palmar, 1948 ）によるフィッティング

)exp()( 0 DNDN ΛN(D) ：粒径分布

D ：粒径

N0 ： y 軸切片

Λ ：分布曲線の傾きN0

Λ

N0 、 Λ の鉛直プロファイルより、氷晶の成長要因を考えることができる（例えば Lo and Passarelli,1982 ）。

N(D

)

D

N(D

)

D

D

N(D

)

D

N(D

)

● N0 と Λ の減少・・・凝集。

● N0 のみの増加、または N0 の増加と Λ の減少・・・昇華凝結。

● N0 のみの減少、または N0 の減少と Λ の増加･･･昇華蒸発

氷晶の粒径分布における鉛直分布

)exp()( 0 DNDN Λ

● 高度 12-10ｋｍで N0 と Λ の減少・・・凝集による氷晶の成長。

N0 Λ μm-1

Marshall-Palmar 分布（ Marshall and Palmar, 1948 ）によるフィッティング N0 ： y 軸切片

Λ ：分布曲線の傾き

D

N(D

)N

(D)

D

氷晶の粒径分布における鉛直分布

)exp()( 0 DNDN Λ

● 高度 10-8ｋｍで N0 のみの増加・・・昇華凝結による氷晶の成長。

N0 Λ μm-1

Marshall-Palmar 分布（ Marshall and Palmar, 1948 ）によるフィッティング N0 ： y 軸切片

Λ ：分布曲線の傾き

D

N(D

)

D

N(D

)

氷晶の粒径分布における鉛直分布

)exp()( 0 DNDN Λ

● 高度 8-7ｋｍで N0 のみの減少・・・氷晶の昇華蒸発 。

N0 Λ μm-1

Marshall-Palmar 分布（ Marshall and Palmar, 1948 ）によるフィッティング N0 ： y 軸切片

Λ ：分布曲線の傾き

D

N(D

)

D

N(D

)

氷晶の粒径分布における鉛直分布

)exp()( 0 DNDN Λ

● 高度 7-6ｋｍで N0 のみの増加・・・氷晶の昇華凝結による成長 。

N0 Λ μm-1

Marshall-Palmar 分布（ Marshall and Palmar, 1948 ）によるフィッティング N0 ： y 軸切片

Λ ：分布曲線の傾き

D

N(D

)

D

N(D

)

氷晶の粒径分布における鉛直分布

)exp()( 0 DNDN Λ

● 高度 6ｋｍ以下では N0 と Λ の減少・・・氷晶の凝集による成長 。

N0 Λ μm-1

Marshall-Palmar 分布（ Marshall and Palmar, 1948 ）によるフィッティング N0 ： y 軸切片

Λ ：分布曲線の傾き

D

N(D

)N

(D)

D

100μm で区切る場合の氷晶のタイプ別鉛直数濃度分布

～～ ～～～～～～ ～～

～～～～～～

～～ ～～～～ ～～

100μm 未満の氷晶 100μm 以上氷晶

● 数濃度のオーダー

100μm 未満： 10万個 m-3

100μm 以上： 1万個 m-3

先行研究と同じ ( 例えば、　 Orikasa and Murakami, 1997)

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～～～～～～

～～ ～～～～ ～～

100μm で区切る場合の氷晶のタイプ別鉛直数濃度分布

● 高度 12-10km ：氷晶の凝集による成長

　・～ 20μm の Undefined の数濃度が大きい。

これらが氷過飽和度がある領域で Plate に成長。氷晶間の距離がないため、一つの氷晶として成長したと考えられる。

100μm 未満の氷晶 100μm 以上氷晶

～～ ～～～～～～ ～～

～～～～～～

～～ ～～～～ ～～

100μm で区切る場合の氷晶のタイプ別鉛直数濃度分布

● 高度 6km 以下：氷晶の凝集による成長

　・ Aggregate が観測されている。

100μm 未満の氷晶 100μm 以上氷晶

～～ ～～～～～～ ～～

～～～～～～

～～ ～～～～ ～～

100μm で区切る場合の氷晶のタイプ別鉛直数濃度分布

● 高度 10-8km と 7-6ｋｍ：氷晶の昇華凝結による成長

　・高度 10-8km ：氷過飽和度ほぼ 0 。

　・高度 7-6km ： Plate の形成。

100μm 未満の氷晶 100μm 以上氷晶

～～ ～～～～～～ ～～

～～～～～～

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100μm で区切る場合の氷晶のタイプ別鉛直数濃度分布

● 高度 8-7km ：氷晶の昇華蒸発。

100μm 未満の氷晶 100μm 以上氷晶

● Plate 、 Column and Plate の混合比の減少。

まとめ● 梅雨期に発生したメソ対流系層状性降水域の氷晶を HYVIS で観測した。

● 500μm 未満の氷晶に対して、鉛直方向の形状、数濃度、混合比、粒径分布を示した。

　○ 過冷却水滴、ライミングした氷晶は観測されなかった。

　　○全層を通して Plate が多いのは、氷過飽和度が多くても 0.1g m-3

と低いためであった。

　　○粒径分布の鉛直分布から得られた y 切片 N0 、傾き Λ の鉛直プロファイルから氷晶は、

・ 高度 12-10km 　：小さな複数の Undefined による凝集。・ 高度 10-8km 　：昇華凝結。・ 高度 8-7km 　：昇華蒸発。・ 高度 7-6km 　：昇華凝結。・ 高度 6km 以下　：凝集。

赤外雲画像

COBRA 、 ZDR の RHI 観測

HYVIS 放球リスト

放球日時 (JST) 到達高度 [m]平均上昇速度 [m

/s]放球域のエコー

タイプ2008 年 5 月 30 日 23時

24 分7669(※ 上下

動 ) 2.0線状対流システ

ムの対流域2008 年 6 月 6 日 12時

41 分5082(※ 上下

動 ) 3.6対流近くの層状

域2008年 6月 12日 14時

26分 15936 5.5対流近くの層状

域

初め 2 機は、バルーンの浮力が不十分で上昇途中で上下動を繰り返したので、観測データとして使わなかった。

HYVIS 観測時のメソ対流系における環境場2008 年 6 月 12 日15JST

● 梅雨前線は沖縄本島付近の北側にあった。

● 600hPa 高度以下は未飽和。それより上方では飽和状態。

● 700hPa 高度以下は対流不安定で、なおかつ自由対流高度 (LFC) が存在して対流有効位置エネルギー (CAPE) が正の値であるので、条件付き不安定であったが、それより上方では、中立な環境場。

▲ 気象庁地上天気図

▲ 気温 (黒線 ) 、露点 (青線 )の鉛直プロファイル。

▲ 温位 (太実線 ) 、相当温位 (実線 ) 、飽和相当温位 ( 点線 ) の鉛直プロファイル。

CAPE = 4.7 J/Kg

LFC = 870.0 hPa

共同観測

● 名古屋大学はＨＹＶＩＳ受信機を持たないため京都大学防災研究所中北英一教授の科研費にもとづく観測（京大・山口大・山梨大・ＮＩＣ T ・つくば大・電中研・名大などの参加）と共同観測を実施

● 期間： 2008 年 5 月 29 日～ 6月 21 日

● 放球地点：情報通信研究機構（ NICT ）沖縄亜熱帯計測技術センター ( 沖縄県恩納村、東経 127 度50 分 48 秒・北緯 26 度 29 分 40秒 )

● NICT 所有の C バンド偏波レーダー（ COBRA ）と同時観測。

▲ HYVIS 放球地点（ NICT ）と C バンド偏波レーダー COBRA の位置。

HYVIS のサンプリング体積 S ｖ

ETVAmS celzv )15(0218.08375.039.7][ 3

A ：画像ファイルから換算したカメラ画面の実面積 [m2]

Vz ： HYVIS の上昇速度 [m/s]

Tcel : 気温 [ C]◦

E : フィルムの露出時間 [s]( 映像でフィルムが完全に停止している時間 )

混合比

氷晶の粒径分布における鉛直分布 Marshall-Palmar 分布（ Marshall and Palmar, 1948 ）を仮定したとき

高度 [km] N0 Λ 決定係数

4.6 1000.0 0.0069 0.57

5.0 7999.0 0.010 0.67

6.0 10235 0.014 0.60

7.0 8000.0 0.014 0.67

8.0 13177 0.018 0.72

9.0 9500.0 0.017 0.73

10.0 6900.0 0.017 0.77

11.0 10035 0.023 0.75

12.0 16123 0.025 0.47

13.0 671.06 0.0078 0.37

14.0 440.34 0.0043 0.071

)exp()( 0 DNDN Λ