[Japanese]
修士論文要旨(纐纈 丈晴)

Xバンド偏波レーダー用降水粒子判別法の開発.

纐纈 丈晴

気象用偏波レーダーは降水量の正確な見積もり、雨滴粒径分布の推定、降水粒子 の種類判別(以下、粒子判別)など、従来の気象レーダーではできなかった用途に 用いることができる。このうち、粒子判別は強雨・落雷・突風・降雹等の激しい 気象現象のメカニズムを解明するために重要である。アメリカやヨーロッパでは、 激しい気象現象の監視・予測への利用を目的として偏波レーダーを用いて早くから 粒子判別の研究が行われてきており、主にS バンドやC バンドの偏波レーダーが 用いられてきた。近年日本でもX バンドの偏波レーダーの導入が始まっており、 名古屋大学にも2007 年秋にXバンド偏波レーダーが導入された。このような状況下で、 Xバンドの偏波レーダーを用いた粒子判別への期待が高まっている。本研究では 名古屋大学の偏波レーダーを用いてX バンド偏波レーダー用の粒子判別法の開発を試みた。

偏波レーダーによる観測では、レーダー反射強度(Zh)、レーダー反射因子差 (Zdr)、偏波間位相差変化率(Kdp)、 偏波間相関係数(rhv)の4 種類の パラメータの値の三次元的な分布が得られる。今回、雨・雪片・霰など、 計10 種類の降水粒子についてX バンド偏波レーダーを用いて粒子判別法の開発を 試みた。粒子判別法にはS バンド用に開発されたファジー理論を用いた判別法 (Liu and Chandrasekar, 2000)を基本スキームとして採用した。ファジー理論は 「あいまいさ」を表現する理論であり、可能性の大小をメンバーシップ関数を用いて 0 から1 までの連続的な値で表現する。メンバーシップ関数はパラメータごとに 各降水粒子について用意され、サンプリング体積ごとに1 つのパラメータにつき 全10 種類の降水粒子の存在確率をそれぞれメンバーシップ関数によって評価する。 そして、各降水粒子の存在確率をその降水粒子についての各パラメータの メンバーシップ関数の積として計算し、その値がもっとも大きなものを サンプリング体積における主たる降水粒子であると判別する。

偏波パラメータのうち、値が波長に依存するKd p についてはLiu and Chandrasekar (2000) のメンバーシップ関数をX バンドレーダー用に改変した。また、雨滴と乾雪 (雪片)など、偏波パラメータの値が似通っていて判別が難しい降水粒子を適切に 識別するため、従来の粒子判別法では偏波パラメータに加えて気温のメンバーシップ 関数が追加されている。雪片の融解温度は大気中の相対湿度によって変化するため、 今回、気温のメンバーシップ関数の形を相対湿度によって変形させた。気温と湿度は 地上観測(気象観測署)とゾンデのデータを使用し、鉛直分布を仮定して粒子判別を行った。

本研究では冬季の降雪時の偏波レーダーによる観測と、降水粒子の地上観測結果を 用いて粒子判別法の開発を行った。今回開発した粒子判別法では地上で降雪が観測 された地点の直上で雪片が判別され、適切に粒子判別ができることがわかった。 そこで、開発に用いたものとは別の降雪事例(名古屋市周辺)、霰が降った事例 (能登半島周辺)、及び夏季の雷雨の事例(名古屋市周辺)について粒子判別を試みた。

降雪事例の場合、地上付近でも雪片が判別され、判別結果は現実的なものであった。 霰の事例では反射強度が強い領域に対応して霰が判別された。夏の雷雨の事例では 下層に雨、0°C 高度付近に霰、その上方に乾雪(雪片)という、良く知られた 雷雲内の降水粒子の分布特性と整合的な判別結果が得られた。雷雲中で霰が判別 できたため、今度は霰と判別された領域の体積の時間変化と落雷頻度との関係を 調べたところ、霰領域の体積が急激に増加するタイミングで落雷が観測され始め、 雷雲中に霰がほとんど判別されなくなるまで続いた。この判別結果は雷という現象の 発生に対して整合的である。

今回開発した粒子判別法では現実的な判別結果が得られたため、粒子判別に利用可能 であるということができる。今後の課題としては現場観測に基づくメンバーシップ 関数の調整、固体降水粒子の存在しうる高度範囲のレーダー反射強度の減衰補正、 及び気流場の解析により雷雲の発達段階を考慮した粒子判別が挙げられる。
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[English]

Development of Hydrometeor Classification Method for X-band Polarimetric Radar

Takaharu KOUKETSU

A polarimetric radar can be used for several kinds of applications, such as improved rainfall estimation, retrieval of rain drop size distribution (DSD) parameters, and hydrometeor classification. Among these applications, hydrometeor classification is important to understand mechanisms of severe weather phenomena, such as heavy rain, lightning stroke, blast, and hailstorm. In North American and European countries, research of hydrometeor classification have been carried out since early period, using S- or C-band polarimetric radars. In the last decade, polarimetric radars have been introduced in Japan, and in November 2007, two X-band polarimetric radars were introduced at Nagoya University. Under such a circumstance, the expectation for hydrometeor classification with X-band polarimetric radars is becoming stronger and stronger. In this study, we tried to develop a hydrometeor classification method for X-band palarimetric radar.

With a polarimetric radar, we can get three-dimensional data of several kinds of polarimeric parameters; radar reflectivity (Zh), differential reflectivity (Zdr), specific differential phase (Kdp), and correlation coeficient between horizontal and vertical polarization signals (ρhv). In this study, we used X-band polarimetric radars and tried to classify hydrometeor into 10 categories, such as rain, snowflake, graupel, hail, and so on. We adopted hydrometeor cassification method, based on fuzzy logic, for S-band polarimetric radar (Liu and Chandrasekar, 2000) as basic scheme. With fuzzy logic, we can represent the probability of each hydrometeor type being present by continuous value from 0 to 1, using membership functions. We made membership functions for each polarimetric parameter and each hydrometeor type, and we evaluate probability of each of 10 hydrometeor types being present for each parameter with membership functions. Then, we evaluate probability of each hydrometeor being present as the product of membership functions for every parameter. Finally, we regard the hydrometeor type whose probability is the largest among all hydrometeor type as the dominant hydrometeor type.

In this study, we modified membership functions of Kdp and temperature. Because the value of Kdp depends on wavelength, we modified membership functions of Kd p shown in Liu and Chandrasekar(2000) to adapt to X-band polarimetric radars. Scince some pairs of hydrometeor types, such as rain and dry snow aggregate, have similar polarimetric properties, it is very difficult to classify using only polarimetric parameters. To resolve this problem, membership functions for temperature have also used for hydrometeor classification, usually. Because the temperature where snowflake melts is dependent on relative humidity, we modified membership functions for temperature to change their forms along with relative humidity. We used the vertical profile of temperature and relative humidity obtained from ground and balloon observations.

In this study, we used ground observational data and polarimetric radar data of snowfall event to develop hydrometeor classification method. With our classification method, snowflake was classified just above the point where snowflake was observed at ground. Therefore , we can say that our classification method worked successfully. In response, we tried hydrometeor classification for another snowfall event around Nagoya City, graupel falling event over Ishikawa Prefecture, and summer thunderstorm near Nagoya City.

In the snowfall event around Nagoya, snowflake was classified near the ground; the result is reasonable. In the graupel evant over Ishikawa Prefecture, graupel was classified approximately the same area where Zh value was high. In the thunderstorm near Nagoya, well-known hydrometeor distribution of thundercloud was classified; rain at low level, graupel around 0 °C height, and snowflake and ice crystal over graupel region. In response, we examined time evolution of volume and height range of graupel region. As a result, it began to observe lightning stroke when the volume of graupel region was maximum, and had continued until graupel region disappeared. This result is consistent with occurrence of lightning stroke.

As described above, we tried to classify hydrometeor types and got qualitatively reasonable result. The future works of this study are to modify the member ship functions based on the in-situ observation, to conduct attenuation correction of Zh and Zdr above snowflake melting level, and to classify hydrometeor types taking account for the life stage of thundercloud using three-demensional wind field.
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