[Japanese]
修士論文要旨(竹内裕人)

北陸地方で観測された偏波パラメータと 地上における固体降水粒子の特性との比較

竹内裕人

偏波レーダーを用いて雪や霰などの固体降水粒子の特性を理解するためには粒子の大き さ、形状の分布と偏波パラメータの関係を知る必要がある。本研究では、2008/2009 年冬季 に石川県金沢市の金沢大学に設置された地上降雪粒子観測システムで得られた粒子画像から 粒子の特性(種類、粒形、形状、数濃度) を求め、同県宝達志水町押水庁舎屋上に設置された 名古屋大学マルチパラメータレーダーで得られた偏波パラメータ(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(ρhv))、との比較を 行い、両者の関係を検討した。

粒子の分類は、粒子画像から算出される複雑度と雪片に観られる孔から雪と霰を判別した。 さらに、粒径の小さな雪粒子は複雑度や孔の判別が難しいため、粒径3 mmをしきい値とし てより小さな粒子を小粒子と分類した。この分類では、本研究における雪粒子は雪片に、小 粒子は氷晶に相当すると考えられる。粒子特性として種類(霰、雪、小粒子)、粒径、形状、 体積、そして1 分間の積算粒子数と積算体積を使用し、各降雪期間内において主に観測され た粒子の種類を示す卓越粒子の種類とその代表的な特性を設定した。地上観測点上に粒子が 落下する可能性がある領域を、上空の風向と風速、そして粒子の落下速度からPPI 最低仰角 (0.6 ) 観測範囲内で推定し、その領域内で平均した偏波パラメータの値と地上観測の結果を 比較した。

解析対象期間は2009 年1 月13 日1900 JST 〜 2100 JST、同15 日1300 JST 〜 1500 JST、 同2 月16 日2100 JST 〜 2130 JST であり、期間中に霰卓越期間が4 事例、雪卓越期間が4 事例設定された。霰卓越時は粒径が3 〜 6 mmの紡錘形と丸形粒子、雪卓越時は粒径が6 〜 15 mm の雪片が観測された。霰粒子卓越期間では、Zh が19.9 〜 31.2 dBZ、Zdr が-0.6 〜 -0.1 dB、Kdp が-0.3 〜 0.1 =km、ρhv が0.99 以上であった。一方、雪粒子卓越期間では、Zh が14.9 〜 27.2 dBZ、Zdr が-0.5 〜 -0.2 dB、Kdp が-0.2 〜 0.3 =km、ρhv が0.99 以上であっ た。霰粒子卓越期間中に、地上で観測される霰粒子の粒径が大きく(小さく) なるとZh の値 は大きく(小さく) なり、数濃度が大きく(小さく) なるとZh の値は大きく(小さく) なる。ま た粒径が大きな粒子が縦長(丸形) であるとZdr の値は小さくなる(0 dB に近づく) ことが示 唆された。これはZh の算出式とZdr の算出式に整合的な結果である。粒径は雪粒子の方が 最大で10 mm程度大きくなるが、Zh は霰卓越期間の方が大きな値を示した。上空で雪と霰 が混在していたと考えられる時刻には、雪卓越期間に比べてZdr は小さな値を示した。これ は雪に比べ縦長の形状が多い霰の影響によると考えられる。また小粒子が多く観測された期 間ではKdp が高い値を示した。Kdp は丸形でない粒子に感度があり、雪片より氷晶の存在を 示していると考えられることから、整合的な結果である。

また、霰卓越期間の2 事例に粒子判別法を適用した。このうち1 事例では霰が判別されな かった。粒子判別法に用いられるメンバーシップ関数においてZdr、Kdp、ρhv は霰の判別範 囲の値であることから、Zh の霰判別範囲の下限値をおよそ30 dBZ 程度に引き下げること で、霰が判別される精度が向上すると考えられる。
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[English]

Comparison of polarimetric parameters obtained by a radar with properties of solid precipitation particles observed by a ground-based imaging system in the Hokuriku district, Japan

Hiroto TAKEUCHI

To Understand the characteristics of the solid precipitation particles (i.e. snow and graupel) using polarimetric radars, it is necessary to clarify the relationship between proparties of particles and the polarimetric parameters (Zh, Zdr, Kdp, ρhv). In this study, we examine the relationship polarimetric parameters obtained by a radar at Oshimizu, Ishikawa Prefecture to properties of solid precipitation particles (categories, diameters, shapes and number concentrations) observed by a ground-based imaging system at Kanazawa University during the winter of 2008-2009.

Particle categories are classified using complexities and number of holes obtained from each particle-image. ”Undetectable particles” are also categorized, because small particles cannot be separated using these indices. Categories (snow or graupel) and typical characteristics of predominant particles are determined using shapes, diameters and volumes. The target area is prescribed by expecting that particles fall into the ground-based observation system from an observation hight of the lowest PPI elevation angle (0.6 ) with considering wind direction and speed in the lower troposphere and particles fall velocity. We compare with mean values of poalrimetric parameters in the area and properties of particles.

We analysed data for periods: at 1900 JST-2100 JST on 13 Jan 2009, at 1300 JST-1500 JST on 15 Jan 2009 and at 2100 JST-2130 JST on 16 Feb 2009. In these piriods, we determined four graupel cases (G1-G4) and four snow cases (S1-S4). Graupel particles have conical or round shapes whose diameter are 3-6 mm. Snow particles are snowflakes whose diameter are 6-15 mm. During the graupel periods (G1-G4), polarimetric parameters Zh, Zdr, Kdp and ρhv ranged 19.9 - 31.2 dBZ, -0.6 - -0.1 dB, -0.3 - 0.1 =km and greater than 0.99, respectively. During the snow periods (S1-S4), values of four parameters are 14.9 - 27.2 dBZ, -0.5 - -0.2 dB, -0.2 - 0.3 =km, more than 0.99, respectively. Although diameters of graupel are smaller than those of snow particles, Zh during the graupel periods is greater than that during the snow periods. This should depend on a relationship particles density and reflectivity of electric wave. Others parameters (Zdr, Kdp, ρhv)are similar between the graupel and snow periods. Large Zh is obtained when graupel particles whose diameter or number concentration are great by the ground-based observation system. When graupel and snow particles are coexistent in a target area, Zh has lower value because of the existence of longitudinal graupel particles during the snow period. High Kdp value during the snow period, corresponds to the many undetectable particles, since Kdp is sensitive to noncircular particles.

A hydrometeor classification is conducted into two graupel cases. The existence of graupel cannot be identified in one of the graupel case. Value of ohters parameters (Zdr, Kdp,ρhv) are ranged in the categories of graupel. A lower range of Zh in the membership function should be extended to less than 30 dBZ to detect the existance of graupel in this case. are ranged in the categories of graupel. A lower range of Zh in the membership function should be extended to less than 30 dBZ to detect the existance of graupel in this case.
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