[Japanese]
修士論文要旨(大脇 良夫)
PALAU2013 で観測された降水システム内の雲微物理学的構造
大脇 良夫
2013 年 6 月 15 日、西部熱帯太平洋に位置するパラオ共和国上を降水システムが東から西へ進行した。この降水システムは、進行方向前面に対流性降水域、その後方に層状性降水域が広がるスコールラインのような構造をもつ。また、この降水システムは 0℃高度付近から上層につれレーダ反射強度が急激に弱くなり、-10℃（高度約 7 km）でレーダ反射強度 40 dBZ 未満の降水セルをもち、背が高くまで発達していない降水システムであることが考えられる。本研究では、この降水システムにおける氷晶の形成・成長過程を経た降水の形成・発達過程を理解するために、降水システム内の 0℃高度より上層における過冷却水滴、形状で分類した氷晶（柱状粒子、板状粒子、鼓状粒子）、凍雨、雪片の 3 次元分布を解析し、降水システムの雲微物理学的構造を明らかにすることを目的とする。降水システム内の粒子の 3 次元分布の解析には、雲粒子ゾンデ（HYVIS）と名古屋大学 X バンド偏波レーダを用いた。本研究で対象とする降水システムの対流性降水域から層状性降水域にかけて 4 基の HYVIS を連続放球し、同時にレーダ観測を実施した。4 基の HYVIS のうち、対流性降水域に放球した 1 基目と層状性降水域に放球した 2 基目と 3 基目の HYVIS を使用した。
対流性降水域では、1 基目の HYVIS による粒子の鉛直分布解析から、柱状粒子が卓越していた温度層は-5.8~-17.1℃（高度 6.2~8.2 km）であり、板状粒子が卓越していた温度層は-12.1~-30.4℃（7.4~10.2 km）であった。また、小林ダイアグラム（Kobayashi, 1961）に示される通り、板状粒子が形成される温度領域は 0~-3℃であり、柱状粒子が形成される温度領域は-3~-10℃であり、板状粒子が形成される温度領域は-10~-22℃の温度領域である。このことから、柱状粒子と板状粒子が卓越していた温度層は、小林ダイアグラムに示される各氷晶粒子が形成される温度領域よりやや低い温度であった。しかし、対流性降水域で上昇気流があると考えると、実際に HYVIS で観測された柱状粒子と板状粒子は各氷晶粒子が形成された後で上層に移流したと考えることができる。したがって、対流性降水域で氷晶粒子が形成すると考えられる。対流性降水域において、雲粒付きの粒子は数個確認できたが、高密度な雲粒付きの粒子やあられは観測されなかった。これは対流性降水域ではライミングによる成長は活発ではなかったことを意味する。対流性降水域と層状性降水域の両者において、高度 6.0 km より上層で氷過飽和度が大きかった。
3 基の HYVIS で観測された各粒子（過冷却水滴、柱状粒子、板状粒子、鼓状粒子、凍雨）において、粒子が数多く観測された高度について注目すると、1 基目の HYVIS では過冷却水滴の数は高度 4.6~6.2 km で、柱状粒子の数は 6.2~8.2 km で、板状粒子の数は 7.4~10.2 km で、鼓状粒子の数は 7.8~9.4 km かつ 9.8~10.2 km、凍雨の数は 5.8~7.0 km かつ 7.8~8.2 km かつ 8.6~9.8 km で他高度よりも比較的多く見られた。2 基目の HYVIS では過冷却水滴の数は 4.6~5.0 km で、柱状粒子の数は 5.8~6.2 km で、板状粒子の数は 6.2~6.6 km で、鼓状粒子の数は 6.6~7.0 km かつ 7.4~7.8 km、凍雨の数は 5.4~5.8 km で他高度よりも比較的多く見られることから、粒子数の多い高度が 1 基目の HYVIS より低くなっていることが確認できた。このことから、対流性降水域から層状性降水域にかけて、HYVIS で観測された各粒子が数多く観測された高度の上端は徐々に低下していることが見て取れた。また、全ての粒子において、対流性降水域から層状性降水域にかけて、観測された粒子数が徐々に減少していることが見て取れた。したがって、対流性降水域で形成した氷晶粒子は、水平風によって層状性降水域へ移流すると考えられ、この過程で一部の氷晶粒子が、自身の重さや下降気流によって対流性降水域に近い層状性降水域（対流性降水域の位置から水平 30 km程度）へ徐々に落下していると考えられる。また、2 基目の HYVIS では 0℃高度直上（高度 6.0 km 付近）で雪片が観測された。観測された雪片は、複数の柱状粒子が付着かつ併合して形成されたものであった。この観測結果から、対流性降水域で形成された柱状粒子が落下中、複数の柱状粒子が凝集して雪片を形成したと考えられる。
本研究で対象とする降水システム内の HYVIS 観測領域以外の範囲を含めた粒子の空間分布を把握するために、HYVIS で観測された固体凝結物の粒子の形状と粒子の数と、偏波パラメータ（ZDR、KDP）の対応を調べ、偏波パラメータを用いて粒子の水平分布と鉛直分布を解析した。粒子の鉛直分布解析から、融解層付近（高度 4.0~5.0 km）でレーダ反射強度が極大を示す層状性降水域（対流性降水域の位置から水平 40~60 km）において、高度 6.0~8.0 km では-0.2~0.5dB のZDR値が、1.0~2.0 deg km-1の正のKDP値が広がり、5.0~6.0 km では-0.2~0.2 dB の 0 に近いZDR値が、0.0~1.0 deg km-1の 0 に近い正のKDP値が広がっていることが分かった。また、この領域付近に注目して粒子の水平分布を見ると、-0.5~0.0 dB のZDR値を示す領域が進行方向に直交した南西ー北東方向に帯状に広がっていることが確認でき（高度 6.0 km 面）、この領域のより上層（高度7.5 km 面）では 0.5~2.0 deg km-1の正のKDP値が同様に帯状に広がっていた。この観測結果から、高度 6.0~8.0 km では氷晶粒子の数密度が大きく、5.0~6.0 kmでは雪片が支配的であることが考えられる。層状性降水域において高度 6.0 kmより上層で氷過飽和度が高いことを考慮すると、対流性降水域で形成された氷晶粒子は層状性降水域へ水平に広がりながら移流し、層状性降水域に移流した粒子は昇華凝結によって成長し、成長した粒子の重さによって幅広く帯状に落下し、落下に伴い凝集して雪片を形成していると考えられる。
[戻る]
[English]
Microphysical Structure of the Mesoscale Convective System Observed during PALAU2013
Yoshio OHWAKI
A mesoscale convective system propagated from east to west over the Republic of Palau in the tropical western Pacific Ocean in June 15, 2013. This system has characteristics of leading convective and trailing stratiform regions, like as a squall line. Since this system has precipitation cells which radar reflectivity becomes weak rapidly as the upper layer from a height of about 0℃ and less than 40 dBZ at -10℃ (at height of about 7 km), it is assumed that this system is the short mesoscale convective system which generates over the tropical western Pacific Ocean. To elucidate the formation and development process of precipitation through the formation and growth process of ice crystals in this mesoscale convective system, this study was analyzed the three-dimensional distribution of type and number of supercooled droplets, ice particles (column type, plate type, and column-with-plates type), frozen drops, and snowflakes in the upper level than 0 degree Celsius level in the mesoscale convective system and was clarified the microphysical structure of that.
To accomplish this purpose, hydrometeor videosondes (HYVISs) and an X-band polarimetric radar of Nagoya University were used in this study. Four HYVISs were consecutively launched from convective region to stratiform region in the mesoscale convective system, and radar observation was coinstantaneously conducted. Of the four HYVISs, this study was used the first HYVIS launched into the convective region and the second and third HYVISs launched into the stratiform region.
In convective region, from the vertical distribution analysis of the ice particles using the first HYVIS, a number of column types were observed in the temperature range of -5.8~-17.1 degree Celsius, and a number of plate types were observed in the temperature range of -12.1~-30.4 degree Celsius. Also, there was 0~-3 degree Celsius in the temperature range on the formed plate type, there was -3~-10 degree Celsius in the temperature range on the formed column type, and there was -10~-22 degree Celsius in the temperature range on the formed plate type as Kobayashi diagram indicates (Kobayashi, 1961). Therefore, the temperature ranges on a number of observed column types and plate types were lower than those on the formation of column type and plate type each. However, if it were supposed that there is an updraft field in the convective region, it could be considered that column type and plate type observed by the HYVIS advected into the upper level after the ice particles formed. It is therefore considered that the ice particles formed in convective region. In convective region, a few rimed particles were observed, but no densely-rimed particles and no graupels were observed. This means that the growth by riming was not active in convective region. The supersaturation was large in the upper level than a height of 6 km in convective and stratiform regions.
In the particles (supercooled droplets, column type, plate type, column-with-plates type, and frozen drops) observed by three HYVISs, focused on the height of a number of observed particles, the first HYVIS was observed a number of supercooled droplets in the height range of 4.6~6.2 km, a number of column types in the height range of 6.2~8.2 km, a number of plate types in the height range of 7.4~10.2 km, a number of column-with-plates types in the height range of 7.8~9.4 km and 9.8~10.2 km, and a number of frozen drops in the height range of 5.8~7.0 km, 7.8~8.2 km, and 8.6~9.8 km. The second HYVIS was observed a number of supercooled droplets in the height range of 4.6~5.0 km, a number of column types in the height range of 5.8~6.2 km, a number of plate types in the height range of 6.2~6.6 km, a number of column-with-plates types in the height range of 6.6~7.0 km and 7.4~7.8 km, and a number of frozen drops in the height range of 5.4~5.8 km. From convective region to stratiform region, the top of peak height and the numbers of observed particles decreased gradually for each particle type. It is therefore considered that some of the ice particles formed in convective region fell gradually by the weight of the ice particles and a downdraft as flowing to stratiform region near the convective region (horizontal 30 km from the position of convective region) by horizontal wind. Also, a few snowflakes were observed above the 0 degree Celsius level (in the height of 6.0 km). The observed snowflakes were the particles which attached and annexed to form. From this observational result, it is considered that some of the plurality of column type aggregated to form snowflakes in the middle of falling.
[BACK]