[Japanese]
修士論文要旨(長屋 智大)
沖縄周辺の梅雨前線におけるKa帯レーダーの偏波パラメータと雲・降水粒子の微物理特性の関係
長屋 智大
走査型のKa帯偏波レーダーが2014年に名古屋大学に導入された。このレーダーはレーダー反射因子(ZHH）、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)などの偏波パラメータを取得できる。しかし、Ka 帯レーダーの偏波パパラメータと降水粒子の対応関係は明らかにされていない。
本研究では、2016年梅雨期の沖縄周辺で観測された層状性降水の固相域において、気球搭載型の直接粒子観測測器であるビデオゾンデ・雲粒子ゾンデ(HYVIS)で観測された雲・降水粒子の微物理特性（粒径・扁平度・数濃度）とKa 帯レーダーのKDPの対応関係を明らかにすることを目的とする。
レーダーとビデオゾンデ・HYVISの観測結果を比較するため、Ka 帯レーダーとC帯レーダー（COBRA）は気球の方向へ連続して鉛直断面観測を行った。Ka帯レーダーで観測された鉛直断面では、高度 6～8 kmに大きなKDPを示す層が水平方向に広がり、その構造が 1 時間以上持続する様子が確認された。KDPの極大高度において、ビデオゾンデで観測された氷晶粒子の扁平度の中央値は 0.4付近であることから、扁平な氷晶粒子が大きな割合を占めると考えられ、その高度帯では板状結晶を観測した。また、扁平度の値は高度によらず、ほぼ一定であるため、他の高度と比べて顕著に扁平な粒子が存在していたとは考えにくい。粒径のプロファイルは、KDPの極大高度において他の高度より大きな値を示しておらず、粒子全体の粒径が大きくなることがKDPの極大に寄与したとは考えにくい。氷晶粒子数濃度の高度変化傾向は、KDPの高度変化傾向と類似しており、両者の極大値を示す高度が一致する。これらのことから、Ka 帯レーダーのKDPは、高い数濃度の板状結晶などの扁平な氷晶粒子の存在により大きな値を示すことが明らかになった。
Ka帯レーダーと同時に観測した COBRA のKDPの高度プロファイルでは、明瞭な高度変化は確認できなかった。これは、KDPが波長の逆数に比例するパラメータであるため、COBRA のKDPは変化量が小さく、ノイズとの識別が難しいことが原因であると考えられる。このことから、Ka 帯レーダーのKDPは氷晶粒子数濃度の変化を明瞭に捉えることができる特長を持つことが示唆された。
次に、Ka帯レーダーのKDPに加えてCOBRAのZHH・ ZDRの鉛直方向の変化の特徴と、ビデオゾンデ観測で得られた結果から、層状性降水の固相域の雲微物理構造を考察した。上層から KDPピーク高度付近に向かって粒子数濃度が増大する要因は、昇華凝結成長によってレーダーやビデオゾンデで検知される粒子数が増加することに加えて、昇華凝結熱による弱い上昇流の存在によって小粒径の粒子が滞留する影響や二次氷晶生成の影響などの可能性が考えられる。KDP ピーク高度付近より下層では、凝集過程により形成された雪片をビデオゾンデ観測で確認した。本事例では、凝集過程の発生に加えて、高度6.0 km以下の未飽和な大気環境場では小粒径の粒子の滞留は生じず、逆に昇華蒸発が生じることなどが粒子数濃度減少の要因として考えられる。しかし、本研究の観測結果のみでは、粒子数濃度の増大・減少について、どの要因がどの程度寄与しているのかを検討することはできなかった。
集中観測期間中、Ka 帯レーダーは層状性降水の固相域において様々な高度に高い KDPの値を持つ層を観測した。気温－15℃より高い温度帯に現れる比較的小さい値のKDP極大値を持つ層の存在は、波長が短い、つまり KDPの感度が高いKa帯レーダーを用いることでより明瞭に確認できることが示唆された。
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[English]
Relationship between Polarimetric Signatures by a Ka-band Radar and Microphysical Properties of Hydrometeors associated with the Baiu Front around Okinawa Island
Tomohiro NAGAYA
Nagoya Universitiy has introduced a scanning Ka-band Doppler radar since 2014. This radar has ability to obtain the polarimetric parameters, such as radar reflectivity (ZHH), differential reflectivity (ZDR), specific differential phase (KDP) and correlation coefficient (ρhv). Under simplifying assumptions the theoretical KDP is represented by a function of following parameters; diameter, oblateness and number concentration.
The purpose of this study is to clarify the relationship between KDP obtained by a Ka-band radar and the microphysical characteristics of particles (diameter, oblateness and number concentration). We analyzed the solid phase regions of stratiform precipitation associated with the Baiu frontal rainband by using the Ka-band radar and the balloon-borne in-situ observation instruments such as Videosonde (VS) and Hydrometeor Videosonde (HYVIS).
A simultaneous observation using the Ka- and C-band radars and VS and HYVIS was conducted in Okinawa Island on 3 June 2016. This observation method is that both radars scan range-height crosssection at the direction of VS and HYVIS every 1 minute and 30 seconds respectively. By this method, we can compare the KDP observed by both radars and the microphysical characteristics of particles.
The KDP obtained by the Ka-band radar has a clear peak at a height of 6.5 km above the melting level. The median value of oblateness shows around 0.4 at this height. It suggests the existence of oblate ice crystal such as plate crystals. VS and HYVIS shows the existence of plate crystals around this height. Also, the profile of median value is approximately constant in the positive KDP region. It is unlikely that most of ice crystals at this height are notably oblateness. The profile of third power of median diameter value are not large at this height. It is unlikely that most of ice crystals are larger and these contribute to the large positive KDP. The profile shape of ice crystal number concentration is very similar to the KDP one. Therefore, it is revealed that the large positive KDP value shows the existence of high number concentration of oblate ice crystals such as plate crystal.
The peak value of KDP obtained by COBRA is not clear. Because the KDP is proportional to the reciprocal of wavelength, namely KDP of COBRA has small change amount, it should be difficult to distinguish the difference between signal by particles and noise. Hence, the Ka-band radar has an advantage over longer wavelength radars than C-band to detect the variation of oblate ice crystal number concentration.
Range-height crosssection observed by the Ka-band radar shows the large positive KDP layer between 6.0-8.0 km height is widely distributed and is maintained for more than 1 hour. We consider the cloud microphysical structure and the growth process in the solid phase region of stratiform precipitation by using the vertical variation of ZHH and ZDR obtained by COBRA additional to KDP obtained by Ka-band radar. The temperature of the KDP peak height is －8℃. The structure of KDP peak at a height of around －15℃ is often observed and reported by several previous studies. These suggest the relationship between this KDP peak and high number concentration of dendrite due to the vigorous depositional growth.In this case, VS observed plate crystals at a height of －15℃. It suggests that ice crystals grow and sediment around this height because this environment is not favorable to grow high number concentration of dendrite and vigourus aggregation process. The increase tendency of KDP from cloud top to below should represent the increase tendency of the number concentration of ice crystals that can be detected by radars. Around a height of －8℃, vigorous aggregation should occur due to the increasing collision probavility with increasing number concentration and diameter and the increasing merging provability with increasing temperature. Below a height of －8℃, the decreasing number concentration of ice crystals should be induced by aggregation process that a lot of ice crystals transfer one snowflake. The decrease tendency of KDP from a height of －8℃ to below should represent the decreasing number concentration of ice crystals and the decrease tendency of ZDR should represent the increasing contribution by snowflakes.
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