[Japanese]
修士論文要旨(村崎 あつみ)
沖縄における暖かい雲の雲粒粒径分布の特徴
村崎 あつみ
暖かい雲の一つである層積雲は、エントレインメントや上昇流などの影響により積雲や積乱雲に発達する。発達した積乱雲は局地的大雨をもたらし、河川の増水や冠水などの被害が発生する場合がある。現在、積乱雲の観測や予測には波長数センチメートルのマイクロ波帯レーダーが用いられているが、より小さな雲粒を検出することができる波長数ミリメートルの Ka 帯レーダーを用いると積乱雲のファーストエコーをより早期に捉えることができる。しかし、 Ka 帯レーダーは積乱雲発達前の目視で確認できる層積雲や浅い積雲を検出できない場合がある。先行研究では単一粒径を仮定して Ka 帯レーダーで検出可能な雲粒粒子を推定したものもあるが、実際には様々な粒径の粒子が存在すため、粒径分布の変化を考慮しなければならない。そこで本研究では、層積雲から積雲への発達過程における粒径分布の変化の特徴を示し、 Ka 帯レーダーによるファーストエコー検出時の粒径分布の特徴を明らかにすることを目的とする。
まず、積乱雲の発達初期段階を捉えるために 2017 年 6 月 10 日沖縄県八重岳で行なった名古屋大学 Ka 帯レーダーと直接粒子観測測器 Cloud Particle Sensor(CPS)とHydrometeor Videosonde(HYVIS)を用いた同期観測により Ka 帯レーダーで検出されなかった層積雲の特徴を調べた。直接粒子観測測器を層積雲内に放球した時、 Ka 帯レーダーでは層積雲のエコーは確認できなかった。直接粒子観測の結果より、層積雲の粒径分布は最大数濃度 116.28 cm -3 、最大粒径 30.6 μm、最大体積平均粒径(D m )18 μm であることを確認した。得られた粒径分布よりレーダー反射強度を推定すると、 -23.8 dBZ となり、名古屋大学 Ka 帯レーダーの 6.0 km 地点における最小検出可能反射強度 -16.6 dBZを下回った。したがって、 Ka 帯レーダーで層積雲のエコーが検出されなかったことと一致した。
層積雲が発達した時 Ka 帯レーダーで検出される粒径分布を調べるために、仮想的に粒径分布の粒径や数濃度を変化させる実験を行なった。数濃度が観測と同程度の 100cm -3 の場合、最大粒径が 37.1 μm、D m が 23.8 μm の粒径分布であれば、推定レーダー反射強度は最小検出可能反射強度を上回った。
凝結過程や衝突併合過程を考慮に入れるために、ラグランジュ法を用いて雲微物理過程を表現することができる超水滴法雲解像モデルを用いた理想実験を行い、層積雲から積雲までの発達過程における粒径分布の特徴を推定した。最大レーダー反射強度が-18.8dBZ と最小検出可能反射強度を下回る積雲の粒径分布において、数濃度は 99.8 cm -3 と観測と同程度、 D m は 12.2 μm と観測より約 5 μm 小さいものの、最大粒径は 100 μm まで広がっていた。その後さらに発達した積雲の粒径分布において、数濃度は 98.5 cm -3 、D mは 13.3 μm と変化しない一方、最大粒径は 180 μm まで広がっていた。最大レーダー反射強度は-6.54 dBZ と推定され、最小検出可能反射強度を上回り、ファーストエコーが確認された。積雲へ発達するにつれて凝結・衝突併合成長が進み、粒径の大きな粒子が生成した。 100 μm 以上の大きな粒子の各粒径の数濃度は 10 -6 cm -3 程度と少ないものの、大きな粒径がレーダー反射強度に大きく寄与するため、 Ka 帯レーダーでファーストエコーとして捉えられる粒径分布となったと考えられる。
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[English]
Droplet Size Distribution of Warm Clouds in the Okinawa Region
Atsumi MURASAKI
Stratocumulus clouds which are one of warm clouds develop to cumulus and cumulonimbus clouds by the entrainment and the upward flow. Developed cumulonimbus clouds bring about local heavy rainfall, which often causes disaster such as flash flooding. Cumulonimbus clouds are observed by microwave-band radars (centimeter wavelength), but a Ka-band radar (millimeter wavelength) which is able to detect small cloud droplets is useful for detecting cumulonimbus clouds earlier than microwave band radars. However, Ka-band radar cannot sometimes detect stratocumulus and shallow cumulus clouds before they develop to cumulonimbus clouds. There is the previous study which estimated the cloud droplet diameter detected by Ka-band radar assuming the single diameter. However, the variation of the droplet size distributions (DSDs) should be considered because clouds are formed by particles of different diameter. The purpose of this study is to clarify the characteristics of the DSDs in the development process from stratocumulus to cumulus clouds.
In order to capture the initial stage of the development of the cumulonimbus cloud, thesimultaneous observation using Ka-band radar, CPS and HYVIS was conducted at Mt. Yae in the Okinawa Island on June 10th, 2017. The characteristics of the DSDs of the observed stratocumulus clouds was investigated. The Ka-band radar is unable to detect any echoes related to the stratocumulus clouds at launching point. From the results of direct particle observation, the cloud droplets have their maximum number density of 116.28 cm -3 , the maximum particle diameter of 30.6 μm, and maximum mass-weighted mean diameter (D m ) of 18 μm. The estimated radar reflectivity from the observed DSD is -23.8 dBZ, which is lower than the observed lowermost reflectivity at the 6.0 km range from the Ka-band radar of Nagoya University (-16.6 dBZ).
Based on the observed DSD, in order to investigate the DSDs detected by the Ka-band radar when the stratocumulus clouds are developed, the sensitivity experiments with variation of DSDs are conducted. If the number concentration is approximately 100 cm -3 , which is comparable to the in situ observation, the estimated radar reflectivity exceeds the observed lowermost reflectivity when maximum particle diameter and D m was greater 37.1 μm and 23.8 μm, respectively.
Considering the cloud microphysics process, the ideal experiment using the cloud-resolving model with Super Droplet Method which is able to express the process Lagrangian tracing with particle development is also conducted. The number concentration was 98.5 cm -3 , the D m was 13.3 μm, and maximum diameter extended to 180 μm. The estimated reflectivity is -6.54 dBZ and is greater than the observed lowermost reflectivity. As the stratocumulus clouds developed to cumulus clouds, the condensation and collision-coalescence growth were advanced, and thedroplets whose diameters are large are generated. It was suggested that the clouds had the DSD detected as the first echo by the Ka-band radar because the large droplets contribute to the radar reflectivity.
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