[Japanese]
修士論文要旨(山野 未央)

晴天乱気流の統計的特性と発生ポテンシャルに関する研究

山野 未央



乱気流は航空機の安全性を左右する重要な現象である。特に晴天下で生じる晴天乱気 流(Clear air turbulence: CAT)は、飛行機に搭載されているレーダーで検知ができないた め、事前に認知して回避することが難しい。そのため CAT を回避するためには、観測や 飛行中の機体からの報告といった情報の蓄積と精度の高い予報技術が重要な役割を果た す。そこで日本上空では乱気流がいつ、どこで発生しやすいのかを調べるために、2012 年~2016 年の 5 年間分のパイロットレポート(PIREPs)の統計的な解析を行った。CAT については統計的な解析に加えて、数値モデルによる診断指標の計算を行うことで CAT の発生ポテンシャルの識別に有効な指標を調べた。

本研究では PIREPs のうち、十分なレポート数があり現象がより顕著である moderate 以上のレポート(moderate or greater: MOG)に着目した。MOG 乱気流は季節については 冬季から春季に発生数が多く、特に 20000 ft より上層では、冬季から春季の沖縄周辺と 夏季の新潟周辺の上空で多く報告された。この水平分布の季節変動は経度方向よりも緯 度方向で大きく、高緯度域は夏季、低緯度域は冬季が年間の MOG 乱気流に占める割合 が大きいことが分かった。これは日本上空のジェット気流の季節変動と対応するため、 MOG 乱気流の多くがジェット気流の周辺で生じることが推測される。一方、下層では 国内の主要な空港の周辺に MOG 乱気流の数が集中しており、上層のような緯度方向の 季節変動も見られないことから、離着陸に伴う MOG 乱気流が多いと考えられる。

高度 20000 ft 以上の severe 乱気流のうち、気象衛星の赤外画像によって雲の有無を確認することで CAT を抽出した。CAT は 11 月に最も回数が多く、季節では春季が最も多 かった。また緯度方向の季節変化がジェット気流と一致していた。ジェット軸と CAT の 発生地点との距離を調べたところ、CAT のうちジェット気流近傍で発生した事例が 76.7%もの割合を占めていることが分かった。
さらに、CAT の発生ポテンシャルを識別するのに有効な指標を調べるため、CReSS (Cloud Resolving Storm Simulator)による気象予報実験によって 2014 ~ 2016 年の CAT 事 例について 9 つの指標を CAT 事例について算出した。各指標の計算の結果、ジェット気 流周辺のウインドシアや前線を表現する前線形成関数と TI1 (Turbulence index 1)が CAT の発生ポテンシャルの識別に有効であることが分かった。これは CAT の多くがジェッ ト気流近傍で発生していることと整合的な結果であった。一方で大気の安定度を表すブ ラント・バイサラ振動数や温位の鉛直傾度は CAT 発生と対応が悪いという結果が得ら れた。その原因としては、これらの指標を計算するには予報実験の鉛直解像度が粗かっ たこと、 KH 不安定と山岳波によって発生する CAT の頻度が小さかったことが考えられ る。

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[English]

Study on statistical characteristics and occurrence potential of clear air turbulence

Mio YAMANO



Turbulence is an important phenomenon affecting safety when operating aircraft. It is difficult to recognize and avoid clear air turbulence (CAT), which occurs in clear air, because the weather radar equipped on the airplane cannot detect CAT. Therefore, in order to avoid CAT, accumulation of information such as observations and reports from aircrafts in flight and accurate forecasting technology are important. In order to investigate when and where turbulence frequently occur over Japan, the pilot reports (PIREPs) for 5 years from 2012 to 2016 were analyzed statistically. In addition to statistical analysis, which indexes can express the occurrence potential of CAT was examined by calculating diagnostic indexes using numerical model.

In this research, we focus on the moderate or greater (MOG) turbulence because PIREPs include enough MOG reports and MOG turbulence is more remarkable. MOG turbulence occurred frequently in winter and spring, especially around Okinawa in winter and spring and around Niigata in summer especially in the upper level above 20 000 ft. The seasonal variation of the horizontaldistribution was obvious in the latitude direction than in the longitude direction. MOG turbulence in the summer season in the high latitude region and the winter in the low latitude region accounted for a large proportion of the MOG turbulence in the year. Since it corresponds to the seasonal variation of the jet stream over Japan, it is supposed that much of the MOG turbulence occurs around the jet stream. On the other hand, in the lower level, the number of MOG turbulence is concentrated around the domestic major airports, and seasonal variation in the latitude direction is not seen, so it is supposed that much MOG turbulence occurred around the time of takeoff and landing.

The CAT cases were picked up by checking the clouds by infrared images of weather satellites among severe turbulence above 20,000 ft. The number of CAT cases was largest in November of all months and in spring of all seasons. The seasonal variation of CAT distribution in the latitude direction were also seen. We examined the distance between the jet stream and CAT occurrence points, and it was found that 76.7% of all CAT occur around the jet stream.

In order to investigate which indexes can express the occurrence potential of CAT, 9 indicators were calculated for each CAT case from 2014 to 2016 by weather forecast experiment with CReSS (Cloud Resolving Storm Simulator). As a result of calculation of each indicator, it was found that frontogenesis function and TI 1 (Turbulence index 1), which express wind shear and front around the jet stream, are available to express the occurrence potential of CAT. It correspond with that much of CAT occurred around jet stream. On the other hand, the Brant-Vaisala frequency and the vertical gradient of potential temperature which represent the stability of the atmosphere cannot express the occurrence potential of CAT. The possible reasons are that the vertical resolution was low to calculatethese indexes and that it was not frequently to occur the CAT due to KH instability or mountain waves.

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