[Japanese]
修士論文要旨(武元 清達)

冬季北陸地方で発生したガンマ線グローをもたらす対流雲内部の偏波パラメータの時間変化

武元 清達


最近,冬季北陸地方において,対流雲に由来したガンマ線グローと呼ばれるガンマ線放射現象が地上で観測されることが報告されている.ガンマ線グローは,数十秒から数分の継続時間を持ち,電荷を帯びた降水粒子により形成された雲内の強い電場中での「逃走電子のなだれ増幅」に起因した現象と考えられている.しかし,雲内部に存在すると考えられる帯電した降水粒子の分布や電荷構造は明らかにされていない.

多地点に設置された複数の検出器を用いてガンマ線グローを調べるため,Gamma-Ray Observation of Winter THundercloud(GROWTH)実験が2016年冬季から石川県金沢市で行われている.GROWTH実験の対象地域は,国土交通省が管理するeXtened RAdar Information Network(XRAIN)能美局の二重偏波レーダの観測範囲内に位置している.二重偏波レーダを用いて降水粒子の形状やばらつき具合から主たる降水粒子の分布を推定することが可能である.本研究では,このレーダを用いてガンマ線グローをもたらした降水システム内部の降水粒子分布を推定し,それらが形成する電荷構造を考察することを目的とする.XRAIN能美レーダによる5分毎にボリュームスキャン走査により取得されるレーダ反射強度(Z_h),レーダ反射因子差(Z_dr),偏波間位相差(K_dp),偏波間相関係数(ρ_hv)から3次元直交座標系のConstant Altitude Plan Position Indicator (CAPPI) 形式のデータを作成し,4つの偏波パラメータから降水粒子判別法を用いて降水粒子の3次元分布を推定する.本研究では,最近5年間の16 のガンマ線グロー検出事例を解析した.その結果,ガンマ線グロー検出時に,冬季としては背が高く,Z_h が35 dBZ以上の対流性エコーが検出点上空を通過した.このとき,降水粒子判別結果から,同領域に霰粒子が支配的に存在していたことを確認した.また,反射強度の時間変化を調べたところ,その最大値とエコー頂がガンマ線グローの観測前後で明確に低下していることを確認した.これは対流雲が衰退期であることを示し,雲下層ではライミングによる帯電がほぼ起こらないと考えられる.従って,着氷電荷分離機構に基づいて形成される三極電荷構造のうち,-10℃層より下層で正に帯電した霰による正電荷領域と-10℃層より上層で負に帯電した霰による負電荷領域の境界が下方へ移動し,地上に近づくと考えられる.この領域は,電子が地上向きに加速される上向きの電場を持つと考えられる.この電場がRREAをもたらすための十分な強度を持ち,地上に十分近づくことで,ガンマ線グローが地上で観測されると考えられる.

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[English]

Time evolution of polarimetric parameters in winter convective clouds accompanied by gamma-ray glow events in the Hokuriku region

Kiyomichi Takemoto



Recently, gamma-ray glows are sometimes observed at the ground from active convective clouds in the Hokuriku region during the winter season. Gamma-ray glows typically last dozens of seconds to several minutes, and are considered phenomena originate from relativistic runaway electron avalanches (RREAs) in strong electric fields due to charged hydrometeor particles. The Gamma-ray Observation of Winter Thunderclouds (GROWTH) field campaign has been conducted to investigate gamma-ray glows setting up multiple sensors around Kanazawa City, Japan since 2016. The GROWTH observation region is covered by the X-band polarimetric radar at Noumi site, one of radars of the eXtened RAdar Information Network (XRAIN) operated by the Ministry of the Land, Infrastructure, Transport and Tourism. This study aims to confirm the inner structure of precipitation clouds brought about gamma-ray glows using polarimetric parameters, i.e., reflectivity (Z_h), differential reflectivity (Z_dr), specific differential phase (K_dp), correlation coefficient between horizontal and vertical polarizations (ρ_hv), which are obtained by the radar. The polarimetric radar makes the volume scanning operation at every 5 minutes. A hydrometeor classification method enables us to infer the 3-dimensional distribution of precipitation particles. Sixteen gamma-ray glow events are detected for our analyses for recent 5 winter seasons. The results of the hydrometeor classification method show that the convective clouds are mainly occupied by the ‘‘wet graupel’’ category and relatively higher reflectivity when the gamma-ray glows are observed. Also, time series of reflectivity show that both the height of maximum reflectivity and echo-top height of 35 dBZ, which is a proxy of the existence of graupel particles, clearly decrease between before and after the time when the gamma-ray glows are observed. This shows that the convective cells are in the dissipating stage of their life cycle. As a result, an updraft and riming electrification should hardly exist in the stage. Thus, the boundary between positively charged regions formed by positively charged graupels located below the height of -10 degree Celsius and negatively charged ones formed by negatively charged ones located above that height, moves downward and approaches to the ground. If the boundary between positively and negatively charged regions has sufficient intensity for the RREAs reaches close to the surface, the gamma-ray glows should be observed at the surface.

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