[Japanese]
修士論文要旨(中澤 利恵)
Kaバンド雲レーダを用いた発達する対流雲の早期識別手法の検討
中澤 利恵
積乱雲はその寿命がおよそ 30 分から 60 分と短いにも関わらず、地上に大雨をもたらすことがある。積乱雲による大雨は時に災害を発生させ、特に 2008年 7 月に起きた都賀川の急激な増水は積乱雲の早期検出と、大雨の早期予報の重要性を示した。
積乱雲を含む対流雲の発生後、最初にレーダで検出されたエコーをファーストエコーと呼ぶ。Ka バンド雲レーダ(波長約 8.6 mm)を用いると、現在、国内で広く利用されている X バンド降水レーダ(波長約 3 cm)よりもおよそ 20 分早くファーストエコーを検出できることが先行研究により示された。しかし、先行研究では、のちに積乱雲へと発達したものについて、時間を遡ってファーストエコーを検出し、エコーの成長を評価しているため、ファーストエコーが検出された後、どのエコーが発達するのかは十分に議論されていない。そこで本研究では、ファーストエコーの検出後、地上に強い雨をもたらす対流雲（以下、発達したエコー）と強い雨をもたらさない対流雲（以下、発達しなかったエコー）を早期に識別する手法を検討することを目的とした。識別を行うための指標として、鉛直平均反射強度のエコー群内の最大値（MAX_VAR）の時間変化、鉛直平均反射強度のエコー群の面積（VAR_AREA）の時間変化の 2 つを挙げ、それらの有効性を検討した。
積乱雲の発達は急速なため、その発達過程を正確に解析するには、高時間分解能の観測が必要である。今回は、2018 年 8 月 16 日 9:30 頃、2018 年 8 月 6 日 14:24 頃、15:06 頃に神戸市上空で Ka バンド雲レーダにより検出された対流雲について、方位角方向の観測範囲を 90 °に絞り、2 分間で 11 仰角の観測が可能な SPPI （Sector Plan Position Indicator）による観測を行った。
ファーストエコーを検出する条件として、エコーが-17.0 dBZ 以上の反射強度を持ち、面積が 1 km2 以上 400 km2 以下であることを定めた。発達したエコーと発達しなかったエコーは、XRAIN の地上降水強度が 20 mm/h 以上かどうかで識別した。この基準に従うと、検出された 14 個のファーストエコーのうち発達したエコーは 2 個であり、残った 12 個のエコーのうち 3 個は発達したエコーと併合した。
発達したエコーは発達しなかったエコーと比べて MAX_VAR が継続して増大し、35.0 dBZ を超えた。しかし、発達初期において、発達したエコーと発達しなかったエコーの間では MAX_VAR の大きさの違いは見られなかった。また、VAR_AREA の時間変化についてみると、発達したエコーと発達しなかったエコーの間で明らかな違いがみられ、発達したエコーは検出後、急激に増大した。一方で発達しなかったエコーの VAR_AREA には増大が見られなかった。さらに、2 分間当たりの MAX_VAR の増大量 [dBZ/2min]と、2 分間当たりの VAR_AREA [km2 /2min]の増大量を基準にし、発達したエコーと発達しなかったエコーを識別できないか検討した。
発達したエコーについては、2 分間当たりの MAX_VAR の増大量の最小値は 0.1 dBZ/2min であり、最大値は、13.4 [dBZ/2min]であった。一方で、発達しなかったエコーについては、 2 分間当たりの MAX_VAR の増大量の最小値は、0.2 dBZ/2min であり、最大値は、11.7 dBZ/2 min であった。
VAR_AREA の 増 大 量 を 見 る と 、 発 達 し た エ コ ー の 2 分 間 当 た り の VAR_AREA の最小値は、4.1 km2 /2min であり、最大値は 29.4 km2 /2min であった。一方で、発達しなかったエコーについては、2 分間当たりの VAR_AREAの最小値は、0.1 km2 /2min であり、最大値は 3.6 km2 /2min と、発達したエコーの VAR_AREA の増大量は発達しなかったエコーよりも常に大きかった。また、エコーの水平面積の増大は上昇流域の広がりに相当し、その上昇流によって地上近くの空気塊が上空に輸送されやすくなることで、さらに対流雲の発達を促すと考えられることから、発達したエコーを識別するにあたり、VAR_AREA は有効な指標である可能性が示された。今回発達したと識別されたエコーはどちらも、発達の初期段階で複数の小さなエコーが併合していた。したがって複数のエコーが併合し、短時間のうちに水平面積が大きく増大することは、発達する対流雲の特徴であり、このプロセスを高感度のレーダで検出することは、発達する対流雲を早期に見分けるために重要だと示唆された。
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[English]
Early Identification Methods for Development of Convective Clouds Using Ka-band Cloud Radar
Rie Nakazawa
Although cumulonimbus clouds have a short lifespan of approximately 30 to 60 minutes. This cloud can afford the ground heavy torrential rainfall. This type of rainfall, sometimes cause terrible damage, for example, tragic flood in Toga river in July in 2008. This event recognized us the importance of early detection cumulonimbus cloud and early forecasting of heavy rainfall.
The echoes of convective clouds detected by radar for the first time is called ‘first echo’. When the Ka-band cloud radar (wavelength: about 8.6 mm) were used, the first echo detected about 20 minutes earlier than the detection with X-band rain radar (wavelength: about 3 cm). However, the previous studies evaluated echo growth traced back in time for those that later developed into cumulonimbus clouds and did not fully discuss which echoes developed in time sequence after the first echo was detected.
In this study, the two indicators were examined to identify developed convective clouds and non-developed convective clouds as early as possible after the first echo. The indicators show as follows: the time variation of the maximum value of vertical averaged reflectivity (MAX_VAR), the time variation of the area which was calculated by the counting the number of adjacent grids that have radar reflectivity -17.0 dBZ and the over (VAR_AREA).
The analyzed convective clouds that developed above Kobe City Japan at around 9:30 Japanese standard time (hereafter we express with JST) on August 16, 2018, 14:24 JST on August 6, 2018, and 16:06 JST on August 6, 2018, and the conditions for detecting first echoes were defined as the echoes having radar reflectivity -17 dBZ and the over and an area between 1 km2 and 400 km2 . The threshold to distinguished developed echo and non-developed echo was stipulated 20 mm/h which got by XRAIN composite rainfall data.
In present study, 14 echoes detected by Ka-band cloud radar and, 2 of 14 echoes were desired developed convective echoes and, other 3 echoes merged developed echoes in the initial development stage.
The MAX_VAR of developed echoes continue to increase and over 35.0 dBZ. However, the difference of MAX_VAR in initial times is not clear between developed echoes and non-developed echoes. The clear difference of VAR_AREA showedbetween developed echoes and non-developed echoes. The VAR_AREA of developed echoes (red and orange line) shows the rapidly increase after the detection. On the other hand, VAR_AREA of non-developed echoes (cool color lines) almost wasn’t gain. Based in these results, the indicator of gain in MAX_VAR per 2min [dBZ/2min] and, gain in VAR_AREA [km2 /2min] applied to 2 developed echoes, and 9 non-developed echoes.
For the developed echoes, the minimum gain in MAX_VAR per 2 min was 0.1 dBZ/2min and the maximum was 13.4 dBZ/2min. On the other hand, non-developed echoes, the minimum gain in MAX_VAR per 2 min was 0.1 km2 /2min and the maximum was 3.6 km2/2 min. This means there isn’t significant difference between the developed and non-developed echoes.
In terms of VAR_AREA, the minimum gain of VAR_AREA per 2 min for developed echoes was 4.1 km2 /2min and the maximum value was 29.4 km2 /2min. On the other hand, the minimum gain in VAR_AREA per 2 min for the non-developed echo was 0.07 km2 /2min and the maximum was 3.64 km2 /2min. This means the increase amount of VAR_AREA of developed echoes by 2 min is always larger than the amount of non-developed echoes. This suggests that the VAR_AREA is an available indicator to distinguished between developed and non-developed echoes. Moreover, in this time, developed echoes merged with other small echoes in the initial development stage. Therefore, we suggest that the process of the merge with several echoes is the characteristic point of developed convective clouds and, detect this characteristic process by high-sensitivity radar is important to identify developing echoes earlier.
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