[Japanese]
修士論文要旨(伊藤 瑞規)
凝結核数濃度の感度実験に基づく大雨事例の雲微物理過程の解析
野村 樹生
近年の研究において、大雨は雲頂高度の低い対流雲からもたらされる事例が多いことが指摘されており、下層での凝結成長および衝突併合過程による暖かい雨過程の重要性が注目されている。一方で、雲頂高度の高い発達した対流雲から降る大雨においては、霰を含むどの雲微物理過程が寄与しているのかは明らかになっていない。さらに、日本の対流雲では凍結雨滴や、それがライミング成長したと考えられる霰が観測されている。そのため従来の暖かい雨過程や雪起源の冷たい雨過程に加え、凍結雨滴を経る過程が存在する可能性がある。しかしながら、これらの雲微物理過程が降水に及ぼす相対的な寄与率は不明である。特に、凍結雨滴を含む降水形成に対して、凝結核数濃度の変化が霰生成や大雨発生に与える影響については理解が不十分である。
これらを明らかにするため、本研究では気象予報モデル Weather Research and Forecasting model (WRF) に、プロセストラッキングスキームとオリジントラッキングスキームの 2 種類を実装し、凝結核数濃度を変化させた感度実験を行った。プロセストラッキングスキームは、霰と雲水のライミングや、雨滴が凍結することによる霰の生成など、各微物理過程による雨滴と霰の質量増加及び降水への相対的な寄与を評価できる。オリジントラッキングスキームは、暖かい雨過程、雪起源の冷たい雨過程、雨滴の凍結を経る過程など、降水粒子の形成過程別に、降水に対する相対的な寄与を評価することを可能とする。解析対象は、2017年九州北部豪雨において福岡県で発生した線状降水帯による大雨事例とした。この事例は、先行研究により霰過程の寄与が示唆されている。
凝結核数濃度を中程度とした CTL 実験、CTL から数濃度を 10 倍及び 1/10倍とした POL 実験、CLEAN 実験の 3 条件で感度実験を行った。その結果、CLEAN では大雨域が最も広範囲に分布した。また、上層における霰の存在量は凝結核数濃度の増加に対して単純な比例関係とはならず、CLEAN が最も多く、次いで POL、CTL の順となった。霰の質量増加項を解析した結果、霰と雲粒のライミング及び雨滴と氷晶の衝突による霰の生成の 2 過程が主要な寄与を示し、前者は POL で、後者は CLEAN で増大していた。上空へ輸送される凝結物を比較した結果、POL では雲水の、CLEAN では雨滴の鉛直上向きフラックスが顕著であった。 POL では上昇流の強化および下層での雲水混合比の維持が、CLEAN では雨滴混合比の増加が、これらのフラックスの差に寄与していた。これは、凝結核数濃度の変化に伴う雲水の粒径の違いにより、POL では雨滴生成が抑制され雲水が増加し、CLEAN では雨滴生成が促進されたためである。また、プロセストラッキングスキームの結果からも、「霰と雲粒のライミング」及び「雨滴と氷晶の衝突による霰の生成」の 2 過程が凝結核数濃度の増加に対し、霰の非線形な応答の原因であることが示された。この「雨滴と氷晶の衝突凍結」の重要性と凝結核が及ぼす影響は、先行研究でほとんど指摘されてこなかった過程である。
さらに、オリジントラッキングスキームの結果から、本事例は雲頂高度の高い事例であったにも関わらず、全体として暖かい雨過程が卓越していることが示された。一方で、大雨域においては、風上側では暖かい雨過程の寄与が大きく、風下側では雨滴が凍結して生成される霰による降水過程の寄与が相対的に大きくなることが示された。これに対し、雪がライミングして生成される霰による冷たい雨過程は風下側で降水をもたらし、大雨への寄与は限定的である可能性が示唆された。これらの降水分布の違いは、粒子の形成高度が下層から順に暖かい雨、凍結雨滴、雪と成層構造をなしていたことに起因する。すなわち、形成高度が高い粒子ほどバックビルディング形の強い水平風によって風下側へ長く移流され、地表面での降水位置が空間的に分離したと考えられる。
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[English]
Analysis of Cloud Microphysical Processes in a Heavy Rainfall Event Based on Sensitivity Experiments on Cloud Condensation Nuclei
Itsuki Nomura
Recent studies have indicated that many heavy rainfall events are produced by convective clouds with relatively low cloud-top heights, highlighting the importance of warm-rain processes driven by condensational growth and collision–coalescence in the lower troposphere. In contrast, for heavy rainfall associated with deeply developed convective clouds with high cloud tops, it remains unclear which cloud microphysical processes-particularly those involving graupel-contribute to rainfall production. Observations of Japanese convective clouds have reported the presence of frozen raindrops and graupel likely formed through the riming growth of frozen raindrops. This suggests the existence of a precipitation pathway involving raindrop freezing, in addition to conventional warm-rain and snow-origin cold-rain processes. However, the relative contributions of these microphysical processes to total precipitation remain poorly understood. In particular, the impacts of variations in cloud condensation nuclei (CCN) concentrations on graupel formation and heavy rainfall production through processes involving frozen raindrops have not yet been sufficiently clarified.
To address these issues, we implemented two diagnostic schemes -a process- tracking scheme and an origin-tracking scheme- into the Weather Research and Forecasting (WRF) model and conducted sensitivity experiments by varying CCN concentrations. The process-tracking scheme quantifies the mass growth of raindrops and graupel, as well as their relative contributions to precipitation through individual microphysical processes, such as the riming of cloud water by graupel and graupel formation through raindrop freezing. The origin-tracking scheme evaluates the relative contributions of different precipitation pathways, including the warm-rain process, the graupel formation process via snow riming, and processes involving raindrop freezing. The analysis focuses on a heavy rainfall event associated with a quasi-stationary linear precipitation band (senjo-kousuitai) over Fukuoka Prefecture during the July 2017 Northern Kyushu Heavy Rainfall, for which previous studies suggested a significant role of graupel processes.
Sensitivity experiments were conducted under three CCN conditions: a control experiment (CTL), a polluted experiment (POL; ten times the CCN concentration of CTL), and a clean experiment (CLEAN; one-tenth the CCN concentration of CTL). The results revealed that the spatial extent of heavy rainfall was largest in CLEAN. The amount of upper-level graupel did not show a simple linear relationship with CCN concentration; it was largest in CLEAN, followed by POL, and then CTL. Analysis of graupel mass growth indicated that the riming of cloud water by graupel and graupel formation through collisions between raindrops and ice crystals were the two dominant processes. The former was enhanced in POL, while the latter was more pronounced in CLEAN. Differences in the upward fluxes of condensates showed that the flux of cloud water was larger in POL, whereas the flux of raindrops was larger in CLEAN. In POL, the enhancement of updrafts and the maintenance of high cloud water mixing ratios in the lower levels contributed to the increased cloud water flux. In contrast, the increased raindrop flux in CLEAN was driven by higher raindrop mixing ratios. These differences arose because the smaller cloud droplet size in POL suppressed raindrop formation and increased cloud water retention, whereas raindrop formation was promoted in CLEAN. These results demonstrate that graupel processes respond nonlinearly to CCN concentration, primarily due to the combined effects of riming and raindrop-freezing processes-the importance of which has received limited attention in previous studies.
Furthermore, the origin-tracking results indicate that although this event was characterized by high cloud-top heights, warm-rain processes dominated the total precipitation. However, within the heavy rainfall region, warm-rain processes were more influential on the upwind side, whereas precipitation associated with graupel formed by raindrops freezing upon collision with ice crystals became relatively more important on the downwind side. In contrast, the contribution of cold-rain processes involving graupel formed through snow riming was suggested to be limited. These findings suggest that even in heavy rainfall events associated with deep convective clouds, warm-rain processes provide the primary contribution, while graupel formation through raindrop freezing plays a crucial role in localized heavy rainfall. The analysis further revealed that the formation heights of precipitation particles were vertically stratified, ranging from warm-rain processes in the lower levels to raindrop freezing and snow riming in the upper levels. Consequently, the strong horizontal winds characteristic of the back-building system advected particles formed at higher altitudes further downwind, resulting in the spatial separation of precipitation areas corresponding to their formation mechanisms.
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