| Project/Area Number |
21K03674
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 17020:Atmospheric and hydrospheric sciences-related
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
清木 達也 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(環境変動予測研究センター), 副主任研究員 (60599968)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
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| Keywords | 雹 / 暴風雨 / 降水システム / 気候システム / 気候モデル / 衛星観測 / 気象 / 高解像シミュレーション |
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| Outline of Research at the Start |
雹（ひょう）は粒径が数mm以上にまで達する高密度な氷粒子であり、激しい雷雨と共に降り注ぎ災害を引き起こす。しかしながら、これまで雹の観測手段・観測地域が限定的であり、雹の研究は進んでいない。そこで本研究では、新たに開発した衛星観測手法と高解像気候モデルを組み合わせ、雹が世界のどの地域で暴風雨の発達に影響を与えうるのかを解明する。はじめに衛星観測を解析し、雹の有無が風や降雨の強度に統計的に有意な差をもたらすかを地域ごとに検証する。次に高解像気候モデルに雹モデルを導入し、雹が暴風雨を強化するメカニズムを全球で解析する。最終的に雹のリスクマップを作成し、気候と防災が融合した学際的知見を創出する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
雹は衝突して成長する粒子であるため、衝突に関する粒子特性のモデリングが非常に重要である。雲微物理モデル内では、衝突断面積内に存在する小さな粒子が空気の流れにそって軌道を変更する効果（衝突効率）と、衝突した粒子が剛体衝突によって弾かれる効果（固着効率）を簡易的に表現している。そこで本研究では、衝突効率と固着効率を理論に基づいた定式化によって陽に計算するような数値モデリング手法を導入し、全球高解像実験を実施した。
その結果、小さい雲氷や雲水の衝突は減少するようになった。結果として、対流圏中層に小さなあられや雪が形成されづらくなり、小さな雲氷が上空へと運ばれるようになった。このことは、本年度当初に想定していたように、小さな氷粒子の成長を阻害して大きな粒子を選択的に成長させる方向に向かった。
数値モデリング結果に衛星シミュレータを通し、GPM衛星搭載降雨レーダーGPRと同等のシグナルに変換し、数値モデル内の雹シグナルの検証を行った。その結果、数値モデル結果には衛星に見られないような凍結高度直上にやや大きなレーダーエコーシグナルが現れることが分かった。これは、小さな雨粒粒子が長時間滞空して出来る小さな凍結粒子に由来していることが分かった。つまり、衛星観測に見られるような雹を再現する為には、数値モデル内の雨粒の粒径を大きくすることで落下速度を大きくし、対流圏上部まで凍結粒子が舞い上がることを防ぐ必要性が示唆された。
本年度の実験における衝突・固着効率の数値モデリングの導入と、小さな氷粒子の成長を阻害した結果については論文の一部としてまとめられ、査読付き英語雑誌Journal of the Atmospheric Sciencesに投稿中である。また、衝突成長過程に潜むモデリング上の問題点については、国際会議IUGG2023にて口頭発表をおこなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
雹は凍結高度付近で成長する粒子であるため、その粒子成長に関連する物理プロセス・粒子間相互作用が多岐にわたっている。数値モデルの改良に最も影響のある物理プロセスを特定する事は困難であり、一つ一つの素過程を不確定な部分を評価し、再検証することを行っている。本年度は粒子間の衝突プロセスを見直すことで小さな粒子の成長を選択的に阻害することに成功した。そして、本年度の検証結果からはモデル改良の有力な候補が示唆された。本研究課題は着々とゴールに向け、仮説と検証を積み重ねている。
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| Strategy for Future Research Activity |
雨粒は衝突しながら質量を増やし、粒径も増加していく。一方で、衝突する際の衝突エネルギーが粒子を球形に保つ為の表面張力に打ち勝つと分裂してしまうことが分かっている。この雨滴分裂過程は、対流雲内部の雨滴粒径が大きくなりすぎると自動的に複数の小さな雨粒へと質量を再分配してしまう為、雹の形成にとって大きな阻害要因となりうる。
雨滴分裂に対する理論的なモデリング手法は提案されておらず、すべての雲微物理モデルは過去の実験データに基づいた経験的なパラメタリゼーションを利用しているのが現状である。特に過去の実験データは常温の室内で採取されたものしかなく、氷点下での実験データは存在しない。
そこで、次年度は氷点下で衝突した雨粒は瞬間凍結する為に分裂しないという仮説を設けた実験を試みる。これにより大きな粒子は小さくなること無く持続的に粒径を増大させることが可能となる。そして数値実験結果に衛星シミュレータをかけ、衛星観測と比較する事で間接的に本仮説を検証する。
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